[Pytorch]Pytorch 细节记录（转）

文章来源 https://www.cnblogs.com/king-lps/p/8570021.html

1. PyTorch进行训练和测试时指定实例化的model模式为：train/eval

eg:

class VAE(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(VAE, self).__init__()    
    ...
    def reparameterize(self, mu, logvar):
        if self.training:
            std = logvar.mul(0.5).exp_()
            eps = Variable(std.data.new(std.size()).normal_())
            return eps.mul(std).add_(mu)
        else:
            return mu
model = VAE()

...

def train(epoch):

model.train()

...

def test(epoch):

model.eval()

        eval即evaluation模式，train即训练模式。仅仅当模型中有Dropout和BatchNorm是才会有影响。因为训练时dropout和BN都开启，而一般而言测试时dropout被关闭，BN中的参数也是利用训练时保留的参数，所以测试时应进入评估模式。

      （在训练时，𝜇和𝜎2是在整个mini-batch 上计算出来的包含了像是64 或28 或其它一定数量的样本，但在测试时，你可能需要逐一处理样本，方法是根据你的训练集估算𝜇和𝜎2，估算的方式有很多种，理论上你可以在最终的网络中运行整个训练集来得到𝜇和𝜎2，但在实际操作中，我们通常运用指数加权平均来追踪在训练过程中你看到的𝜇和𝜎2的值。还可以用指数加权平均，有时也叫做流动平均来粗略估算𝜇和𝜎2，然后在测试中使用𝜇和𝜎2的值来进行你所需要的隐藏单元𝑧值的调整。在实践中，不管你用什么方式估算𝜇和𝜎2，这套过程都是比较稳健的，因此我不太会担心你具体的操作方式，而且如果你使用的是某种深度学习框架，通常会有默认的估算𝜇和𝜎2的方式，应该一样会起到比较好的效果） --  Deeplearning.ai

 

2. PyTorch权重初始化的几种方法

class discriminator(nn.Module):
</span><span style="color: #0000ff">def</span> <span style="color: #800080">__init__</span>(self, dataset = <span style="color: #800000">'</span><span style="color: #800000">mnist</span><span style="color: #800000">'</span><span style="color: #000000">):
    super(discriminator, self).</span><span style="color: #800080">__init__</span><span style="color: #000000">()
  。...
    self.conv </span>=<span style="color: #000000"> nn.Sequential(
        nn.Conv2d(self.input_dim, </span>64, 4, 2, 1<span style="color: #000000">),
        nn.ReLU(),
    )
    ...
    self.fc </span>=<span style="color: #000000"> nn.Sequential(
        nn.Linear(</span>32, 64 * (self.input_height // 2) * (self.input_width // 2<span style="color: #000000">)),
        nn.BatchNorm1d(</span>64 * (self.input_height // 2) * (self.input_width // 2<span style="color: #000000">)),
        nn.ReLU(),
    )
    self.deconv </span>=<span style="color: #000000"> nn.Sequential(
        nn.ConvTranspose2d(</span>64, self.output_dim, 4, 2, 1<span style="color: #000000">),
        </span><span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000">nn.Sigmoid(),         # EBGAN does not work well when using Sigmoid().</span>

        )

utils.initialize_weights(self)
</span><span style="color: #0000ff">def</span><span style="color: #000000"> forward(self, input):
...

def initialize_weights(net):

for m in net.modules():

if isinstance(m, nn.Conv2d):

m.weight.data.normal_(0, 0.02)

m.bias.data.zero_()

elif isinstance(m, nn.ConvTranspose2d):

m.weight.data.normal_(0, 0.02)

m.bias.data.zero_()

elif isinstance(m, nn.Linear):

m.weight.data.normal_(0, 0.02)

m.bias.data.zero_()

def init_weights(m):
     print(m)
     if type(m) == nn.Linear:
         m.weight.data.fill_(1.0)
         print(m.weight)
net = nn.Sequential(nn.Linear(2, 2), nn.Linear(2, 2))

net.apply(init_weights)

def weights_init(m):
    classname = m.__class__.__name__
    if classname.find('Conv') != -1:
        m.weight.data.normal_(0.0, 0.02)
    elif classname.find('BatchNorm') != -1:
        m.weight.data.normal_(1.0, 0.02)
        m.bias.data.fill_(0)
net.apply(weights_init)

class torch.nn.Module 是所有神经网络的基类。

modules()返回网络中所有模块的迭代器。

add_module(name, module) 将一个子模块添加到当前模块。 该模块可以使用给定的名称作为属性访问。

apply(fn) 适用fn递归到每个子模块（如返回.children()，以及自我。

 

