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📣系列专栏 - 机器学习【ML】自然语言处理【NLP】深度学习【DL】

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✔说明⇢本人讲解主要包括Python、机器学习（ML）、深度学习（DL）、自然语言处理（NLP）等内容。

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文章目录

什么是 PyTorch?

Pytorch的安装

开始学习

Tensors (张量)

操作

Pytorch自动微分

Pytorch神经网络

Pytoch图像分类器

现在你也许会想应该怎么处理数据？

训练一个图像分类器

PyTorch 数据并行处理

参数

总结

什么是 PyTorch?

PyTorch 是一个基于 Python 的科学计算包，主要定位两类人群：

NumPy 的替代品，可以利用 GPU 的性能进行计算。
深度学习研究平台拥有足够的灵活性和速度

Pytorch的安装

PyTorch windows 安装教程：两行代码搞定 PyTorch 安装 PyTorch Windows 安装教程：两行代码搞定 PyTorch 安装 | PyTorch

PyTorch Mac 安装教程 PyTorch Mac 安装教程 | PyTorch

PyTorch Linux 安装教程 PyTorch Linux 安装教程 | PyTorch

开始学习

Tensors (张量)

Tensors 类似于 NumPy 的 ndarrays ，同时 Tensors 可以使用 GPU 进行计算。

from __future__ import print_function
import torch

构造一个5x3矩阵，不初始化。

x = torch.empty(5, 3)
print(x)

输出:

tensor(1.00000e-04 *
       [[-0.0000,  0.0000,  1.5135],
        [ 0.0000,  0.0000,  0.0000],
        [ 0.0000,  0.0000,  0.0000],
        [ 0.0000,  0.0000,  0.0000],
        [ 0.0000,  0.0000,  0.0000]])

构造一个随机初始化的矩阵：

x = torch.rand(5, 3)
print(x)

输出:

tensor([[ 0.6291,  0.2581,  0.6414],
        [ 0.9739,  0.8243,  0.2276],
        [ 0.4184,  0.1815,  0.5131],
        [ 0.5533,  0.5440,  0.0718],
        [ 0.2908,  0.1850,  0.5297]])

构造一个矩阵全为 0，而且数据类型是 long.

Construct a matrix filled zeros and of dtype long:

x = torch.zeros(5, 3, dtype=torch.long)
print(x)

输出:

tensor([[ 0,  0,  0],
        [ 0,  0,  0],
        [ 0,  0,  0],
        [ 0,  0,  0],
        [ 0,  0,  0]])

构造一个张量，直接使用数据：

x = torch.tensor([5.5, 3])
print(x)

输出:

tensor([ 5.5000,  3.0000])

创建一个 tensor 基于已经存在的 tensor。

x = x.new_ones(5, 3, dtype=torch.double)      
# new_* methods take in sizes
print(x)
x = torch.randn_like(x, dtype=torch.float)

# override dtype!
print(x)
# result has the same size

输出:

tensor([[ 1.,  1.,  1.],
        [ 1.,  1.,  1.],
        [ 1.,  1.,  1.],
        [ 1.,  1.,  1.],
        [ 1.,  1.,  1.]], dtype=torch.float64)
tensor([[-0.2183,  0.4477, -0.4053],
        [ 1.7353, -0.0048,  1.2177],
        [-1.1111,  1.0878,  0.9722],
        [-0.7771, -0.2174,  0.0412],
        [-2.1750,  1.3609, -0.3322]])

获取它的维度信息:

print(x.size())

输出:

torch.Size([5, 3])

注意

torch.Size 是一个元组，所以它支持左右的元组操作。

操作

在接下来的例子中，我们将会看到加法操作。

加法: 方式 1

y = torch.rand(5, 3)
print(x + y)

Out:

tensor([[-0.1859,  1.3970,  0.5236],
        [ 2.3854,  0.0707,  2.1970],
        [-0.3587,  1.2359,  1.8951],
        [-0.1189, -0.1376,  0.4647],
        [-1.8968,  2.0164,  0.1092]])

加法: 方式2

print(torch.add(x, y))

Out:

tensor([[-0.1859,  1.3970,  0.5236],
        [ 2.3854,  0.0707,  2.1970],
        [-0.3587,  1.2359,  1.8951],
        [-0.1189, -0.1376,  0.4647],
        [-1.8968,  2.0164,  0.1092]])

