pytorch 学习笔记(一)

pytorch是一个动态的建图的工具。不像Tensorflow那样,先建图,然后通过feedrun重复执行建好的图。相对来说,pytorch具有更好的灵活性。

编写一个深度网络需要关注的地方是: 1. 网络的参数应该由什么对象保存 2. 如何构建网络 3. 如何计算梯度和更新参数

数据放在什么对象中

pytorch中有两种变量类型,一个是Tensor,一个是Variable

  • Tensor: 就像ndarray一样,一维TensorVector,二维TensorMatrix,三维及以上称为Tensor
  • Variable:是Tensor的一个wrapper,不仅保存了值,而且保存了这个值的creator,需要BP的网络都是Variable参与运算
import torch
x  = torch.Tensor(2,3,4) # torch.Tensor(shape) 创建出一个未初始化的Tensor,但是还是可以打印出值的,这个应该是这块内存之前的数据
x                        # 这种方式创建出来的Tensor更多是用来接受其他数据的计算值的
(0 ,.,.) = 
1.00000e-37 *
   1.5926  0.0000  0.0000  0.0000
   0.0000  0.0000  0.0000  0.0000
   0.0000  0.0000  0.0000  0.0000

(1 ,.,.) = 
1.00000e-37 *
   0.0000  0.0000  0.0000  0.0000
   0.0000  0.0000  0.0000  0.0000
   0.0000  0.0000  0.0000  0.0000
[torch.FloatTensor of size 2x3x4]
x.size()
torch.Size([2, 3, 4])
a = torch.rand(2,3,4)
b = torch.rand(2,3,4)
_=torch.add(a,b, out=x)  # 使用Tensor()方法创建出来的Tensor用来接收计算结果,当然torch.add(..)也会返回计算结果的
x
(0 ,.,.) = 
  0.9815  0.0833  0.8217  1.1280
  0.7810  1.2586  1.0243  0.7924
  1.0200  1.0463  1.4997  1.0994

(1 ,.,.) = 
  0.8031  1.4283  0.6245  0.9617
  1.3551  1.9094  0.9046  0.5543
  1.2838  1.7381  0.6934  0.8727
[torch.FloatTensor of size 2x3x4]
a.add_(b) # 所有带 _ 的operation,都会更改调用对象的值,
#例如 a=1;b=2; a.add_(b); a就是3了,没有 _ 的operation就没有这种效果,只会返回运算结果
torch.cuda.is_available()
True

自动求导

pytorch的自动求导工具包在torch.autograd

from torch.autograd import Variable
x = torch.rand(5)
x = Variable(x,requires_grad = True)
y = x * 2
grads = torch.FloatTensor([1,2,3,4,5])
y.backward(grads)#如果y是scalar的话,那么直接y.backward(),然后通过x.grad方式,就可以得到var的梯度
x.grad           #如果y不是scalar,那么只能通过传参的方式给x指定梯度
Variable containing:
  2
  4
  6
  8
 10
[torch.FloatTensor of size 5]

neural networks

使用torch.nn包中的工具来构建神经网络 构建一个神经网络需要以下几步:

  • 定义神经网络的权重,搭建网络结构
  • 遍历整个数据集进行训练
    • 将数据输入神经网络
    • 计算loss
    • 计算网络权重的梯度
    • 更新网络权重
      • weight = weight + learning_rate * gradient
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):#需要继承这个类
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        #建立了两个卷积层,self.conv1, self.conv2,注意,这些层都是不包含激活函数的
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) # 1 input image channel, 6 output channels, 5x5 square convolution kernel
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        #三个全连接层
        self.fc1   = nn.Linear(16*5*5, 120) # an affine operation: y = Wx + b
        self.fc2   = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3   = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x): #注意,2D卷积层的输入data维数是 batchsize*channel*height*width
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2)) # Max pooling over a (2, 2) window
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2) # If the size is a square you can only specify a single number
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:] # all dimensions except the batch dimension
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features

net = Net()
net
Net (
  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (fc1): Linear (400 -> 120)
  (fc2): Linear (120 -> 84)
  (fc3): Linear (84 -> 10)
)
len(list(net.parameters())) #为什么是10呢? 因为不仅有weights,还有bias, 10=5*2。
                            #list(net.parameters())返回的learnable variables 是按照创建的顺序来的
                            #list(net.parameters())返回 a list of torch.FloatTensor objects
10
input = Variable(torch.randn(1, 1, 32, 32))
out = net(input) #这个地方就神奇了,明明没有定义__call__()函数啊,所以只能猜测是父类实现了,并且里面还调用了forward函数
out              #查看源码之后,果真如此。那么,forward()是必须要声明的了,不然会报错
out.backward(torch.randn(1, 10))