3. PyTorch 中Variable的重要属性

class torch.autograd.Variable

为什么要引入Variable？首先回答为什么引入Tensor。仅仅利用numpy也可以实现前向反向操作，但numpy不支持GPU运算。而Pytorch为Tensor提供多种操作运算，此外Tensor支持GPU。问题来了，两三层网络可以推公式写反向传播，当网络很复杂时需要自动化。autograd可以帮助我们，当利用autograd时，前向传播会定义一个计算图，图中的节点就是Tensor。图中的边就是函数。当我们将Tensor塞到Variable时，Variable就变为了节点。若x为一个Variable，那x.data即为Tensor，x.grad也为一个Variable。那x.grad.data就为梯度的值咯。总结：PyTorch Variables与PyTorch Tensors有着相同的API，Tensor上的所有操作几乎都可用在Variable上。两者不同之处在于利用Variable定义一个计算图，可以实现自动求导！ 

重要的属性如下：

requires_grad
指定要不要更新這個變數，對於不需要更新的變數可以把他設定成False，可以加快運算。

Variable默认是不需要求导的，即requires_grad属性默认为False，如果某一个节点requires_grad被设置为True，那么所有依赖它的节点requires_grad都为True。

在用户手动定义Variable时，参数requires_grad默认值是False。而在Module中的层在定义时，相关Variable的requires_grad参数默认是True。 
在计算图中，如果有一个输入的requires_grad是True，那么输出的requires_grad也是True。只有在所有输入的requires_grad都为False时，输出的requires_grad才为False。

volatile
指定需不需要保留紀錄用的變數。指定變數為True代表運算不需要記錄，可以加快運算。如果一個變數的volatile是True，則它的requires_grad一定是False。

簡單來說，對於需要更新的Variable記得將requires_grad設成True，當只需要得到結果而不需要更新的Variable可以將volatile設成True加快運算速度。   参考：PyTorch 基礎篇 

variable的volatile属性默认为False，如果某一个variable的volatile属性被设为True，那么所有依赖它的节点volatile属性都为True。volatile属性为True的节点不会求导，volatile的优先级比requires_grad高。

当有一个输入的volatile=True时，那么输出的volatile=True。volatile=True推荐在模型的推理过程（测试）中使用，这时只需要令输入的voliate=True，保证用最小的内存来执行推理，不会保存任何中间状态。在使用volatile=True的时候，变量是不存储 creator属性的，这样也减少了内存的使用。

参考：自动求导机制 、『PyTorch』第五弹_深入理解autograd_上：Variable属性方法 

PyTorch学习系列(十)——如何在训练时固定一些层？、Pytorch笔记01-Variable和Function（自动梯度计算）

 

detach()

返回一个新变量，与当前图形分离。结果将永远不需要渐变。如果输入是易失的，输出也将变得不稳定。返回的 Variable 永远不会需要梯度。

根据GAN的代码来看：

方法1. 利用detach阶段梯度流：（代码片段：DCGAN）

# train with real
        netD.zero_grad()
        real_cpu, _ = data
        batch_size = real_cpu.size(0)
        if opt.cuda:
            real_cpu = real_cpu.cuda()
        input.resize_as_(real_cpu).copy_(real_cpu)
        label.resize_(batch_size).fill_(real_label)
        inputv = Variable(input)
        labelv = Variable(label)
    output </span>=<span style="color: #000000"> netD(inputv)
    errD_real </span>=<span style="color: #000000"> criterion(output, labelv)
    errD_real.backward()
    D_x </span>=<span style="color: #000000"> output.data.mean()

    </span><span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> train with fake</span>
    noise.resize_(batch_size, nz, 1, 1).normal_(0, 1<span style="color: #000000">)
    noisev </span>=<span style="color: #000000"> Variable(noise)
    fake </span>=<span style="color: #000000"> netG(noisev)
    labelv </span>=<span style="color: #000000"> Variable(label.fill_(fake_label))
    output </span>=<span style="color: #000000"> netD(fake.detach())
    errD_fake </span>=<span style="color: #000000"> criterion(output, labelv)
    errD_fake.backward()
    D_G_z1 </span>=<span style="color: #000000"> output.data.mean()
    errD </span>= errD_real +<span style="color: #000000"> errD_fake
    optimizerD.step()