加法: 提供一个输出 tensor 作为参数

result = torch.empty(5, 3)
torch.add(x, y, out=result)
print(result)

Out:

tensor([[-0.1859,  1.3970,  0.5236],
        [ 2.3854,  0.0707,  2.1970],
        [-0.3587,  1.2359,  1.8951],
        [-0.1189, -0.1376,  0.4647],
        [-1.8968,  2.0164,  0.1092]])

加法: in-place

# adds x to y
y.add_(x)
print(y)

Out:

tensor([[-0.1859,  1.3970,  0.5236],
        [ 2.3854,  0.0707,  2.1970],
        [-0.3587,  1.2359,  1.8951],
        [-0.1189, -0.1376,  0.4647],
        [-1.8968,  2.0164,  0.1092]])

Note

注意

任何使张量会发生变化的操作都有一个前缀 ''。例如：x.copy(y), x.t_(), 将会改变 x.

你可以使用标准的 NumPy 类似的索引操作

print(x[:, 1])

Out:

tensor([ 0.4477, -0.0048,  1.0878, -0.2174,  1.3609])

改变大小：如果你想改变一个 tensor 的大小或者形状，你可以使用 torch.view:

x = torch.randn(4, 4)
y = x.view(16)
z = x.view(-1, 8)  # the size -1 is inferred from other dimensions
print(x.size(), y.size(), z.size())

Out:

torch.Size([4, 4]) torch.Size([16]) torch.Size([2, 8])

如果你有一个元素 tensor ，使用 .item() 来获得这个 value 。

x = torch.randn(1)
print(x)
print(x.item())

Out:

tensor([ 0.9422])
0.9422121644020081

Pytorch自动微分

autograd 包是 PyTorch 中所有神经网络的核心。首先让我们简要地介绍它，然后我们将会去训练我们的第一个神经网络。该 autograd 软件包为 Tensors 上的所有操作提供自动微分。它是一个由运行定义的框架，这意味着以代码运行方式定义你的后向传播，并且每次迭代都可以不同。我们从 tensor 和 gradients 来举一些例子。

1、TENSOR

torch.Tensor 是包的核心类。如果将其属性 .requires_grad 设置为 True，则会开始跟踪针对 tensor 的所有操作。完成计算后，您可以调用 .backward() 来自动计算所有梯度。该张量的梯度将累积到 .grad 属性中。

要停止 tensor 历史记录的跟踪，您可以调用 .detach()，它将其与计算历史记录分离，并防止将来的计算被跟踪。

要停止跟踪历史记录（和使用内存），您还可以将代码块使用 with torch.no_grad(): 包装起来。在评估模型时，这是特别有用，因为模型在训练阶段具有 requires_grad = True 的可训练参数有利于调参，但在评估阶段我们不需要梯度。

还有一个类对于 autograd 实现非常重要那就是 Function。Tensor 和 Function 互相连接并构建一个非循环图，它保存整个完整的计算过程的历史信息。每个张量都有一个 .grad_fn 属性保存着创建了张量的 Function 的引用，（如果用户自己创建张量，则g rad_fn 是 None ）。

如果你想计算导数，你可以调用 Tensor.backward()。如果 Tensor 是标量（即它包含一个元素数据），则不需要指定任何参数backward()，但是如果它有更多元素，则需要指定一个gradient 参数来指定张量的形状。

import torch

创建一个张量，设置 requires_grad=True 来跟踪与它相关的计算

x = torch.ones(2, 2, requires_grad=True)
print(x)

输出：

tensor([[1., 1.],
        [1., 1.]], requires_grad=True)

针对张量做一个操作

y = x + 2
print(y)

输出：

tensor([[3., 3.],
        [3., 3.]], grad_fn=<AddBackward0>)

y 作为操作的结果被创建，所以它有 grad_fn

print(y.grad_fn)

输出：

<AddBackward0 object at 0x7fe1db427470>

针对 y 做更多的操作：

z = y * y * 3
out = z.mean()
print(z, out)

输出：

tensor([[27., 27.],
        [27., 27.]], grad_fn=<MulBackward0>) tensor(27., grad_fn=<MeanBackward0>)

