Pytorch 三小时极限入门教程

一、引言

在当今的人工智能领域，深度学习占据了举足轻重的地位。而 Pytorch 作为一款广受欢迎的深度学习框架，以其简洁、灵活的特性，吸引了大量开发者投身其中。无论是科研人员探索前沿的神经网络架构，还是工程师将深度学习技术落地到实际项目，Pytorch 都提供了强大的支持。本教程将带你从零基础开始，一步步深入了解 Pytorch 的核心知识，助你顺利踏上深度学习的征程。

二、Pytorch 基础环境搭建

安装 Anaconda

Anaconda 是一个强大的 Python 包管理器和环境管理器，方便我们创建独立的 Python 开发环境。首先，从 Anaconda 官方网站下载对应操作系统的安装包，一路默认安装即可。安装完成后，打开终端（Linux/Mac）或命令提示符（Windows），输入 conda --version 验证是否安装成功。

创建虚拟环境

使用 conda create -n pytorch_env python=3.8 创建一个名为 pytorch_env 的虚拟环境，这里指定 Python 版本为 3.8，你可以根据实际需求调整。激活虚拟环境，在 Linux/Mac 下使用 source activate pytorch_env，Windows 下使用 activate pytorch_env。

安装 Pytorch

访问 Pytorch 官方网站，根据你的系统配置（如 CUDA 是否可用）选择合适的安装命令。例如，如果你的电脑有 NVIDIA GPU 且支持 CUDA 11.3，安装命令可能为 conda install pytorch torchvision torchaudio cudatoolkit=11.3 -c pytorch。如果没有 GPU，则选择 CPU 版本的安装命令，如 conda install pytorch torchvision torchaudio cpuonly -c pytorch。安装完成后，在 Python 交互式环境中输入 import torch，没有报错则说明安装成功。

三、张量（Tensor）：深度学习的基石

张量的定义与创建

张量是 Pytorch 中最基本的数据结构，类似于 NumPy 中的数组，但具有更强的功能。可以使用 torch.tensor() 函数从 Python 列表或 NumPy 数组创建张量，例如：

import torch

import numpy as np

# 从列表创建张量

data_list = [1, 2, 3, 4]

tensor_from_list = torch.tensor(data_list)

# 从 NumPy 数组创建张量

np_array = np.array([5, 6, 7, 8])

tensor_from_numpy = torch.from_numpy(np_array)

还可以使用 torch.zeros()、torch.ones()、torch.rand() 等函数创建具有特定形状的全 0、全 1 或随机值张量。

张量的属性与操作

张量具有形状（shape）、数据类型（dtype）等属性。可以通过 .shape 和 .dtype 来访问，例如：

tensor = torch.rand(3, 4)

print(tensor.shape)

print(tensor.dtype)

张量支持丰富的数学运算，如加法、减法、乘法、除法等，操作符重载使得代码简洁直观：

a = torch.rand(2, 3)

b = torch.rand(2, 3)

c = a + b

d = a * b

同时，也有大量的函数可供调用，像 torch.sum()、torch.mean() 等用于统计计算。

四、自动求导（Autograd）：神经网络训练的关键

自动求导原理简介

在深度学习中，模型训练的核心是反向传播算法，而 Pytorch 的自动求导机制极大地简化了这一过程。当创建一个张量时，如果设置 requires_grad=True，Pytorch 会记录该张量上的所有操作，构建一个计算图。在反向传播时，利用这个计算图自动计算梯度。

示例：简单函数求导

x = torch.tensor([2.], requires_grad=True)

y = x ** 2 + 3 * x

y.backward()

print(x.grad)

这里定义了一个简单的函数，对 x 求导后，x.grad 存储了梯度值，即在时的值 7。

复杂模型中的应用

在构建神经网络时，模型参数都设置为 requires_grad=True。在每一次前向传播计算损失后，通过 loss.backward() 反向传播梯度，然后使用优化器（如 SGD、Adam 等）根据梯度更新参数，实现模型的训练。