    </span><span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000">###########################</span>
    <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> (2) Update G network: maximize log(D(G(z)))</span>
    <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000">##########################</span>

        netG.zero_grad()

labelv = Variable(label.fill_(real_label))  # fake labels are real for generator cost

output = netD(fake)

errG = criterion(output, labelv)

errG.backward()

D_G_z2 = output.data.mean()

optimizerG.step()

首先在用fake更新D的时候，给G的输出加了detach，是因为我们希望更新时只更新D的参数，而不需保留G的参数的梯度。其实这个detach也是可以不用加的，因为直到netG.zero_grad() 被调用G的梯度是不会被用到的，optimizerD.step()只更新D的参数。

然后在利用fake更新G的时候，却没有给G的输出加detach，因为你本身就是需要更新G的参数，所以不能截断它。

参考：stackoverflow 、github_issue(why is detach necessary)

 

方法2.利用 volatile = True 来冻结G的梯度：（代码片段：WGAN）

            # train with real
            real_cpu, _ = data
            netD.zero_grad()
            batch_size = real_cpu.size(0)
        </span><span style="color: #0000ff">if</span><span style="color: #000000"> opt.cuda:
            real_cpu </span>=<span style="color: #000000"> real_cpu.cuda()
        input.resize_as_(real_cpu).copy_(real_cpu)
        inputv </span>=<span style="color: #000000"> Variable(input)

        errD_real </span>=<span style="color: #000000"> netD(inputv)
        errD_real.backward(one)

        </span><span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> train with fake</span>
        noise.resize_(opt.batchSize, nz, 1, 1).normal_(0, 1<span style="color: #000000">)
        noisev </span>= Variable(noise, volatile = True) <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> totally freeze netG</span>
        fake =<span style="color: #000000"> Variable(netG(noisev).data)
        inputv </span>=<span style="color: #000000"> fake
        errD_fake </span>=<span style="color: #000000"> netD(inputv)
        errD_fake.backward(mone)
        errD </span>= errD_real -<span style="color: #000000"> errD_fake
        optimizerD.step()

    </span><span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000">###########################</span>
    <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> (2) Update G network</span>
    <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000">##########################</span>
    <span style="color: #0000ff">for</span> p <span style="color: #0000ff">in</span><span style="color: #000000"> netD.parameters():
        p.requires_grad </span>= False <span style="color: #008000">#</span><span style="color: #008000"> to avoid computation</span>

        netG.zero_grad()

# in case our last batch was the tail batch of the dataloader,

# make sure we feed a full batch of noise

noise.resize_(opt.batchSize, nz, 1, 1).normal_(0, 1)

noisev = Variable(noise)

fake = netG(noisev)

errG = netD(fake)

errG.backward(one)

optimizerG.step()

gen_iterations += 1

冻结G的梯度，即在更新D的时候，反向传播计算梯度时不会计算G的参数的梯度。作用与方法1相同。

eg:

如果我们有两个网络 A,B, 两个关系是这样的 y=A(x),z=B(y). 现在我们想用 z.backward()来为 B 网络的参数来求梯度，但是又不想求 A 网络参数的梯度。我们可以这样：

# y=A(x), z=B(y) 求B中参数的梯度，不求A中参数的梯度
# 第一种方法
y = A(x)
z = B(y.detach())
z.backward()
# 第二种方法

y = A(x)

y.detach_()

z = B(y)

z.backward()

参考：  pytorch: Variable detach 与 detach_ 、Pytorch入门学习（九）---detach()的作用（从GAN代码分析)

另一个简单说明detach用法的github issue demo：

fc1 = nn.Linear(1, 2)
fc2 = nn.Linear(2, 1)
opt1 = optim.Adam(fc1.parameters(),lr=1e-1)
opt2 = optim.Adam(fc2.parameters(),lr=1e-1)
x = Variable(torch.FloatTensor([5]))

z = fc1(x)

x_p = fc2(z)

cost = (x_p - x) ** 2

'''

print (z)

print (x_p)

print (cost)

