前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >pytorch学习笔记(十四): DataLoader源码阅读

pytorch学习笔记(十四): DataLoader源码阅读

作者头像
ke1th
发布2018-01-02 11:15:37
4.9K0
发布2018-01-02 11:15:37
举报

pytorch 数据加载部分的 接口可以说是现存 深度学习框架中设计的最好的, 给了我们足够的灵活性。本博文就对 pytorch 的多线程加载 模块(DataLoader) 进行源码上的注释。

输入流水线

pytorch 的输入流水线的操作顺序是这样的:

  • 创建一个 Dataset 对象
  • 创建一个 DataLoader 对象
  • 不停的 循环 这个 DataLoader 对象
代码语言:javascript
复制
dataset = MyDataset()
dataloader = DataLoader(dataset)
num_epoches = 100
for epoch in range(num_epoches):
    for data in dataloader:
        ....

在之前文章也提到过,如果现有的 Dataset 不能够满足需求,我们也可以自定义 Dataset,通过继承 torch.utils.data.Dataset。在继承的时候,需要 override 三个方法。

  • __init__: 用来初始化数据集
  • __getitem__
  • __len__

从本文中,您可以看到 __getitem____len__DataLoader 中是如何被使用的。

DataLoader

DataLoader 看起,下面是源码。为了方便起见,采用在源码中添加注释的形式进行解读。

代码语言:javascript
复制
class DataLoader(object):
    def __init__(self, dataset, batch_size=1, shuffle=False, sampler=None, 
                 batch_sampler=None,
                 num_workers=0, collate_fn=default_collate, pin_memory=False, 
                 drop_last=False):
        self.dataset = dataset
        self.batch_size = batch_size
        self.num_workers = num_workers
        self.collate_fn = collate_fn
        self.pin_memory = pin_memory
        self.drop_last = drop_last

        if batch_sampler is not None:
            if batch_size > 1 or shuffle or sampler is not None or drop_last:
                raise ValueError('batch_sampler is mutually exclusive with '
                                 'batch_size, shuffle, sampler, and drop_last')

        if sampler is not None and shuffle:
            raise ValueError('sampler is mutually exclusive with shuffle')

        if batch_sampler is None:
            if sampler is None:
                if shuffle:
                    # dataset.__len__() 在 Sampler 中被使用。
                    # 目的是生成一个 长度为 len(dataset) 的 序列索引(随机的)。
                    sampler = RandomSampler(dataset)
                else:
                    # dataset.__len__() 在 Sampler 中被使用。
                    # 目的是生成一个 长度为 len(dataset) 的 序列索引(顺序的)。
                    sampler = SequentialSampler(dataset)
            # Sampler 是个迭代器,一次之只返回一个 索引
            # BatchSampler 也是个迭代器,但是一次返回 batch_size 个 索引
            batch_sampler = BatchSampler(sampler, batch_size, drop_last)

        self.sampler = sampler
        self.batch_sampler = batch_sampler

    def __iter__(self):
        return DataLoaderIter(self)

    def __len__(self):
        return len(self.batch_sampler)
代码语言:javascript
复制
# 以下两个代码是等价的
for data in dataloader:
    ...
# 等价与
iterr = iter(dataloader)
while True:
    try:
        next(iterr)
    except:
        break

DataLoader 中,iter(dataloader) 返回的是一个 DataLoaderIter 对象, 这个才是我们一直 next的 对象。

下面会先介绍一下 几个 Sampler, 然后介绍 核心部分 DataLoaderIter

RandomSampler, SequentialSampler, BatchSampler

首先,是 RandomSampleriter(randomSampler) 会返回一个可迭代对象,这个可迭代对象 每次 next 都会输出当前要采样的 indexSequentialSampler也是一样,只不过她产生的 index顺序

代码语言:javascript
复制
class RandomSampler(Sampler):

    def __init__(self, data_source):
        self.data_source = data_source

    def __iter__(self):
        return iter(torch.randperm(len(self.data_source)).long())

    def __len__(self):
        return len(self.data_source)

BatchSampler 是一个普通 Samplerwrapper, 普通Sampler 一次仅产生一个 index, 而 BatchSampler 一次产生一个 batchindices

代码语言:javascript
复制
class BatchSampler(object):
    def __init__(self, sampler, batch_size, drop_last):
        # 这里的 sampler 是 RandomSampler 或者 SequentialSampler
        # 他们每一次吐出一个 idx
        self.sampler = sampler
        self.batch_size = batch_size
        self.drop_last = drop_last

    def __iter__(self):
        batch = []
        for idx in self.sampler:
            batch.append(idx)
            if len(batch) == self.batch_size:
                yield batch
                batch = []
        if len(batch) > 0 and not self.drop_last:
            yield batch

    def __len__(self):
        if self.drop_last:
            return len(self.sampler) // self.batch_size
        else:
            return (len(self.sampler) + self.batch_size - 1) // self.batch_size

