我们将通过一个简单的示例，快速了解如何使用 PyTorch 进行机器学习任务。PyTorch 是一个开源的机器学习库，它提供了丰富的工具和库，帮助我们轻松地构建、训练和测试神经网络模型。以下是本教程的主要内容：

一、数据处理

PyTorch 提供了两个基本的数据处理工具：torch.utils.data.DataLoader 和 torch.utils.data.Dataset。Dataset 用于存储样本及其对应的标签，而 DataLoader 则为 Dataset 提供了一个可迭代的包装器。

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import ToTensor

PyTorch 还提供了许多特定领域的库，如 TorchText、TorchVision 和 TorchAudio，这些库中都包含了各种数据集。在本教程中，我们将使用 TorchVision 中的 FashionMNIST 数据集。每个 TorchVision Dataset 都包含两个参数：transform 和 target_transform，分别用于修改样本和标签。

# 下载 FashionMNIST 数据集
training_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=True,
    download=True,
    transform=ToTensor()
)

test_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=False,
    download=True,
    transform=ToTensor()
)

我们将 Dataset 作为参数传递给 DataLoader。DataLoader 为我们的数据集提供了一个可迭代的包装器，并支持自动批处理、采样、洗牌和多进程数据加载。在这里，我们定义了一个大小为 64 的批次，即数据加载器可迭代对象的每个元素将返回一个包含 64 个特征和标签的批次。

train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=64, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64, shuffle=True)

二、创建模型

在 PyTorch 中，我们通过创建一个继承自 nn.Module 的类来定义神经网络。我们在 __init__ 函数中定义网络的层，并在 forward 函数中指定数据如何通过网络传递。为了加速神经网络中的操作，我们将网络移动到加速器（如 CUDA、MPS、MTIA 或 XPU）上。如果当前加速器可用，我们将使用它；否则，我们将使用 CPU。

class NeuralNetwork(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(NeuralNetwork, self).__init__()
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.linear_relu_stack = nn.Sequential(
            nn.Linear(28*28, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 10)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.flatten(x)
        logits = self.linear_relu_stack(x)
        return logits

三、优化模型参数

为了训练模型，我们需要一个损失函数和一个优化器。在一个训练循环中，模型会对训练数据集（以批次形式提供）进行预测，并将预测误差反向传播以调整模型的参数。

def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)
    model.train()
    for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
        X, y = X.to(device), y.to(device)

        # 计算预测误差
        pred = model(X)
        loss = loss_fn(pred, y)

        # 反向传播
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()

        if batch % 100 == 0:
            loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>5d}/{size:>5d}]")

我们还需要检查模型在测试数据集上的性能，以确保它正在学习。

def test(dataloader, model, loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    model.eval()
    test_loss, correct = 0, 0
    with torch.no_grad():
        for X, y in dataloader:
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            pred = model(X)
            test_loss += loss_fn(pred, y).item()
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
    test_loss /= num_batches
    correct /= size
    print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

训练过程会在多个迭代（epoch）中进行。在每个 epoch 中，模型会学习参数以做出更好的预测。我们在每个 epoch 打印模型的准确率和损失；我们希望看到准确率随着每个 epoch 的增加而增加，损失则随着每个 epoch 的增加而减少。

for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1}\n-------------------------------")
    train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)
    test(test_dataloader, model, loss_fn)
print("Done!")

四、保存模型

保存模型的一种常见方法是序列化内部状态字典（包含模型参数）。

torch.save(model.state_dict(), "model.pth")
print("Saved PyTorch Model State to model.pth")

五、加载模型

加载模型的过程包括重新创建模型结构，并将状态字典加载到其中。

model = NeuralNetwork()
model.load_state_dict(torch.load("model.pth"))

现在，我们可以使用这个模型来进行预测。

classes = [
    "T-shirt/top",
    "Trouser",
    "Pullover",
    "Dress",
    "Coat",
    "Sandal",
    "Shirt",
    "Sneaker",
    "Bag",
    "Ankle boot",
]

model.eval()
x, y = test_data[0][0], test_data[0][1]
with torch.no_grad():
    x = x.to(device)
    pred = model(x)
    predicted, actual = classes[pred[0].argmax(0)], classes[y]
    print(f'Predicted: "{predicted}", Actual: "{actual}"')

以上就是使用 PyTorch 进行机器学习任务的基本流程。

六、完整代码

import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import ToTensor

# 下载 FashionMNIST 数据集
training_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=True,
    download=True,
    transform=ToTensor()
)

test_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=False,
    download=True,
    transform=ToTensor()
)

# 创建数据加载器
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=64, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64, shuffle=True)

# 定义神经网络模型
class NeuralNetwork(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(NeuralNetwork, self).__init__()
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.linear_relu_stack = nn.Sequential(
            nn.Linear(28*28, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 512),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(512, 10)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.flatten(x)
        logits = self.linear_relu_stack(x)
        return logits

# 检查是否有可用的加速器
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print(f"Using {device} device")

# 实例化模型并移动到加速器上
model = NeuralNetwork().to(device)
print(model)

# 定义损失函数和优化器
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)

# 定义训练函数
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)
    model.train()
    for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
        X, y = X.to(device), y.to(device)

        # 计算预测误差
        pred = model(X)
        loss = loss_fn(pred, y)

        # 反向传播
        loss.backward()
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()

        if batch % 100 == 0:
            loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>5d}/{size:>5d}]")

# 定义测试函数
def test(dataloader, model, loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)
    num_batches = len(dataloader)
    model.eval()
    test_loss, correct = 0, 0
    with torch.no_grad():
        for X, y in dataloader:
            X, y = X.to(device), y.to(device)
            pred = model(X)
            test_loss += loss_fn(pred, y).item()
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
    test_loss /= num_batches
    correct /= size
    print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

# 训练和测试模型
epochs = 5
for t in range(epochs):
    print(f"Epoch {t+1}\n-------------------------------")
    train(train_dataloader, model, loss_fn, optimizer)
    test(test_dataloader, model, loss_fn)
print("Done!")

# 保存模型
torch.save(model.state_dict(), "model.pth")
print("Saved PyTorch Model State to model.pth")

# 加载模型
model = NeuralNetwork()
model.load_state_dict(torch.load("model.pth"))

# 使用模型进行预测
classes = [
    "T-shirt/top",
    "Trouser",
    "Pullover",
    "Dress",
    "Coat",
    "Sandal",
    "Shirt",
    "Sneaker",
    "Bag",
    "Ankle boot",
]

model.eval()
x, y = test_data[0][0], test_data[0][1]
with torch.no_grad():
    x = x.to(device)
    pred = model(x)
    predicted, actual = classes[pred[0].argmax(0)], classes[y]
    print(f'Predicted: "{predicted}", Actual: "{actual}"')