'''

opt1.zero_grad()

opt2.zero_grad()
cost.backward()

for n, p in fc1.named_parameters():

print (n, p.grad.data)
for n, p in fc2.named_parameters():

print (n, p.grad.data)
opt1.zero_grad()

opt2.zero_grad()
z = fc1(x)

x_p = fc2(z.detach())

cost = (x_p - x) ** 2
cost.backward()

for n, p in fc1.named_parameters():

print (n, p.grad.data)
for n, p in fc2.named_parameters():

print (n, p.grad.data)
结果：
weight

12.0559

-8.3572

[torch.FloatTensor of size 2x1]
bias

2.4112

-1.6714

[torch.FloatTensor of size 2]
weight

-33.5588 -19.4411

[torch.FloatTensor of size 1x2]
bias

-9.9940

[torch.FloatTensor of size 1]
================================================
weight

0

0

[torch.FloatTensor of size 2x1]
bias

0

0

[torch.FloatTensor of size 2]
weight

-33.5588 -19.4411

[torch.FloatTensor of size 1x2]
bias

-9.9940

[torch.FloatTensor of size 1]

 

 

grad_fn

梯度函数图跟踪。每一个变量在图中的位置可通过其grad_fn属性在图中的位置推测得到。

is_leaf

查看是否为叶子节点。即如果由用户创建。

x = V(t.ones(1))
b = V(t.rand(1), requires_grad = True)
w = V(t.rand(1), requires_grad = True)
y = w * x # 等价于y=w.mul(x)
z = y + b # 等价于z=y.add(b)

x.requires_grad, b.requires_grad, w.requires_grad
(False, True, True)
x.is_leaf, w.is_leaf, b.is_leaf

(True, True, True)
z.grad_fn

<AddBackward1 object at 0x7f615e1d9cf8>
z.grad_fn.next_functions

((<MulBackward1 object at 0x7f615e1d9780>, 0), (<AccumulateGrad object at 0x7f615e1d9390>, 0))

#next_functions保存grad_fn的输入，是一个tuple，tuple的元素也是Function
 第一个是y，它是乘法(mul)的输出，所以对应的反向传播函数y.grad_fn是MulBackward
 第二个是b，它是叶子节点，由用户创建，grad_fn为None

 

 

autograd.grad、register_hook

在反向传播过程中非叶子节点的导数计算完之后即被清空。若想查看这些变量的梯度，有两种方法：

• 使用autograd.grad函数
• 使用register_hook

x = V(t.ones(3), requires_grad=True)
w = V(t.rand(3), requires_grad=True)
y = x * w
# y依赖于w，而w.requires_grad = True
z = y.sum()
x.requires_grad, w.requires_grad, y.requires_grad
(True, True, True)

# 非叶子节点grad计算完之后自动清空，y.grad是None
z.backward()
(x.grad, w.grad, y.grad)
(Variable containing:

0.1636

0.3563

0.6623

[torch.FloatTensor of size 3], Variable containing:

1

1

1

[torch.FloatTensor of size 3], None)

  此时y.grad为None，因为backward()只求图中叶子的梯度（即无父节点）,如果需要对y求梯度，则可以使用autograd_grad或`register_hook`

使用autograd.grad:

# 第一种方法：使用grad获取中间变量的梯度
x = V(t.ones(3), requires_grad=True)
w = V(t.rand(3), requires_grad=True)
y = x * w
z = y.sum()
# z对y的梯度，隐式调用backward()
t.autograd.grad(z, y)
(Variable containing:

1

1

1

[torch.FloatTensor of size 3],)

使用hook：

# 第二种方法：使用hook
# hook是一个函数，输入是梯度，不应该有返回值
def variable_hook(grad):
    print('y的梯度： \r\n',grad)
x = V(t.ones(3), requires_grad=True)

w = V(t.rand(3), requires_grad=True)

y = x * w

# 注册hook

hook_handle = y.register_hook(variable_hook)

z = y.sum()

z.backward()
# 除非你每次都要用hook，否则用完之后记得移除hook

hook_handle.remove()
y的梯度：

Variable containing:

1

1

1

[torch.FloatTensor of size 3]

参考：pytorch-book/chapter3-Tensor和autograd/

 

关于梯度固定与优化设置：

model = nn.Sequential(*list(model.children()))
for p in model[0].parameters():
    p.requires_grad=False

for i in m.parameters():
    i.requires_grad=False

optimizer.SGD(filter(lambda p: p.requires_grad, model.parameters()), lr=1e-3)

可以在中间插入冻结操作，这样只冻结之前的层，后续的操作不会被冻结：

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
    </span><span style="color: #0000ff">for</span> p <span style="color: #0000ff">in</span><span style="color: #000000"> self.parameters():
        p.requires_grad</span>=<span style="color: #000000">False

    self.fc1 </span>= nn.Linear(16 * 5 * 5, 120<span style="color: #000000">)
    self.fc2 </span>= nn.Linear(120, 84<span style="color: #000000">)
    self.fc3 </span>= nn.Linear(84, 10)</pre>

