PyTorch的安装与使用
本文介绍了热门AI框架PyTorch的conda安装方案，与简单的自动微分示例。并顺带讲解了一下PyTorch开源Github仓库中的两个Issue内容，分别是自动微分的关键词参数输入问题与自动微分参数数量不匹配时的参数返回问题，并包含了这两个Issue的解决方案。
技术背景
PyTorch是一个非常常用的AI框架，主要归功于其简单易用的特点，深受广大科研人员的喜爱。在前面的一篇文章中我们介绍过制作PyTorch的Singularity镜像的方法，这里我们单独抽出PyTorch的安装和使用，再简单的聊一聊。
安装Torch
常规的安装方案可以使用源码安装、pip安装、conda安装和容器安装等，这里我们首选推荐的是conda安装的方法。关于conda，其实没必要安装完整版本的anaconda，装一个miniconda就可以了。假定我们已经安装好了conda，那么首先要创建一个专用的pytorch虚拟环境：
$ conda create -n pytorch python=3.9
Retrieving notices: ...working... done
Collecting package metadata (current_repodata.json): done
Solving environment: done
==> WARNING: A newer version of conda exists. <==
current version: 23.1.0
latest version: 24.4.0
Please update conda by running
$ conda update -n base -c defaults conda
Or to minimize the number of packages updated during conda update use
conda install conda=24.4.0
## Package Plan ##
environment location: /home/dechin/anaconda3/envs/pytorch
added / updated specs:
- python=3.9
The following packages will be downloaded:
package | build
---------------------------|-----------------
ca-certificates-2024.3.11 | h06a4308_0 127 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libffi-3.4.4 | h6a678d5_1 141 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
openssl-3.0.13 | h7f8727e_1 5.2 MB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
pip-23.3.1 | py39h06a4308_0 2.6 MB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
python-3.9.19 | h955ad1f_1 25.1 MB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
setuptools-69.5.1 | py39h06a4308_0 1003 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
sqlite-3.45.3 | h5eee18b_0 1.2 MB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
tk-8.6.14 | h39e8969_0 3.4 MB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
tzdata-2024a | h04d1e81_0 116 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
wheel-0.43.0 | py39h06a4308_0 109 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
xz-5.4.6 | h5eee18b_1 643 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
zlib-1.2.13 | h5eee18b_1 111 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
------------------------------------------------------------
Total: 39.8 MB
The following NEW packages will be INSTALLED:
_libgcc_mutex anaconda/pkgs/main/linux-64::_libgcc_mutex-0.1-main
_openmp_mutex anaconda/pkgs/main/linux-64::_openmp_mutex-5.1-1_gnu
ca-certificates anaconda/pkgs/main/linux-64::ca-certificates-2024.3.11-h06a4308_0
ld_impl_linux-64 anaconda/pkgs/main/linux-64::ld_impl_linux-64-2.38-h1181459_1
libffi anaconda/pkgs/main/linux-64::libffi-3.4.4-h6a678d5_1
libgcc-ng anaconda/pkgs/main/linux-64::libgcc-ng-11.2.0-h1234567_1
libgomp anaconda/pkgs/main/linux-64::libgomp-11.2.0-h1234567_1
libstdcxx-ng anaconda/pkgs/main/linux-64::libstdcxx-ng-11.2.0-h1234567_1
ncurses anaconda/pkgs/main/linux-64::ncurses-6.4-h6a678d5_0
openssl anaconda/pkgs/main/linux-64::openssl-3.0.13-h7f8727e_1
pip anaconda/pkgs/main/linux-64::pip-23.3.1-py39h06a4308_0
python anaconda/pkgs/main/linux-64::python-3.9.19-h955ad1f_1
readline anaconda/pkgs/main/linux-64::readline-8.2-h5eee18b_0
setuptools anaconda/pkgs/main/linux-64::setuptools-69.5.1-py39h06a4308_0
sqlite anaconda/pkgs/main/linux-64::sqlite-3.45.3-h5eee18b_0
tk anaconda/pkgs/main/linux-64::tk-8.6.14-h39e8969_0
tzdata anaconda/pkgs/main/noarch::tzdata-2024a-h04d1e81_0
wheel anaconda/pkgs/main/linux-64::wheel-0.43.0-py39h06a4308_0
xz anaconda/pkgs/main/linux-64::xz-5.4.6-h5eee18b_1
zlib anaconda/pkgs/main/linux-64::zlib-1.2.13-h5eee18b_1
Proceed ([y]/n)? y
Downloading and Extracting Packages
Preparing transaction: done
Verifying transaction: done
Executing transaction: done
#
# To activate this environment, use
#
# $ conda activate pytorch
#
# To deactivate an active environment, use
#
# $ conda deactivate
这里我们是基于Python3.9版本创建了一个Python虚拟环境。相比于容器和虚拟机来说，虚拟环境结构更加简单，非常适用于本地的Python软件管理。当然，如果是在服务器上面运行，那还是推荐容器的方案多一些。有了基础的Python环境之后，可以去PyTorch官网找找适用于自己本地环境的conda安装命令：
然后把这条命令复制到自己本地进行安装。建议在安装的时候加上-y的配置，就省的加载一半还需要你自己手动去配置一个输入一个y来决定是否继续下一步安装。因为这个安装的过程可能也会比较耗时，尤其网络对于一部分国内的IP可能并不是那么的友好。
$ conda install -y pytorch torchvision torchaudio pytorch-cuda=11.8 -c pytorch -c nvidia
Solving environment: done
## Package Plan ##
environment location: /home/dechin/anaconda3/envs/pytorch
added / updated specs:
- pytorch
- pytorch-cuda=11.8
- torchaudio
- torchvision
The following packages will be downloaded:
package | build
---------------------------|-----------------
charset-normalizer-2.0.4 | pyhd3eb1b0_0 35 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
jinja2-3.1.3 | py39h06a4308_0 269 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libdeflate-1.17 | h5eee18b_1 64 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
libnpp-11.8.0.86 | 0 147.8 MB nvidia
libunistring-0.9.10 | h27cfd23_0 536 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
typing_extensions-4.9.0 | py39h06a4308_1 54 KB https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/main
------------------------------------------------------------
Total: 148.8 MB
The following NEW packages will be INSTALLED:
blas anaconda/pkgs/main/linux-64::blas-1.0-mkl
bzip2 anaconda/pkgs/main/linux-64::bzip2-1.0.8-h5eee18b_6
certifi anaconda/pkgs/main/linux-64::certifi-2024.2.2-py39h06a4308_0
charset-normalizer anaconda/pkgs/main/noarch::charset-normalizer-2.0.4-pyhd3eb1b0_0
cuda-cudart nvidia/linux-64::cuda-cudart-11.8.89-0
cuda-cupti nvidia/linux-64::cuda-cupti-11.8.87-0
...