.requires_grad_( ... ) 会改变张量的 requires_grad 标记。输入的标记默认为 False ，如果没有提供相应的参数。

a = torch.randn(2, 2)
a = ((a * 3) / (a - 1))
print(a.requires_grad)
a.requires_grad_(True)
print(a.requires_grad)
b = (a * a).sum()
print(b.grad_fn)

输出：

False
True
<SumBackward0 object at 0x7fe1db427dd8>

梯度：

我们现在后向传播，因为输出包含了一个标量，out.backward() 等同于out.backward(torch.tensor(1.))。

out.backward()

打印梯度 d(out)/dx

print(x.grad)

输出：

tensor([[4.5000, 4.5000],
        [4.5000, 4.5000]])

原理解释：

现在让我们看一个雅可比向量积的例子：

x = torch.randn(3, requires_grad=True)
y = x 2 while y.data.norm() < 1000: y = y 2

print(y)

输出：

tensor([ -444.6791,   762.9810, -1690.0941], grad_fn=<MulBackward0>)

现在在这种情况下，y 不再是一个标量。torch.autograd 不能够直接计算整个雅可比，但是如果我们只想要雅可比向量积，只需要简单的传递向量给 backward 作为参数。

v = torch.tensor([0.1, 1.0, 0.0001], dtype=torch.float)
y.backward(v)

print(x.grad)

输出：

tensor([1.0240e+02, 1.0240e+03, 1.0240e-01])

你可以通过将代码包裹在 with torch.no_grad()，来停止对从跟踪历史中的 .requires_grad=True 的张量自动求导。

print(x.requires_grad)
print((x ** 2).requires_grad)

with torch.no_grad():
    print((x ** 2).requires_grad)

输出：

True
True
False

稍后可以阅读：

autograd 和 Function 的文档在： Page Redirection

Pytorch神经网络

神经网络

神经网络可以通过 torch.nn 包来构建。

现在对于自动梯度(autograd)有一些了解，神经网络是基于自动梯度 (autograd)来定义一些模型。一个 nn.Module 包括层和一个方法 forward(input) 它会返回输出(output)。

例如，看一下数字图片识别的网络：

这是一个简单的前馈神经网络，它接收输入，让输入一个接着一个的通过一些层，最后给出输出。

一个典型的神经网络训练过程包括以下几点：

1.定义一个包含可训练参数的神经网络

2.迭代整个输入

3.通过神经网络处理输入

4.计算损失(loss)

5.反向传播梯度到神经网络的参数

6.更新网络的参数，典型的用一个简单的更新方法：weight = weight - learning_rate *gradient

定义神经网络

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


class Net(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        # 1 input image channel, 6 output channels, 5x5 square convolution
        # kernel
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 6, 5)
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
        # an affine operation: y = Wx + b
        self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self, x):
        # Max pooling over a (2, 2) window
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv1(x)), (2, 2))
        # If the size is a square you can only specify a single number
        x = F.max_pool2d(F.relu(self.conv2(x)), 2)
        x = x.view(-1, self.num_flat_features(x))
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

    def num_flat_features(self, x):
        size = x.size()[1:]  # all dimensions except the batch dimension
        num_features = 1
        for s in size:
            num_features *= s
        return num_features


net = Net()
print(net)

输出：

Net(
  (conv1): Conv2d(1, 6, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (conv2): Conv2d(6, 16, kernel_size=(5, 5), stride=(1, 1))
  (fc1): Linear(in_features=400, out_features=120, bias=True)
  (fc2): Linear(in_features=120, out_features=84, bias=True)
  (fc3): Linear(in_features=84, out_features=10, bias=True)
)

你刚定义了一个前馈函数，然后反向传播函数被自动通过 autograd 定义了。你可以使用任何张量操作在前馈函数上。

一个模型可训练的参数可以通过调用 net.parameters() 返回：

params = list(net.parameters())
print(len(params))
print(params[0].size())  # conv1's .weight

输出：

10
torch.Size([6, 1, 5, 5])

让我们尝试随机生成一个 32x32 的输入。注意：期望的输入维度是 32x32 。为了使用这个网络在 MNIST 数据及上，你需要把数据集中的图片维度修改为 32x32。

input = torch.randn(1, 1, 32, 32)
out = net(input)
print(out)

输出：

tensor([[-0.0233,  0.0159, -0.0249,  0.1413,  0.0663,  0.0297, -0.0940, -0.0135,
          0.1003, -0.0559]], grad_fn=<AddmmBackward>)

