PyTorch 之 简介、相关软件框架、基本使用方法、tensor 的几种形状和 autograd 机制

本文参加新星计划人工智能(Pytorch)赛道：https://bbs.csdn.net/topics/613989052

一、PyTorch 简介

• PyTorch 是一个基于 Torch 的 Python 开源机器学习库，用于自然语言处理等应用程序。它主要由 Facebook 的人工智能小组开发，不仅能够实现强大的 GPU 加速，同时还支持动态神经网络，这一点是现在很多主流框架如 TensorFlow 都不支持的。
• PyTorch 提供了两个高级功能：
• （1） 具有强大的 GPU 加速的张量计算（如 Numpy 库等）。
• （2） 包含自动求导系统的深度神经网络。
• TensorFlow 和 Caffe 都是命令式的编程语言，而且是静态的，首先必须构建一个神经网络，然后一次又一次使用相同的结构，如果想要改变网络的结构，就必须从头开始。但是对于 PyTorch，通过反向求导技术，可以零延迟地任意改变神经网络的行为，而且实现速度快。
• 这一灵活性是 PyTorch 对比 TensorFlow 的最大优势。除此以外，PyTorch 的代码对比 TensorFlow 而言，更加简洁直观，底层代码也更容易看懂，这对于使用它的人来说理解底层肯定是一件令人高兴的事。
• 所以，总结一下 PyTorch 的优点：
• （1） 支持 GPU。
• （2） 灵活，支持动态神经网络。
• （3） 底层代码易于理解。
• （4） 命令式体验。
• （4） 自定义扩展。
  当然，现今任何一个深度学习框架都有其缺点，PyTorch 也不例外，对比 TensorFlow，其全面性处于劣势，目前 PyTorch 还不支持快速傅里叶、沿维翻转张量和检查无穷与非数值张量；针对移动端、嵌入式部署以及高性能服务器端的部署其性能表现有待提升；其次因为这个框架较新，使得他的社区没有那么强大，在文档方面其大多数没有文档。

二、PyTorch 软件框架

1. Anaconda 下载

• 访问 Anaconda 官网，点击页面中的 Download，这个直接是 Windows 版本。

• 如果是其他版本的，点击 Download 下的三个按钮，分别对应 Windows，MacOS 和 Linux 三种。此时再下载对应的版本即可。

• 但是官网上的 Anaconda 下载会比较慢，因此，我们可以在镜像网站上进行下载，镜像网站的下载速度是高于官网的。
• 镜像网站：https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/archive/

• 在其中选择适合我们的版本即可，镜像网站只有 5.3.1 之前的版本，建议下载 5.3.1 版本。

2. Anaconda 安装

• 下载完成后，即可开始安装。双击安装文件，进入欢迎界面，点击 Next。

• 点击同意，进入到下一步。

• 选择软件使用权限，是指针对当前登录用户还是所有用户，二者都行，无特殊要求。

• 选择安装位置，完成安装。

• 如果出现此页面，需要勾选配置环境变量选项。

• 无需安装 VS Code，直接跳过即可。

• 之后便安装完成了。
• 最后对是否安装成功进行验证，在 CMD 中输入

conda --version

• 若出现像这样的 conda 版本号即安装成功。

3. Anaconda Navigator 打不开问题（不适用所有）

• 当我们打开 Anaconda Navigator 先是出来几个命令框，然后就找不到 Anaconda Navigator 了，再点击 Anaconda Navigator 时，显示已经打开。
• 产生上述的问题主要是没更新客户端（-client），采取如下步骤解决问题。
• （1） 使用管理员运行：conda prompt。
• （2） 输入 conda update conda 更新 conda，再输入conda update anaconda-navigator 更新。
• 如果出错，则需要修改 .condarc 文件，该文件的目录为：c:\user\你的用户名.condarc，如果没有打开方式就使用文本方式打开。
• 以文本方式打开 .condarc 文件后：先删除 default 那一行，然后将所有 https 都改成 http 即可。
• 接下来执行conda update anaconda-navigator，一般可以执行更新了
• （3） 重置 Navigator：anaconda-navigator --reset。
• （4） 执行命令：conda update anaconda-client，更新 Anaconda 客户端。
• （5） 执行命令：conda update -f anaconda-client。
• （6） 能打开 Navigator 了。

4. PyTorch 环境创建

• PyTorch 的环境创建分为如下几步。
• （1） 以管理员方式运行 Anaconda Prompt，在命令行格式下，输入代码，完成调用清华镜像、建立 PyTorch 环境、安装 PyTorch 、测试 PyTorch 过程。
• （2） 使用清华镜像源，分别输入以下四句代码。

conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main/
conda config --set show_channel_urls yes
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/cloud/pytorch/