pytorch pytorch/linux-64::pytorch-2.3.0-py3.9_cuda11.8_cudnn8.7.0_0
pytorch-cuda pytorch/linux-64::pytorch-cuda-11.8-h7e8668a_5
pytorch-mutex pytorch/noarch::pytorch-mutex-1.0-cuda
zstd anaconda/pkgs/main/linux-64::zstd-1.5.5-hc292b87_2
Downloading and Extracting Packages
Preparing transaction: done
Verifying transaction: done
Executing transaction: done
安装完成后可以通过如下指令，在bash命令行里面检查一下是否安装成功了PyTorch的CUDA版本：
$ python3 -c "import torch;print(torch.cuda.is_available())"
True
如果输出为True则表明安装成功。另外顺便一提，如果在conda安装的过程中出现如下的报错：
CondaHTTPError: HTTP 000 CONNECTION FAILED for url <https://conda.anaconda.org/nvidia/linux-64/libnpp-11.8.0.86-0.tar.bz2>
Elapsed: -
An HTTP error occurred when trying to retrieve this URL.
HTTP errors are often intermittent, and a simple retry will get you on your way.
CancelledError()
CancelledError()
CancelledError()
CancelledError()
一般情况下就是由网络问题导致的，但也并不是完全无法链接，我们同样的命令行多输入几次就可以了，直到安装完成为止。
PyTorch自动微分
关于自动微分的原理，读者可以参考一下之前的这篇手搓自动微分的文章，PyTorch大概就是使用的这个自动微分的原理。在PyTorch框架下，我们可以通过backward函数来自定义反向传播函数，这一点跟MindSpore框架有所不同，MindSpore框架下自定义反向传播函数使用的是bprop函数，MindSpore自定义反向传播相关内容可以参考下这篇文章。如下所示是一个Torch的用例：
# 忽略告警信息
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")
import torch
# 自定义可微分的类型
class Gradient(torch.autograd.Function):
# 前向传播
@staticmethod
def forward(ctx, x, w=None):
# 保存一个参数到计算图中
ctx.save_for_backward(w)
return x
# 反向传播
@staticmethod
def backward(ctx, g):
w, = ctx.saved_tensors
if w is None:
return g
else:
return g * w, None
# 非加权自动微分测试
x = torch.autograd.Variable(torch.tensor(3.14), requires_grad=True)
g = torch.autograd.Variable(torch.tensor(3.15))
gradient = Gradient()
# 前向传播
y = gradient.apply(x)
print (y)
# 反向传播
y.backward(g)
# 打印梯度
print (x.grad)
# 加权自动微分测试
x = torch.autograd.Variable(torch.tensor(3.14), requires_grad=True)
g = torch.autograd.Variable(torch.tensor(3.15))
w = torch.autograd.Variable(torch.tensor(2.0))
z = gradient.apply(x, w)
print (z)
z.backward(g)
print (x.grad)
输出结果为：
tensor(3.1400, grad_fn=<GradientBackward>)
tensor(3.1500)
tensor(3.1400, grad_fn=<GradientBackward>)
tensor(6.3000)
这样一来，就把需要输入到反向传播函数中的加权值传了进去。因为在正常的backward函数中，相关的输入类型都是规定好的，不能随便加输入，所以要从前向传播中传递给计算图。在这个案例中，顺便介绍下PyTorch开源仓库中的两个Issue。第一个问题是，PyTorch的前向传播函数中，如果从外部传入一个关键字参数，会报错：
关于这个问题，官方做了如下解释：
大体意思就是，如果使用关键字类型的参数输入，会给参数校验和结果返回带来一些困难。同时给出了一个临时的解决方案：
其实也就是我们这个案例中所采用的方案，套一个条件语句就可以了。另外一条Issue是，如果涉及到多个输入，那么在反向传播函数中也要给到多个输出：
不过在这个Issue中，提Issue的人本身也给出了一个方案，就是直接在返回结果中给一个None值。
总结概要
本文介绍了热门AI框架PyTorch的conda安装方案，与简单的自动微分示例。并顺带讲解了一下PyTorch开源Github仓库中的两个Issue内容，分别是自动微分的关键词参数输入问题与自动微分参数数量不匹配时的参数返回问题，并包含了这两个Issue的解决方案。
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