五、神经网络模块（nn.Module）：构建模型的利器

自定义神经网络

继承 nn.Module 类可以方便地自定义神经网络。首先在 __init__() 函数中定义模型的层结构，如全连接层 nn.Linear，卷积层 nn.Conv2d 等，然后在 forward() 函数中定义数据的前向传播路径。

import torch.nn as nn

class SimpleNet(nn.Module):

def __init__(self):

super(SimpleNet, self).__init__()

self.fc1 = nn.Linear(10, 20)

self.fc2 = nn.Linear(20, 1)

def forward(self, x):

x = torch.relu(self.fc1(x))

x = self.fc2(x)

return x

这里定义了一个简单的两层全连接神经网络，输入维度为 10，中间层维度为 20，输出维度为 1，中间使用 ReLU 作为激活函数。

预训练模型的使用与微调

Pytorch 提供了丰富的预训练模型，如 ResNet、VGG 等经典的图像分类模型。可以通过 torchvision.models 模块加载预训练模型，然后根据自己的任务需求，修改最后几层的结构并进行微调。例如：

import torchvision.models as models

resnet = models.resnet18(pretrained=True)

# 修改最后一层输出维度为自定义类别数

resnet.fc = nn.Linear(resnet.fc.in_features, 10)

这使得在数据量有限的情况下，也能利用预训练模型的强大特征提取能力，快速搭建高性能模型。

六、数据加载与预处理（DataLoader）

数据集类的构建

要使用自己的数据训练模型，需要构建自定义数据集类，继承 torch.utils.data.Dataset。在类中实现 __getitem__() 方法用于获取单个样本及其标签，__len__() 方法返回数据集的大小。例如，对于图像分类数据集：

from torch.utils.data import Dataset

import os

import cv2

class ImageDataset(Dataset):

def __init__(self, root_dir, transform=None):

self.root_dir = root_dir

self.image_files = os.listdir(root_dir)

self.transform = transform

def __getitem__(self, index):

image_path = os.path.join(self.root_dir, self.image_files[index])

image = cv2.imread(image_path)

image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)

label = int(self.image_files[index].split('.')[0])

if self.transform:

image = self.transform(image)

return image, label

def __len__(self):

return len(self.image_files)

数据加载器的使用

使用 torch.utils.data.DataLoader 将数据集封装成可迭代的数据加载器，方便在训练过程中批量获取数据。可以设置批量大小（batch_size）、是否打乱数据（shuffle）等参数，例如：

from torch.utils.data import DataLoader

dataset = ImageDataset(root_dir='data/images', transform=transforms.ToTensor())

dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)

在训练循环中，通过遍历数据加载器获取批量数据，送入模型进行训练。

七、模型训练与评估

训练循环

模型训练通常包括多个 epoch，每个 epoch 遍历一遍整个数据集。在每个 epoch 内，按批次获取数据，前向传播计算损失，反向传播更新参数。以下是一个简单的训练循环示例：

model = SimpleNet()

criterion = nn.MSELoss()

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

for epoch in range(10):

running_loss = 0.0

for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloader):

optimizer.zero_grad()

outputs = model(inputs)

loss = criterion(outputs, labels)

loss.backward()

optimizer.step()

running_loss += loss.item()

print(f'Epoch {epoch + 1}, Loss: {running_loss / len(dataloader)}')

评估指标与方法

根据任务不同，评估指标各异。对于分类任务，常用准确率（Accuracy），可以通过比较模型预测结果与真实标签计算得出：

correct = 0

total = 0

with torch.no_grad():

for inputs, labels in dataloader:

outputs = model(inputs)

_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)

total += labels.size(0)

correct += (predicted == labels).sum().item()

accuracy = correct / total

print(f'Accuracy: {accuracy}')

对于回归任务，可能使用均方误差（MSE）、平均绝对误差（MAE）等指标。

八、模型保存与加载

保存模型

可以使用 torch.save() 保存模型的参数或整个模型结构，例如保存模型参数：

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

若要保存整个模型，包括结构和参数：

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

加载模型

加载模型参数时，先创建模型实例，再使用 model.load_state_dict(torch.load('model.pth')) 加载。若加载整个模型，则直接 model = torch.load('whole_model.pth')。加载后，模型即可用于预测或继续训练。

九、可视化工具（TensorBoard）

安装与配置

TensorBoard 是一个强大的可视化工具，用于监控模型训练过程。使用 pip install tensorboard 安装，在 Pytorch 代码中引入相关模块：

from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter

创建一个 SummaryWriter 实例，指定日志目录，如 writer = SummaryWriter('logs')。

可视化训练过程

在训练过程中，可以使用 writer.add_scalar() 记录损失、准确率等指标随 epoch 的变化：

for epoch in range(10):

# 训练代码...

writer.add_scalar('Loss', running_loss / len(dataloader), epoch)

writer.add_scalar('Accuracy', accuracy, epoch)

writer.close()

运行 tensorboard --logdir=logs 命令后，在浏览器中打开相应地址，即可查看可视化图表，直观了解模型训练动态。