13個你一定來看看的PyTorch特性！

作者：MARCIN ZAB?OCKIMARCIN ZAB?OCKI

編譯：ronghuaiyang（AI公園）

導(dǎo)讀

PyTorch使用上的13個特性，確實非常的有用。

PyTorch在學術(shù)界和工業(yè)界的應(yīng)用研究中都獲得了很多關(guān)注。它是一個具有很大靈活性的深度學習框架，使用了大量的實用工具和函數(shù)來加快工作速度。PyTorch的學習曲線并不是那么陡峭，但在其中實現(xiàn)高效和干凈的代碼可能會很棘手。在使用它超過2年之后，以下是我最喜歡的PyTorch功能，我希望我一開始學習它就知道。

1. DatasetFolder

當學習PyTorch時，人們首先要做的事情之一是實現(xiàn)自己的某種Dataset 。這是一個低級錯誤，沒有必要浪費時間寫這樣的東西。通常，數(shù)據(jù)集要么是數(shù)據(jù)列表（或者是numpy數(shù)組），要么磁盤上的文件。所以，把數(shù)據(jù)在磁盤上組織好，要比寫一個自定義的Dataset來加載某種奇怪的格式更好。

分類器最常見的數(shù)據(jù)格式之一，是有一個帶有子文件夾的目錄，子文件夾表示類，子文件夾中的文件表示樣本，如下所示。

folder/class_0/file1.txt

folder/class_0/file2.txt

folder/class_0/。。.

folder/class_1/file3.txt

folder/class_1/file4.txt

folder/class_2/file5.txt

folder/class_2/。。.

有一個內(nèi)置的方式來加載這類數(shù)據(jù)集，不管你的數(shù)據(jù)是圖像，文本文件或其他什么，只要使用‘DatasetFolder就可以了。令人驚訝的是，這個類是torchvision包的一部分，而不是核心PyTorch。這個類非常全面，你可以從文件夾中過濾文件，使用自定義代碼加載它們，并動態(tài)轉(zhuǎn)換原始文件。例子：

from torchvision.datasets import DatasetFolder

from pathlib import Path

# I have text files in this folder

ds = DatasetFolder（“/Users/marcin/Dev/tmp/my_text_dataset”，

loader=lambda path： Path（path）.read_text（），

extensions=（“.txt”，）， #only load .txt files

transform=lambda text： text［：100］， # only take first 100 characters

）

# Everything you need is already there

len（ds）， ds.classes， ds.class_to_idx

（20， ［’novels‘， ’thrillers‘］， {’novels‘： 0， ’thrillers‘： 1}）

如果你在處理圖像，還有一個torchvision.datasets.ImageFolder類，它基于DatasetLoader，它被預(yù)先配置為加載圖像。

2. 盡量少用 .to（device） ，用 zeros_like / ones_like 之類的代替

我讀過很多來自GitHub倉庫的PyTorch代碼。最讓我惱火的是，幾乎在每個repo中都有許多*.to（device）行，它們將數(shù)據(jù)從CPU或GPU轉(zhuǎn)移到其他地方。這樣的語句通常會出現(xiàn)在大量的repos或初學者教程中。我強烈建議盡可能少地實現(xiàn)這類操作，并依賴內(nèi)置的PyTorch功能自動實現(xiàn)這類操作。到處使用.to（device）通常會導(dǎo)致性能下降，還會出現(xiàn)異常：

Expected object of device type cuda but got device type cpu

顯然，有些情況下你無法回避它，但大多數(shù)情況（如果不是全部）都在這里。其中一種情況是初始化一個全0或全1的張量，這在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算損失的的時候是經(jīng)常發(fā)生的，模型的輸出已經(jīng)在cuda上了，你需要另外的tensor也是在cuda上，這時，你可以使用*_like操作符：

my_output # on any device， if it’s cuda then my_zeros will also be on cuda

my_zeros = torch.zeros_like（my_output_from_model）

在內(nèi)部，PyTorch所做的是調(diào)用以下操作：

my_zeros = torch.zeros（my_output.size（）， dtype=my_output.dtype， layout=my_output.layout， device=my_output.device）

