在深度学习的训练过程中，我们不可避免地要保存模型，这是一个非常好的习惯。接下来，文章将通过一个简单的神经网络模型，带你了解 PyTorch 中主要的模型保存与加载方式。

为什么保存和加载模型很重要？

训练一个神经网络可能需要数小时甚至数天的时间，你需要认知到一点：时间是非常宝贵的，目前3090云服务器租赁一天的价格为 37.92 元。如果你的代码没有保存模型的模块，那就先不要开始，因为不保存基本等于没跑，你的效果再好也没有办法直接呈现给别人。如果你保存了模型，你就可以做到以下的事情：

• 继续训练：通过保存检查点（checkpoint），你可以在意外中断后继续训练你的模型，这一点可能会节省你大量的时间。
• 模型部署：训练好的模型可以被部署到生产环境中进行推理，比如 LLM，LoRA 等。
• 分享模型：将训练好的模型分享给实验室其他成员或开源社区，以便进一步研究或复现结果。

代码示例

模型准备

为了演示，我们先定义一个简单的神经网络模型：

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

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(784, 128)  # 输入层到隐藏层
        self.fc2 = nn.Linear(128, 64)   # 隐藏层到隐藏层
        self.fc3 = nn.Linear(64, 10)    # 隐藏层到输出层

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

# 实例化模型和优化器
model = Net()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

方法一：保存和加载整个模型

保存模型：

torch.save(model, 'model.pth')

加载模型：

model = torch.load('model.pth')
print(model)

输出：

Net(
  (fc1): Linear(in_features=784, out_features=128, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=64, out_features=10, bias=True)
)

这种方法非常简单直观，因为它保存了模型的整个结构和参数。

方法二：只保存模型的状态字典（state_dict）

保存模型状态字典：

torch.save(model.state_dict(), 'model_state_dict.pth')

加载模型状态字典：
需要注意的是，加载state_dict时你需要手动重新实例化模型。

model = Net()  # 你需要先定义好模型架构
model.load_state_dict(torch.load('model_state_dict.pth'))
print(model)

输出：

Net(
  (fc1): Linear(in_features=784, out_features=128, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=64, out_features=10, bias=True)
)

与保存整个模型相比，保存 state_dict 更加灵活，它只包含模型的参数，而不依赖于完整的模型定义，这意味着你可以在不同的项目中加载模型参数，甚至只加载部分模型的权重。举个例子，对于分类模型，即便你保存的是完整的网络参数，也可以仅导入特征提取层部分，当然，直接导入完整模型再拆分实际上是一样的。对于不完全匹配的模型，加载时可以通过设置 strict=False 来忽略某些不匹配的键：

model.load_state_dict(torch.load('model_state_dict.pth'), strict=False)

这样，你可以灵活地只加载模型的某些部分。

使用 strict=False 加载模型

假设我们在原来的 Net 模型中新增了一个全连接层（fc4），此时如果我们直接加载之前保存的 state_dict，会因为 state_dict 中没有 fc4 的权重信息而导致报错。

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

# 修改后的模型，新增了一层 fc4
class ModifiedNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModifiedNet, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(784, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 64)
        self.fc3 = nn.Linear(64, 10)
        self.fc4 = nn.Linear(10, 5)  # 新增的全连接层

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = F.relu(self.fc3(x))
        x = self.fc4(x)
        return x

# 实例化模型
modified_model = ModifiedNet()

# 尝试加载之前保存的 state_dict，但忽略不匹配的层
modified_model.load_state_dict(torch.load('model_state_dict.pth'), strict=False)

# 输出模型结构
print(modified_model)

输出：

ModifiedNet(
  (fc1): Linear(in_features=784, out_features=128, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=64, out_features=10, bias=True)
  (fc4): Linear(in_features=10, out_features=5, bias=True)
)

如果不设置 strict=False，将会报错，提示缺少 fc4 的权重：

RuntimeError: Error(s) in loading state_dict for ModifiedNet: Missing key(s) in state_dict: "fc4.weight", "fc4.bias". 

注意，即便减少层也可以使用 strict=False 也可以使用。例如，如果修改后的网络只保留前两层，仍然可以成功加载原始的 state_dict，并跳过缺失的部分。

方法三：保存完整的训练状态（checkpoint）

有时候，你可能不仅仅需要保存模型参数，还需要保存训练进度，比如当前的轮数、优化器状态等。此时可以使用检查点保存更多信息。

保存检查点：

torch.save({
    'epoch': 100,
    'model_state_dict': model.state_dict(),
    'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
    'loss': 0.01,
}, 'checkpoint.pth')

加载检查点：

checkpoint = torch.load('checkpoint.pth')
model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])
epoch = checkpoint['epoch']
loss = checkpoint['loss']
print(f"Epoch: {epoch}, Loss: {loss}")

输出：

Epoch: 100, Loss: 0.01

这种方式适合长时间训练时，可以从中断的地方继续训练。但文件体积相比前面会更大，具体原因见《7. 探究模型参数与显存的关系以及不同精度造成的影响》，加载过程也稍微复杂一些，我们可以写一个函数来打包这个过程。

定义 checkpont 保存和加载的函数

def save_checkpoint(model, optimizer, epoch, loss, filepath='checkpoint.pth'):
    torch.save({
        'epoch': epoch,
        'model_state_dict': model.state_dict(),
        'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),
        'loss': loss,
    }, filepath)

def load_checkpoint(filepath, model, optimizer):
    checkpoint = torch.load(filepath)
    model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
    optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])
    return checkpoint['epoch'], checkpoint['loss']

# 保存
save_checkpoint(model, optimizer, 100, 0.01)

# 加载
epoch, loss = load_checkpoint('checkpoint.pth', model, optimizer)
print(f"Loaded checkpoint at epoch {epoch} with loss {loss}")