• （3） 创建 PyTorch 环境，这里我的 Python 版本是 3.7，输入如下代码。

conda create -n pytorch python=3.7

• 之后，弹出提示，输入 y，即可安装。然后，查看环境是否安装成功。

conda info --envs

• 这里我们可以看到 base 和 pytorch 两个环境，* 表示当前正处于的环境。

• （4） 输入如下代码，进入 pytorch 环境当中，我们在此环境下安装 PyTorch。

activate pytorch

• 此时，如果我们每一行最初的（base）变为（pytorch ）就说明上述步骤已完成。

5. PyTorch 下载

• （1） 进入到 PyTorch 的官网：https://pytorch.org/，选择对应的安装版本。由于电脑配置的相关问题，这里选择安装 PyTorch-CPU 版本。

• （2） 输入官网提供的运行代码，这里每个人的运行代码都不相同，大家输入自己的即可，弹出提示，输入 y，即可完成安装，显示 done。

pip3 install torch torchvision torchaudio

• 跟 Anaconda 的问题相同，在官网上下载速度实在是过于缓慢，因此大家可以使用清华镜像源进行安装，此处就不过多叙述，本人直接官网下载安装的。
• （3） 在 PyTorch 下载完成后，对其是否安装完成进行测试。
• 激活 PyTorch ：activate pytorch
• 进入 PyTorch ：python
• 测试 numpy：import numpy
• 测试 PyTorch ：import torch
• 如果以上步骤都没问题，那么安装成功。

6. Jupyter 中配置 PyTorch

• （1） 打开 Anaconda Prompt。
• （2） 进入安装好的 PyTorch 环境。

conda activate pytorch #pytorch3.8 是之前建立的环境名称，可修改为自己建立名称

• （3） 安装 package：nb_conda。

conda install nb_conda

• （4） 安装完成后，输入 jupyter notbook 就可以打开 Jupyter 了。

jupyter notbook

• 如果中间出现了解决 python.exe 无法找到程序输入点 … 于动态链接库 …pythoncom37.dll 的弹窗提示这类问题，只需要找到对应目录，将 pythoncom37.dll 删除即可。

三、PyTorch 基本使用方法

• 我们可以通过 torch.__version__ 查看自己的 PyTorch 版本，我的是 CPU 版本的 1.13.1，示例如下：

import torch
torch.__version__
#'1.13.1+cpu'

• 我们可以通过 torch.empty() 生成一个矩阵，但未初始化。

x = torch.empty(5, 3)
x
#tensor([[8.9082e-39, 9.9184e-39, 8.4490e-39],
#        [9.6429e-39, 1.0653e-38, 1.0469e-38],
#        [4.2246e-39, 1.0378e-38, 9.6429e-39],
#        [9.2755e-39, 9.7346e-39, 1.0745e-38],
#        [1.0102e-38, 9.9184e-39, 6.2342e-19]])

• 我们可以通过 torch.rand() 生成一个随机值的矩阵。

x = torch.rand(5, 3)
x
#tensor([[0.1452, 0.4816, 0.4507],
#        [0.1991, 0.1799, 0.5055],
#        [0.6840, 0.6698, 0.3320],
#        [0.5095, 0.7218, 0.6996],
#        [0.2091, 0.1717, 0.0504]])

• 我们可以通过 torch.zeros() 生成一个全零矩阵。

x = torch.zeros(5, 3, dtype=torch.long)
x
#tensor([[0, 0, 0],
#        [0, 0, 0],
#        [0, 0, 0],
#        [0, 0, 0],
#        [0, 0, 0]])

• 我们可以直接将数据传入矩阵当中。

x = torch.tensor([5.5, 3])
x
#tensor([5.5000, 3.0000])

• 我们可以通过 size() 查看矩阵的大小，也就是矩阵有几行几列。

x.size()
#torch.Size([5, 3])

• 我们可以通过 view() 操作改变矩阵维度。

x = torch.randn(4, 4)
y = x.view(16)
z = x.view(-1, 8) 
print(x.size(), y.size(), z.size())
#torch.Size([4, 4]) torch.Size([16]) torch.Size([2, 8])

• 同时，torch 也可以和 numpy 进行协同操作，具体可见如下示例：
• 示例 1：

import numpy as np
a = torch.ones(5)
b = a.numpy()
b
#array([1., 1., 1., 1., 1.], dtype=float32)

• 示例 2：

import numpy as np
a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)
b
#tensor([1., 1., 1., 1., 1.], dtype=torch.float64)

四、tensor 的几种形状

• 由于要进行 tensor 的学习，因此，我们先导入我们需要的库。

import torch
from torch import tensor

1. Scalar（标量）

• Scalar 通常就是一个数值。
• 我们可以先使用 tensor() 生成一个数。

x = tensor(42.)
x
#tensor(42.)