所以所有的設(shè)置都是正確的，這樣就減少了代碼中出現(xiàn)錯誤的概率。類似的操作包括：

torch.zeros_like（）

torch.ones_like（）

torch.rand_like（）

torch.randn_like（）

torch.randint_like（）

torch.empty_like（）

torch.full_like（）

3. Register Buffer （ nn.Module.register_buffer）

這將是我勸人們不要到處使用 .to（device） 的下一步。有時，你的模型或損失函數(shù)需要有預(yù)先設(shè)置的參數(shù)，并在調(diào)用forward時使用，例如，它可以是一個“權(quán)重”參數(shù)，它可以縮放損失或一些固定張量，它不會改變，但每次都使用。對于這種情況，請使用nn.Module.register_buffer 方法，它告訴PyTorch將傳遞給它的值存儲在模塊中，并將這些值隨模塊一起移動。如果你初始化你的模塊，然后將它移動到GPU，這些值也會自動移動。此外，如果你保存模塊的狀態(tài)，buffers也會被保存！

一旦注冊，這些值就可以在forward函數(shù)中訪問，就像其他模塊的屬性一樣。

from torch import nn

import torch

class ModuleWithCustomValues（nn.Module）：

def __init__（self， weights， alpha）：

super（）.__init__（）

self.register_buffer（“weights”， torch.tensor（weights））

self.register_buffer（“alpha”， torch.tensor（alpha））

def forward（self， x）：

return x * self.weights + self.alpha

m = ModuleWithCustomValues（

weights=［1.0， 2.0］， alpha=1e-4

）

m（torch.tensor（［1.23， 4.56］））

tensor（［1.2301， 9.1201］）

4. Built-in Identity（）

有時候，當你使用遷移學習時，你需要用1:1的映射替換一些層，可以用nn.Module來實現(xiàn)這個目的，只返回輸入值。PyTorch內(nèi)置了這個類。

例子，你想要在分類層之前從一個預(yù)訓(xùn)練過的ResNet50獲取圖像表示。以下是如何做到這一點：

from torchvision.models import resnet50

model = resnet50（pretrained=True）

model.fc = nn.Identity（）

last_layer_output = model（torch.rand（（1， 3， 224， 224）））

last_layer_output.shape

torch.Size（［1， 2048］）

5. Pairwise distances： torch.cdist

下次當你遇到計算兩個張量之間的歐幾里得距離（或者一般來說：p范數(shù)）的問題時，請記住torch.cdist。它確實做到了這一點，并且在使用歐幾里得距離時還自動使用矩陣乘法，從而提高了性能。

points1 = torch.tensor（［［0.0， 0.0］， ［1.0， 1.0］， ［2.0， 2.0］］）

points2 = torch.tensor（［［0.0， 0.0］， ［-1.0， -1.0］， ［-2.0， -2.0］， ［-3.0， -3.0］］） # batches don‘t have to be equal

torch.cdist（points1， points2， p=2.0）

tensor（［［0.0000， 1.4142， 2.8284， 4.2426］，

［1.4142， 2.8284， 4.2426， 5.6569］，

［2.8284， 4.2426， 5.6569， 7.0711］］）

沒有矩陣乘法或有矩陣乘法的性能，在我的機器上使用mm時，速度快了2倍以上。

%%timeit

points1 = torch.rand（（512， 2））

points2 = torch.rand（（512， 2））

torch.cdist（points1， points2， p=2.0， compute_mode=“donot_use_mm_for_euclid_dist”）