把所有参数梯度缓存器置零，用随机的梯度来反向传播

net.zero_grad()
out.backward(torch.randn(1, 10))

在继续之前，让我们复习一下所有见过的类。

torch.Tensor - A multi-dimensional array with support for autograd operations like backward(). Also holds the gradient w.r.t. the tensor. nn.Module - Neural network module. Convenient way of encapsulating parameters, with helpers for moving them to GPU, exporting, loading, etc. nn.Parameter - A kind of Tensor, that is automatically registered as a parameter when assigned as an attribute to a Module. autograd.Function - Implements forward and backward definitions of an autograd operation. Every Tensor operation, creates at least a single Function node, that connects to functions that created a Tensor and encodes its history.

在此，我们完成了：

1.定义一个神经网络

2.处理输入以及调用反向传播

还剩下：

1.计算损失值

2.更新网络中的权重

损失函数

一个损失函数需要一对输入：模型输出和目标，然后计算一个值来评估输出距离目标有多远。

有一些不同的损失函数在 nn 包中。一个简单的损失函数就是 nn.MSELoss ，这计算了均方误差。

例如：

output = net(input)
target = torch.randn(10)  # a dummy target, for example
target = target.view(1, -1)  # make it the same shape as output
criterion = nn.MSELoss()

loss = criterion(output, target)
print(loss)

输出：

tensor(1.3389, grad_fn=<MseLossBackward>)

现在，如果你跟随损失到反向传播路径，可以使用它的 .grad_fn 属性，你将会看到一个这样的计算图：

input -> conv2d -> relu -> maxpool2d -> conv2d -> relu -> maxpool2d
      -> view -> linear -> relu -> linear -> relu -> linear
      -> MSELoss
      -> loss

所以，当我们调用 loss.backward()，整个图都会微分，而且所有的在图中的requires_grad=True 的张量将会让他们的 grad 张量累计梯度。

为了演示，我们将跟随以下步骤来反向传播。

print(loss.grad_fn)  # MSELoss
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0])  # Linear
print(loss.grad_fn.next_functions[0][0].next_functions[0][0])  # ReLU

输出：

<MseLossBackward object at 0x7fab77615278>
<AddmmBackward object at 0x7fab77615940>
<AccumulateGrad object at 0x7fab77615940>

反向传播

为了实现反向传播损失，我们所有需要做的事情仅仅是使用 loss.backward()。你需要清空现存的梯度，要不然帝都将会和现存的梯度累计到一起。

现在我们调用 loss.backward() ，然后看一下 con1 的偏置项在反向传播之前和之后的变化。

net.zero_grad()     # zeroes the gradient buffers of all parameters

print('conv1.bias.grad before backward')
print(net.conv1.bias.grad)

loss.backward()

print('conv1.bias.grad after backward')
print(net.conv1.bias.grad)

输出：

conv1.bias.grad before backward
tensor([0., 0., 0., 0., 0., 0.])
conv1.bias.grad after backward
tensor([-0.0054,  0.0011,  0.0012,  0.0148, -0.0186,  0.0087])

现在我们看到了，如何使用损失函数。

唯一剩下的事情就是更新神经网络的参数。

更新神经网络参数：

最简单的更新规则就是随机梯度下降。

weight = weight - learning_rate * gradient

我们可以使用 python 来实现这个规则：

learning_rate = 0.01
for f in net.parameters():
    f.data.sub_(f.grad.data * learning_rate)

尽管如此，如果你是用神经网络，你想使用不同的更新规则，类似于 SGD, Nesterov-SGD, Adam, RMSProp, 等。为了让这可行，我们建立了一个小包：torch.optim 实现了所有的方法。使用它非常的简单。

import torch.optim as optim
# create your optimizer 
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.01)

# in your training loop: optimizer.zero_grad() 
# zero the gradient buffers 
output = net(input) 
loss = criterion(output, target) 
loss.backward() 
optimizer.step() # Does the update

Pytoch图像分类器

你已经了解了如何定义神经网络，计算损失值和网络里权重的更新。

现在你也许会想应该怎么处理数据？

通常来说，当你处理图像，文本，语音或者视频数据时，你可以使用标准 python 包将数据加载成 numpy 数组格式，然后将这个数组转换成 torch.*Tensor