• 我们可以通过 dim() 查看他的维度。

x.dim()
#0

• 我们可以通过 item() 将张量转变为元素。
• 就行 print(x) 和 print(x.item()) 值是不一样的，一个是打印张量，一个是打印元素。

x.item()
#42.0

2. Vector（向量）

• 例如： [-5., 2., 0.]，在深度学习中通常指特征，例如词向量特征，某一维度特征等
  $$\vec{v}=\left[v_1,v_2,\dots ,v_n\right]$$
• Vector 的操作和 Scalar 是大同小异的，因此，我们便不过多叙述了。
• 示例 1：

v = tensor([1.5, -0.5, 3.0])
v
#tensor([ 1.5000, -0.5000,  3.0000])

• 示例 2：

v.dim()
#1

• 示例 3：

v.size()
#torch.Size([3])

3. Matrix（矩阵）

• Matrix 一般计算的都是矩阵，通常都是多维的。
• 关于矩阵的生成操作，与上述是大体一致的。

M = tensor([[1., 2.], [3., 4.]])
M
#tensor([[1., 2.],
#        [3., 4.]])

• 我们可以使用 matmul() 进行矩阵的乘法运算。

M.matmul(M)
#tensor([[ 7., 10.],
#        [15., 22.]])

• 也可以直接进行矩阵内元素的乘法运算。

M * M
#tensor([[ 1.,  4.],
#        [ 9., 16.]])

五、PyTorch 的 autograd 机制

1. autograd 机制

• PyTorch 框架最厉害的一件事就是帮我们把返向传播全部计算好了。
• 如果需要求导，我们可以手动定义：
• 示例 1：

x = torch.randn(3,4,requires_grad=True)
x
#tensor([[-0.4847,  0.7512, -1.0082,  2.2007],
#        [ 1.0067,  0.3669, -1.5128, -1.3823],
#        [ 0.8001, -1.6713,  0.0755,  0.9826]], requires_grad=True)

• 示例 2：

x = torch.randn(3,4)
x.requires_grad=True
x
#tensor([[ 0.6438,  0.4278,  0.8278, -0.1493],
#        [-0.8396,  1.3533,  0.6111,  1.8616],
#        [-1.0954,  1.8096,  1.3869, -1.7984]], requires_grad=True)

• 示例 3：

b = torch.randn(3,4,requires_grad=True)
t = x + b
y = t.sum()
y
#tensor(7.9532, grad_fn=<SumBackward0>)

• 示例 4：（y.backward() 时，如果 y 是标量（scalar），则不需要为 backward() 传入任何参数；如果 y 是张量（tensor），需要传入一个与 y 同形的 tensor（张量））

y.backward()
b.grad
#tensor([[1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.]])

• 虽然我们没有指定 t 的 requires_grad 但是需要用到它，也会默认为 True 的。

x.requires_grad, b.requires_grad, t.requires_grad
#(True, True, True)

2. 举例说明

• 整体的计算流程如下：

x = torch.rand(1)
b = torch.rand(1, requires_grad = True)
w = torch.rand(1, requires_grad = True)
y = w * x 
z = y + b 

x.requires_grad, b.requires_grad, w.requires_grad, y.requires_grad#注意y也是需要的
#(False, True, True, True)

x.is_leaf, w.is_leaf, b.is_leaf, y.is_leaf, z.is_leaf
#(True, True, True, False, False)

• 返向传播计算。

z.backward(retain_graph=True)#如果不清空会累加起来

w.grad
#tensor([0.7954])

b.grad
#tensor([1.])

3. 一个简单的线性回归模型

• 我们构造一组输入数据 X 和其对应的标签 y。

x_values = [i for i in range(11)]
x_train = np.array(x_values, dtype=np.float32)
x_train = x_train.reshape(-1, 1)
x_train.shape
#(11, 1)

y_values = [2*i + 1 for i in x_values]
y_train = np.array(y_values, dtype=np.float32)
y_train = y_train.reshape(-1, 1)
y_train.shape
#(11, 1)

• 导入线性回归模型需要的库。

import torch
import torch.nn as nn

• 其实线性回归就是一个不加激活函数的全连接层。

class LinearRegressionModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, output_dim):
        super(LinearRegressionModel, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(input_dim, output_dim)  
​
    def forward(self, x):
        out = self.linear(x)
        return out
input_dim = 1
output_dim = 1
​
model = LinearRegressionModel(input_dim, output_dim)

model
#LinearRegressionModel(
#  (linear): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=True)
#)