DataLoaderIter

  1. self.index_queue 中存放是 (batch_idx, sample_indices) ,其中 batch_idx 是个 int 值, sample_indices 是个 list , 存放了 组成 batchsample indices
  2. self.data_queue 中存放的是 (batch_idx, samples), 其中 samples 是 一个 mini-batch 的样本
  3. self.send_idx 表示:这次 放到 self.index_queue 中的 batch_id
  4. self.rcvd_idx 表示:这次要取的 batch_id
  5. self.batches_outstanding 表示:
代码语言:javascript
复制
class DataLoaderIter(object):
    "Iterates once over the DataLoader's dataset, as specified by the sampler"

    def __init__(self, loader):
        # loader 是 DataLoader 对象
        self.dataset = loader.dataset
        # 这个留在最后一个部分介绍
        self.collate_fn = loader.collate_fn
        self.batch_sampler = loader.batch_sampler
        # 表示 开 几个进程。
        self.num_workers = loader.num_workers
        # 是否使用 pin_memory
        self.pin_memory = loader.pin_memory
        self.done_event = threading.Event()

        # 这样就可以用 next 操作 batch_sampler 了
        self.sample_iter = iter(self.batch_sampler)

        if self.num_workers > 0:
            # 用来放置 batch_idx 的队列,其中元素的是 一个 list,其中放了一个 batch 内样本的索引
            self.index_queue = multiprocessing.SimpleQueue()
            # 用来放置 batch_data 的队列,里面的 元素的 一个 batch的 数据
            self.data_queue = multiprocessing.SimpleQueue()

            # 当前已经准备好的 batch 的数量(可能有些正在 准备中)
            # 当为 0 时, 说明, dataset 中已经没有剩余数据了。
            # 初始值为 0, 在 self._put_indices() 中 +1,在 self.__next__ 中减一
            self.batches_outstanding = 0 
            self.shutdown = False
            # 用来记录 这次要放到 index_queue 中 batch 的 idx
            self.send_idx = 0
            # 用来记录 这次要从的 data_queue 中取出 的 batch 的 idx
            self.rcvd_idx = 0
            # 因为多线程,可能会导致 data_queue 中的 batch 乱序
            # 用这个来保证 batch 的返回 是 idx 升序出去的。
            self.reorder_dict = {}
            # 这个地方就开始 开多进程了,一共开了 num_workers 个进程
            # 执行 _worker_loop , 下面将介绍 _worker_loop
            self.workers = [
                multiprocessing.Process(
                    target=_worker_loop,
                    args=(self.dataset, self.index_queue, self.data_queue, self.collate_fn))
                for _ in range(self.num_workers)]

            for w in self.workers:
                w.daemon = True  # ensure that the worker exits on process exit
                w.start()

            if self.pin_memory:
                in_data = self.data_queue
                self.data_queue = queue.Queue()
                self.pin_thread = threading.Thread(
                    target=_pin_memory_loop,
                    args=(in_data, self.data_queue, self.done_event))
                self.pin_thread.daemon = True
                self.pin_thread.start()

            # prime the prefetch loop
            # 初始化的时候,就将 2*num_workers 个 (batch_idx, sampler_indices) 放到 index_queue 中。
            for _ in range(2 * self.num_workers):
                self._put_indices()

    def __len__(self):
        return len(self.batch_sampler)

    def __next__(self):
        if self.num_workers == 0:  # same-process loading
            indices = next(self.sample_iter)  # may raise StopIteration
            batch = self.collate_fn([self.dataset[i] for i in indices])
            if self.pin_memory:
                batch = pin_memory_batch(batch)
            return batch

        # check if the next sample has already been generated
        if self.rcvd_idx in self.reorder_dict:
            batch = self.reorder_dict.pop(self.rcvd_idx)
            return self._process_next_batch(batch)

        if self.batches_outstanding == 0:
            # 说明没有 剩余 可操作数据了, 可以停止 worker 了
            self._shutdown_workers()
            raise StopIteration

        while True:
            # 这里的操作就是 给 乱序的 data_queue 排一排 序
            assert (not self.shutdown and self.batches_outstanding > 0)
            idx, batch = self.data_queue.get()
            # 一个 batch 被 返回,batches_outstanding -1
            self.batches_outstanding -= 1
            if idx != self.rcvd_idx:
                # store out-of-order samples
                self.reorder_dict[idx] = batch
                continue
            # 返回的时候,再向 indice_queue 中 放下一个 (batch_idx, sample_indices)
            return self._process_next_batch(batch)