对于图像，可以用 Pillow，OpenCV
对于语音，可以用 scipy，librosa
对于文本，可以直接用 Python 或 Cython 基础数据加载模块，或者用 NLTK 和 SpaCy

特别是对于视觉，我们已经创建了一个叫做 totchvision 的包，该包含有支持加载类似Imagenet，CIFAR10，MNIST 等公共数据集的数据加载模块 torchvision.datasets 和支持加载图像数据数据转换模块 torch.utils.data.DataLoader。

这提供了极大的便利，并且避免了编写“样板代码”。

对于本教程，我们将使用CIFAR10数据集，它包含十个类别：‘airplane’, ‘automobile’, ‘bird’, ‘cat’, ‘deer’, ‘dog’, ‘frog’, ‘horse’, ‘ship’, ‘truck’。CIFAR-10 中的图像尺寸为33232，也就是RGB的3层颜色通道，每层通道内的尺寸为32*32。

训练一个图像分类器

我们将按次序的做如下几步：

使用torchvision加载并且归一化CIFAR10的训练和测试数据集
定义一个卷积神经网络
定义一个损失函数
在训练样本数据上训练网络
在测试样本数据上测试网络

加载并归一化 CIFAR10 使用 torchvision ,用它来加载 CIFAR10 数据非常简单。

import torch
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

torchvision 数据集的输出是范围在[0,1]之间的 PILImage，我们将他们转换成归一化范围为[-1,1]之间的张量 Tensors。

transform = transforms.Compose(
    [transforms.ToTensor(),
     transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))])
trainset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=True, download=True, transform=transform) trainloader = torch.utils.data.DataLoader(trainset, batch_size=4, shuffle=True, num_workers=2)

testset = torchvision.datasets.CIFAR10(root='./data', train=False, download=True, transform=transform) testloader = torch.utils.data.DataLoader(testset, batch_size=4, shuffle=False, num_workers=2)

classes = ('plane', 'car', 'bird', 'cat', 'deer', 'dog', 'frog', 'horse', 'ship', 'truck')

输出：

Downloading https://www.cs.toronto.edu/~kriz/cifar-10-python.tar.gz to ./data/cifar-10-python.tar.gz
Files already downloaded and verified

让我们来展示其中的一些训练图片。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

# functions to show an image


def imshow(img):
    img = img / 2 + 0.5     # unnormalize
    npimg = img.numpy()
    plt.imshow(np.transpose(npimg, (1, 2, 0)))
    plt.show()


# get some random training images
dataiter = iter(trainloader)
images, labels = dataiter.next()

# show images
imshow(torchvision.utils.make_grid(images))
# print labels
print(' '.join('%5s' % classes[labels[j]] for j in range(4)))

输出：

cat plane  ship  frog

定义一个卷积神经网络在这之前先从神经网络章节复制神经网络，并修改它为3通道的图片(在此之前它被定义为1通道)

import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
class Net(nn.Module): 
    def init(self): 
        super(Net, self).init() 
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5) 
        self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2) 
        self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5) 
        self.fc1 = nn.Linear(16 5 5, 120) 
        self.fc2 = nn.Linear(120, 84) 
        self.fc3 = nn.Linear(84, 10)

    def forward(self,x):
        x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))
        x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))
        x = x.view(-1,16*5*5)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = F.relu(self.fc2(x))
        x = self.fc3(x)
        return x

net = Net()

定义一个损失函数和优化器让我们使用分类交叉熵Cross-Entropy 作损失函数，动量SGD做优化器。

import torch.optim as optim
criterion = nn.CrossEntropyLoss() 
optimizer = optim.SGD(net.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)

训练网络这里事情开始变得有趣，我们只需要在数据迭代器上循环传给网络和优化器输入就可以。

for epoch in range(2):  # loop over the dataset multiple times
    running_loss = 0.0 
    for i,data in enumerate(trainloader,0):
        # get the inputs
        inputs,labels = data 
        # zero the parameter gradients
        optimizer.zero_grad()
        # forward + backward + optimize

        outputs = net(inputs)
        
        loss = criterion(outputs,labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()
        # print statistics
        running_loss += loss.item()
        if i % 2000 == 1999: # print every 2000 mini-batches
            print('[%d,%5d] loss: %.3f'%(epoch+1,i+1,running_loss/2000))
        running_loss = 0.0

print('Finished Training')