• 指定好参数和损失函数。

epochs = 1000
learning_rate = 0.01
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate)
criterion = nn.MSELoss()

• 在指定好参数和损失函数后，就可以训练模型了。

for epoch in range(epochs):
    epoch += 1
    # 注意转行成tensor
    inputs = torch.from_numpy(x_train)
    labels = torch.from_numpy(y_train)
​
    # 梯度要清零每一次迭代
    optimizer.zero_grad() 
​
    # 前向传播
    outputs = model(inputs)
​
    # 计算损失
    loss = criterion(outputs, labels)
​
    # 返向传播
    loss.backward()
​
    # 更新权重参数
    optimizer.step()
    if epoch % 50 == 0:
        print('epoch {}, loss {}'.format(epoch, loss.item()))
#epoch 50, loss 0.22157077491283417
#epoch 100, loss 0.12637567520141602
#epoch 150, loss 0.07208002358675003
#epoch 200, loss 0.04111171141266823
#epoch 250, loss 0.023448562249541283
#epoch 300, loss 0.01337424572557211
#epoch 350, loss 0.007628156337887049
#epoch 400, loss 0.004350822884589434
#epoch 450, loss 0.0024815555661916733
#epoch 500, loss 0.0014153871452435851
#epoch 550, loss 0.000807293108664453
#epoch 600, loss 0.00046044986811466515
#epoch 650, loss 0.00026261876337230206
#epoch 700, loss 0.0001497901976108551
#epoch 750, loss 8.543623698642477e-05
#epoch 800, loss 4.8729089030530304e-05
#epoch 900, loss 1.58514467329951e-05
#epoch 950, loss 9.042541933013126e-06
#epoch 1000, loss 5.158052317710826e-06

• 得到测试模型的预测结果。

predicted = model(torch.from_numpy(x_train).requires_grad_()).data.numpy()
predicted
#array([[ 0.9957756],
#       [ 2.9963837],
#       [ 4.996992 ],
#       [ 6.9976   ],
#       [ 8.998208 ],
#       [10.9988165],
#       [12.999424 ],
#       [15.000032 ],
#       [17.00064  ],
#       [19.00125  ],
#       [21.001858 ]], dtype=float32)

• 将得到模型进行保存与读取。

torch.save(model.state_dict(), 'model.pkl')
model.load_state_dict(torch.load('model.pkl'))
#<All keys matched successfully>

• 如果使用 GPU 进行模型训练，只需要把数据和模型传入到 cuda 里面就可以了。

import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
​​
class LinearRegressionModel(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, output_dim):
        super(LinearRegressionModel, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(input_dim, output_dim)  
​
    def forward(self, x):
        out = self.linear(x)
        return out
​
input_dim = 1
output_dim = 1
​
model = LinearRegressionModel(input_dim, output_dim)​
​
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)
​
​criterion = nn.MSELoss()
​
​learning_rate = 0.01
​
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=learning_rate)
​
epochs = 1000
for epoch in range(epochs):
    epoch += 1
    inputs = torch.from_numpy(x_train).to(device)
    labels = torch.from_numpy(y_train).to(device)
​
    optimizer.zero_grad() 
​
    outputs = model(inputs)
​
    loss = criterion(outputs, labels)
​
    loss.backward()
​
    optimizer.step()
​
    if epoch % 50 == 0:
        print('epoch {}, loss {}'.format(epoch, loss.item()))
#epoch 50, loss 0.057580433785915375
#epoch 100, loss 0.03284168243408203
#epoch 150, loss 0.01873171515762806
#epoch 200, loss 0.010683886706829071
#epoch 250, loss 0.006093675270676613
#epoch 300, loss 0.0034756092354655266
#epoch 350, loss 0.0019823340699076653
#epoch 400, loss 0.0011306683300063014
#epoch 450, loss 0.0006449012435041368
#epoch 500, loss 0.0003678193606901914
#epoch 550, loss 0.0002097855758620426
#epoch 600, loss 0.00011965946032432839
#epoch 650, loss 6.825226591899991e-05
#epoch 700, loss 3.892400854965672e-05
#epoch 750, loss 2.2203324988367967e-05
#epoch 800, loss 1.2662595509027597e-05
#epoch 850, loss 7.223141892609419e-06
#epoch 900, loss 4.118806373298867e-06
#epoch 950, loss 2.349547230551252e-06
#epoch 1000, loss 1.3400465377344517e-06