使用loss criterion 和 optimizer训练网络

torch.nn包下有很多loss标准。同时torch.optimizer帮助完成更新权重的工作。这样就不需要手动更新参数了

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)  # 有了optimizer就不用写这些了
import torch.optim as optim
# create your optimizer
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01)

# in your training loop:
optimizer.zero_grad() # 如果不置零,Variable 的梯度在每次 backward 的时候都会累加。

output = net(input) # 这里就体现出来动态建图了,你还可以传入其他的参数来改变网络的结构

loss = criterion(output, target)
loss.backward()
optimizer.step() # Does the update

整体NN结构

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class Net(nn.Module):#需要继承这个类
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        #建立了两个卷积层,self.conv1, self.conv2,注意,这些层都是不包含激活函数的
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5) # 1 input image channel, 6 output channels, 5x5 square convolution kernel
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        #三个全连接层
        self.fc1   = nn.Linear(16*5*5, 120) # an affine operation: y = Wx + b
        self.fc2   = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3   = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x): #注意,2D卷积层的输入data维数是 batchsize*channel*height*width
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2)) # Max pooling over a (2, 2) window
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2) # If the size is a square you can only specify a single number
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:] # all dimensions except the batch dimension
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features

net = Net()

# create your optimizer
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr = 0.01)

# in your training loop:
for i in range(num_iteations):
    optimizer.zero_grad() # zero the gradient buffers,如果不归0的话,gradients会累加

    output = net(input) # 这里就体现出来动态建图了,你还可以传入其他的参数来改变网络的结构

    loss = criterion(output, target)
    loss.backward() # 得到grad,i.e.给Variable.grad赋值
    optimizer.step() # Does the update,i.e. Variable.data -= learning_rate*Variable.grad

其它

  1. 关于求梯度,只有我们定义的Variable才会被求梯度,由creator创造的不会去求梯度
  2. 自己定义Variable的时候,记得Variable(Tensor, requires_grad = True),这样才会被求梯度,不然的话,是不会求梯度的
# numpy to Tensor
import numpy as np
a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)
np.add(a, 1, out=a)
print(a) # 如果a 变的话, b也会跟着变,说明b只是保存了一个地址而已,并没有深拷贝
print(b)# Variable只是保存Tensor的地址,如果Tensor变的话,Variable也会跟着变
a = np.ones(5)
b = torch.from_numpy(a)# ndarray --> Tensor
a_ = b.numpy() # Tensor --> ndarray
np.add(a, 1, out=a)# 这个和 a = np.add(a,1)有什么区别呢?
# a = np.add(a,1) 只是将a中保存的指针指向新计算好的数据上去
# np.add(a, 1, out=a) 改变了a指向的数据
# 将Tensor放到Cuda上
if torch.cuda.is_available():
    x = x.cuda()
    y = y.cuda()
    x + y
# torch.Tensor(1,2,3) 与 torch.Tensor([1,2,3]) 的区别
torch.Tensor(1,2,3) # 生成一个 shape 为 [1,2,3] 的 tensor
torch.Tensor([1,2,3]) # 生成一个值为 [1,2,3] 的 tensor
# tensor 与 numpy
import torch
from torch.autograd import Variable
import numpy as np
n1 = np.array([1., 2.]).astype(np.float32)
# t1 = torch.FloatTensor(n1)
t1 = torch.from_numpy(n1)
n1[0] = 2.
print(t1)
# 可以看出,当使用 无论是使用 FloatTensor 还是 from_numpy 来创建 tensor
# tensor 只是指向了 初始的值而已,而没有自己再开辟空间。
# FloatTensor(2,3,2) 这个不一样,它是开辟了一个 空间。

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