 

count = 0
    para_optim = []
    for k in model.children():   # model.modules():
        count += 1
        # 6 should be changed properly
        if count > 6:
            for param in k.parameters():
                para_optim.append(param)
        else:
            for param in k.parameters():
                param.requires_grad = False
optimizer = optim.RMSprop(para_optim, lr)
################
 another way
    <span style="color: #0000ff">for</span> idx,m <span style="color: #0000ff">in</span><span style="color: #000000"> enumerate(model.modules()):
        </span><span style="color: #0000ff">if</span> idx &gt;50<span style="color: #000000">:
            </span><span style="color: #0000ff">for</span> param <span style="color: #0000ff">in</span><span style="color: #000000"> m.parameters():
                param.requires_grad </span>=<span style="color: #000000"> True
        </span><span style="color: #0000ff">else</span><span style="color: #000000">:
            </span><span style="color: #0000ff">for</span> param <span style="color: #0000ff">in</span><span style="color: #000000"> m.parameters():
                param.requires_grad </span>= False</pre>

 参考：pytorch 固定部分参数训练

 

对特定层的权重进行限制：

def clamp_weights(self):
    for module in self.net.modules():
        if(hasattr(module, 'weight') and module.kernel_size==(1,1)):
            module.weight.data = torch.clamp(module.weight.data,min=0)

参考：github

 

载入权重后发现错误率或正确率不正常，可能是学习率已改变，而保存和载入时没有考虑优化器：所以保存优化器:

save_checkpoint({
            'epoch': epoch + 1,
            'arch': args.arch,
            'state_dict': model.state_dict(),
            'optimizer': optimizer.state_dict(),
            'prec1': prec1,
        }, save_name)               # save
if args.resume:

if os.path.isfile(args.resume):

print("=> loading checkpoint '{}'".format(args.resume))

checkpoint = torch.load(args.resume)

args.start_epoch = checkpoint['epoch']

model.load_state_dict(checkpoint['state_dict'])

optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer'])

print("=> loaded checkpoint '{}' (epoch {})"

.format(args.resume, checkpoint['epoch']))

else:

print("=> no checkpoint found at '{}'".format(args.resume))    # load

 

对特定的层学习率设置：

    params = []
    for name, value in model.named_parameters():
        if 'bias' in name:
            if 'fc2' in name:
                params += [{'params':value, 'lr': 20 * args.lr, 'weight_decay': 0}]
            else:
                params += [{'params':value, 'lr': 2 * args.lr, 'weight_decay': 0}]
        else:
            if 'fc2' in name:
                params += [{'params':value, 'lr': 10 * args.lr}]
            else:
                params += [{'params':value, 'lr': 1 * args.lr}]
optimizer </span>=<span style="color: #000000"> torch.optim.SGD(params, args.lr,
                            momentum</span>=<span style="color: #000000">args.momentum,
                            weight_decay</span>=args.weight_decay)</pre>

或者：

class net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(64, 64, 1)
        self.conv3 = nn.Conv2d(64, 64, 1)
        self.conv4 = nn.Conv2d(64, 64, 1)
        self.conv5 = nn.Conv2d(64, 64, 1)
    def forward(self, x):
        out = conv5(conv4(conv3(conv2(conv1(x)))))
        return out
我们希望conv5学习率是其他层的100倍，我们可以：

net = net()

lr = 0.001
conv5_params = list(map(id, net.conv5.parameters()))

base_params = filter(lambda p: id(p) not in conv5_params,

net.parameters())

optimizer = torch.optim.SGD([

{'params': base_params},

{'params': net.conv5.parameters(), 'lr': lr * 100},

, lr=lr, momentum=0.9)
如果多层，则：

conv5_params = list(map(id, net.conv5.parameters()))

conv4_params = list(map(id, net.conv4.parameters()))

base_params = filter(lambda p: id(p) not in conv5_params + conv4_params,

net.parameters())

optimizer = torch.optim.SGD([

{'params': base_params},

{'params': net.conv5.parameters(), 'lr': lr * 100},

{'params': net.conv4.parameters(), 'lr': lr * 100},

, lr=lr, momentum=0.9)

参考：pytorch在不同的层使用不同的学习率

标签: Pytorch

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