输出：

[1,  2000] loss: 2.187
[1,  4000] loss: 1.852
[1,  6000] loss: 1.672
[1,  8000] loss: 1.566
[1, 10000] loss: 1.490
[1, 12000] loss: 1.461
[2,  2000] loss: 1.389
[2,  4000] loss: 1.364
[2,  6000] loss: 1.343
[2,  8000] loss: 1.318
[2, 10000] loss: 1.282
[2, 12000] loss: 1.286
Finished Training

在测试集上测试网络我们已经通过训练数据集对网络进行了2次训练，但是我们需要检查网络是否已经学到了东西。

我们将用神经网络的输出作为预测的类标来检查网络的预测性能，用样本的真实类标来校对。如果预测是正确的，我们将样本添加到正确预测的列表里。

好的，第一步，让我们从测试集中显示一张图像来熟悉它。

输出：

GroundTruth:    cat  ship  ship plane

现在让我们看看神经网络认为这些样本应该预测成什么：

outputs = net(images)

输出是预测与十个类的近似程度，与某一个类的近似程度越高，网络就越认为图像是属于这一类别。所以让我们打印其中最相似类别类标：

_, predicted = torch.max(outputs, 1)
print('Predicted: ', ' '.join('%5s' % classes[predicted[j]] for j in range(4)))

输出：

Predicted:    cat  ship   car  ship

结果看起开非常好，让我们看看网络在整个数据集上的表现。

correct = 0

total = 0
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        outputs = net(images)
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total += labels.size(0)
        correct += (predicted == labels).sum().item()
print('Accuracy of the network on the 10000 test images: %d %%' % ( 100 * correct / total))

输出：

Accuracy of the network on the 10000 test images: 54 %

这看起来比随机预测要好，随机预测的准确率为10%（随机预测出为10类中的哪一类）。看来网络学到了东西。

class_correct = list(0. for i in range(10))
class_total = list(0. for i in range(10))
with torch.no_grad():
    for data in testloader:
        images, labels = data
        outputs = net(images)
        _, predicted = torch.max(outputs, 1)
        c = (predicted == labels).squeeze()
        for i in range(4):
            label = labels[i]
            class_correct[label] += c[i].item()
            class_total[label] += 1
for i in range(10): print('Accuracy of %5s : %2d %%' % ( classes[i], 100 * class_correct[i] / class_total[i]))

输出：

Accuracy of plane : 57 %
Accuracy of   car : 73 %
Accuracy of  bird : 49 %
Accuracy of   cat : 54 %
Accuracy of  deer : 18 %
Accuracy of   dog : 20 %
Accuracy of  frog : 58 %
Accuracy of horse : 74 %
Accuracy of  ship : 70 %
Accuracy of truck : 66 %

所以接下来呢？

我们怎么在GPU上跑这些神经网络？

在GPU上训练就像你怎么把一个张量转移到GPU上一样，你要将神经网络转到GPU上。如果CUDA可以用，让我们首先定义下我们的设备为第一个可见的cuda设备。

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# Assume that we are on a CUDA machine, then this should print a CUDA device:

print(device)

输出：

cuda:0

本节剩余部分都会假定设备就是台CUDA设备。

接着这些方法会递归地遍历所有模块，并将它们的参数和缓冲器转换为CUDA张量。

net.to(device)

记住你也必须在每一个步骤向GPU发送输入和目标：

inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

为什么没有注意到与CPU相比巨大的加速？因为你的网络非常小。

练习：尝试增加你的网络宽度（首个 nn.Conv2d 参数设定为 2，第二个nn.Conv2d参数设定为1--它们需要有相同的个数），看看会得到怎么的速度提升。

目标：

深度理解了PyTorch的张量和神经网络
训练了一个小的神经网络来分类图像

在多个GPU上训练

如果你想要来看到大规模加速，使用你的所有GPU，请查看：数据并行性（https://pytorch.org/tutorials/beginner/blitz/data_parallel_tutorial.html）。PyTorch 60 分钟入门教程：数据并行处理

PyTorch 60 分钟入门教程：数据并行处理 | PyTorch

PyTorch 数据并行处理

可选择：数据并行处理（文末有完整代码下载）作者：Sung Kim 和 Jenny Kang

在这个教程中，我们将学习如何用 DataParallel 来使用多 GPU。通过 PyTorch 使用多个 GPU 非常简单。你可以将模型放在一个 GPU：

 device = torch.device("cuda:0")
 model.to(device)