    next = __next__  # Python 2 compatibility

    def __iter__(self):
        return self

    def _put_indices(self):
        assert self.batches_outstanding < 2 * self.num_workers
        indices = next(self.sample_iter, None)
        if indices is None:
            return
        self.index_queue.put((self.send_idx, indices))
        self.batches_outstanding += 1
        self.send_idx += 1

    def _process_next_batch(self, batch):
        self.rcvd_idx += 1
        # 放下一个 (batch_idx, sample_indices)
        self._put_indices()
        if isinstance(batch, ExceptionWrapper):
            raise batch.exc_type(batch.exc_msg)
        return batch

    def __getstate__(self):
        # TODO: add limited pickling support for sharing an iterator
        # across multiple threads for HOGWILD.
        # Probably the best way to do this is by moving the sample pushing
        # to a separate thread and then just sharing the data queue
        # but signalling the end is tricky without a non-blocking API
        raise NotImplementedError("DataLoaderIterator cannot be pickled")

    def _shutdown_workers(self):
        if not self.shutdown:
            self.shutdown = True
            self.done_event.set()
            for _ in self.workers:
                # shutdown 的时候, 会将一个 None 放到 index_queue 中
                # 如果 _worker_loop 获得了这个 None, _worker_loop 将会跳出无限循环,将会结束运行
                self.index_queue.put(None)

    def __del__(self):
        if self.num_workers > 0:
            self._shutdown_workers()

__worker_loop

这部分是 多进程 执行的代码:他从index_queue 中 取索引,然后处理数据,然后再将 处理好的 batch 数据放到 data_queue 中。

代码语言:javascript
复制
def _worker_loop(dataset, index_queue, data_queue, collate_fn):
    global _use_shared_memory
    _use_shared_memory = True

    torch.set_num_threads(1)
    while True:
        r = index_queue.get()
        if r is None:
            # 想 data_queue 中放 None
            data_queue.put(None)
            break
        idx, batch_indices = r
        try:
            # 这里就可以看到 dataset.__getiterm__ 的作用了。
            # 传到 collate_fn 的数据是 list of ...
            samples = collate_fn([dataset[i] for i in batch_indices])
        except Exception:
            data_queue.put((idx, ExceptionWrapper(sys.exc_info())))
        else:
            data_queue.put((idx, samples))

collate_fn

  • 我们 __getiterm__ 经常返回的是 (img_tensor, label),
  • 所以 放入 collate_fn 的 参数就是 [(img_tensor, label), ....] .
  • batch[0] 就是 (img_tensor, label) , 也就是 collections.Sequence 类型。
代码语言:javascript
复制
def default_collate(batch):
    "Puts each data field into a tensor with outer dimension batch size"
    if torch.is_tensor(batch[0]):
        out = None
        if _use_shared_memory:
            # If we're in a background process, concatenate directly into a
            # shared memory tensor to avoid an extra copy
            # 计算 batch 中所有 元素的个数 
            numel = sum([x.numel() for x in batch])
            # 没有找到对应的 api 。。。。。。
            storage = batch[0].storage()._new_shared(numel)
            out = batch[0].new(storage)
        return torch.stack(batch, 0, out=out)
    elif type(batch[0]).__module__ == 'numpy':
        elem = batch[0]
        if type(elem).__name__ == 'ndarray':
            return torch.stack([torch.from_numpy(b) for b in batch], 0)
        if elem.shape == ():  # scalars
            py_type = float if elem.dtype.name.startswith('float') else int
            return numpy_type_map[elem.dtype.name](list(map(py_type, batch)))
    elif isinstance(batch[0], int):
        return torch.LongTensor(batch)
    elif isinstance(batch[0], float):
        return torch.DoubleTensor(batch)
    elif isinstance(batch[0], string_classes):
        return batch
    elif isinstance(batch[0], collections.Mapping):
        return {key: default_collate([d[key] for d in batch]) for key in batch[0]}
    elif isinstance(batch[0], collections.Sequence):
        transposed = zip(*batch)
        return [default_collate(samples) for samples in transposed]

    raise TypeError(("batch must contain tensors, numbers, dicts or lists; found {}"
                     .format(type(batch[0]))))

总结

  • data_queue 中最多有 2*num_workerbatch

Queue的特点

  • 当里面没有数据时: queue.get() 会阻塞, 阻塞的时候,其它 进程/线程 如果有 queue.put() 操作,本 线程/进程 会被通知, 然后就可以 get 成功。
  • 当数据满了: queue.put() 会阻塞
本文参与 腾讯云自媒体分享计划,分享自作者个人站点/博客。
如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

本文分享自 作者个人站点/博客 前往查看

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

本文参与 腾讯云自媒体分享计划  ,欢迎热爱写作的你一起参与!

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 输入流水线
  • DataLoader
  • RandomSampler, SequentialSampler, BatchSampler
  • DataLoaderIter
  • __worker_loop
  • collate_fn
  • 总结
  • Queue的特点
领券
问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档