然后，你可以复制所有的张量到 GPU：

 mytensor = my_tensor.to(device)

请注意，只是调用 my_tensor.to(device) 返回一个 my_tensor 新的复制在GPU上，而不是重写 my_tensor。你需要分配给他一个新的张量并且在 GPU 上使用这个张量。

在多 GPU 中执行前馈，后馈操作是非常自然的。尽管如此，PyTorch 默认只会使用一个 GPU。通过使用 DataParallel 让你的模型并行运行，你可以很容易的在多 GPU 上运行你的操作。

model = nn.DataParallel(model)

这是整个教程的核心，我们接下来将会详细讲解。引用和参数

引入 PyTorch 模块和定义参数

 import torch
 import torch.nn as nn
 from torch.utils.data import Dataset, DataLoader

参数

 input_size = 5
 output_size = 2

 batch_size = 30
 data_size = 100

设备

device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

实验（玩具）数据

生成一个玩具数据。你只需要实现 getitem.

class RandomDataset(Dataset):

    def __init__(self, size, length):
        self.len = length
        self.data = torch.randn(length, size)

    def __getitem__(self, index):
        return self.data[index]

    def __len__(self):
        return self.len

rand_loader = DataLoader(dataset=RandomDataset(input_size, data_size),batch_size=batch_size, shuffle=True)

简单模型

为了做一个小 demo，我们的模型只是获得一个输入，执行一个线性操作，然后给一个输出。尽管如此，你可以使用 DataParallel 在任何模型(CNN, RNN, Capsule Net 等等.)

我们放置了一个输出声明在模型中来检测输出和输入张量的大小。请注意在 batch rank 0 中的输出。

class Model(nn.Module):
    # Our model

    def __init__(self, input_size, output_size):
        super(Model, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(input_size, output_size)

    def forward(self, input):
        output = self.fc(input)
        print("\tIn Model: input size", input.size(),
              "output size", output.size())

        return output

创建模型并且数据并行处理

这是整个教程的核心。首先我们需要一个模型的实例，然后验证我们是否有多个 GPU。如果我们有多个 GPU，我们可以用 nn.DataParallel 来包裹我们的模型。然后我们使用 model.to(device) 把模型放到多 GPU 中。

model = Model(input_size, output_size)
if torch.cuda.device_count() > 1:
  print("Let's use", torch.cuda.device_count(), "GPUs!")
  # dim = 0 [30, xxx] -> [10, ...], [10, ...], [10, ...] on 3 GPUs
  model = nn.DataParallel(model)

model.to(device)

输出：

Let's use 2 GPUs!

运行模型：

现在我们可以看到输入和输出张量的大小了。

for data in rand_loader:
    input = data.to(device)
    output = model(input)
    print("Outside: input size", input.size(),
          "output_size", output.size())

输出：

In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
        In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
        In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])
        In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])
Outside: input size torch.Size([10, 5]) output_size torch.Size([10, 2])

结果：

如果你没有 GPU 或者只有一个 GPU，当我们获取 30 个输入和 30 个输出，模型将期望获得 30 个输入和 30 个输出。但是如果你有多个 GPU ，你会获得这样的结果。

多 GPU

如果你有 2 个GPU，你会看到：

# on 2 GPUs
Let's use 2 GPUs!
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
    In Model: input size torch.Size([15, 5]) output size torch.Size([15, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])
    In Model: input size torch.Size([5, 5]) output size torch.Size([5, 2])
Outside: input size torch.Size([10, 5]) output_size torch.Size([10, 2])

如果你有 3个GPU，你会看到：

Let's use 3 GPUs!
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
    In Model: input size torch.Size([10, 5]) output size torch.Size([10, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
Outside: input size torch.Size([10, 5]) output_size torch.Size([10, 2])

如果你有 8个GPU，你会看到：

Let's use 8 GPUs!
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([4, 5]) output size torch.Size([4, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
Outside: input size torch.Size([30, 5]) output_size torch.Size([30, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
    In Model: input size torch.Size([2, 5]) output size torch.Size([2, 2])
Outside: input size torch.Size([10, 5]) output_size torch.Size([10, 2])