867μs±142μs per loop （mean±std. dev. of 7 run， 1000 loop each）

%%timeit

points1 = torch.rand（（512， 2））

points2 = torch.rand（（512， 2））

torch.cdist（points1， points2， p=2.0）

417μs±52.9μs per loop （mean±std. dev. of 7 run， 1000 loop each）

6. Cosine similarity： F.cosine_similarity

與上一點相同，計算歐幾里得距離并不總是你需要的東西。當處理向量時，通常余弦相似度是選擇的度量。PyTorch也有一個內(nèi)置的余弦相似度實現(xiàn)。

import torch.nn.functional as F

vector1 = torch.tensor（［0.0， 1.0］）

vector2 = torch.tensor（［0.05， 1.0］）

print（F.cosine_similarity（vector1， vector2， dim=0））

vector3 = torch.tensor（［0.0， -1.0］）

print（F.cosine_similarity（vector1， vector3， dim=0））

tensor（0.9988）

tensor（-1.）

PyTorch中批量計算余弦距離

import torch.nn.functional as F

batch_of_vectors = torch.rand（（4， 64））

similarity_matrix = F.cosine_similarity（batch_of_vectors.unsqueeze（1）， batch_of_vectors.unsqueeze（0）， dim=2）

similarity_matrix

tensor（［［1.0000， 0.6922， 0.6480， 0.6789］，

［0.6922， 1.0000， 0.7143， 0.7172］，

［0.6480， 0.7143， 1.0000， 0.7312］，

［0.6789， 0.7172， 0.7312， 1.0000］］）

7. 歸一化向量： F.normalize

最后一點仍然與向量和距離有松散的聯(lián)系，那就是歸一化：通常是通過改變向量的大小來提高計算的穩(wěn)定性。最常用的歸一化是L2，可以在PyTorch中按如下方式應(yīng)用：

vector = torch.tensor（［99.0， -512.0， 123.0， 0.1， 6.66］）

normalized_vector = F.normalize（vector， p=2.0， dim=0）

normalized_vector

tensor（［ 1.8476e-01， -9.5552e-01， 2.2955e-01， 1.8662e-04， 1.2429e-02］）

在PyTorch中執(zhí)行歸一化的舊方法是：

vector = torch.tensor（［99.0， -512.0， 123.0， 0.1， 6.66］）

normalized_vector = vector / torch.norm（vector， p=2.0）

normalized_vector

tensor（［ 1.8476e-01， -9.5552e-01， 2.2955e-01， 1.8662e-04， 1.2429e-02］）

在PyTorch中批量進行L2歸一化

batch_of_vectors = torch.rand（（4， 64））

normalized_batch_of_vectors = F.normalize（batch_of_vectors， p=2.0， dim=1）

normalized_batch_of_vectors.shape， torch.norm（normalized_batch_of_vectors， dim=1） # all vectors will have length of 1.0

（torch.Size（［4， 64］）， tensor（［1.0000， 1.0000， 1.0000， 1.0000］））

8. 線性層 + 分塊技巧 （torch.chunk）

這是我最近發(fā)現(xiàn)的一個有創(chuàng)意的技巧。假設(shè)你想把你的輸入映射到N個不同的線性投影中。你可以通過創(chuàng)建N個nn.Linear來做到這一點?；蛘吣阋部梢詣?chuàng)建一個單一的線性層，做一個向前傳遞，然后將輸出分成N塊。這種方法通常會帶來更高的性能，所以這是一個值得記住的技巧。

d = 1024

batch = torch.rand（（8， d））

layers = nn.Linear（d， 128， bias=False）， nn.Linear（d， 128， bias=False）， nn.Linear（d， 128， bias=False）

one_layer = nn.Linear（d， 128 * 3， bias=False）

%%timeit

o1 = layers［0］（batch）

o2 = layers［1］（batch）

o3 = layers［2］（batch）

289 μs ± 30.8 μs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

%%timeit

o1， o2， o3 = torch.chunk（one_layer（batch）， 3， dim=1）

202 μs ± 8.09 μs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

9. Masked select （torch.masked_select）

有時你只需要對輸入張量的一部分進行計算。給你一個例子：你想計算的損失只在滿足某些條件的張量上。為了做到這一點，你可以使用torch.masked_select，注意，當需要梯度時也可以使用這個操作。

data = torch.rand（（3， 3））.requires_grad_（）

print（data）

mask = data 》 data.mean（）

print（mask）

torch.masked_select（data， mask）

tensor（［［0.0582， 0.7170， 0.7713］，

［0.9458， 0.2597， 0.6711］，

［0.2828， 0.2232， 0.1981］］， requires_grad=True）

tensor（［［False， True， True］，

［ True， False， True］，

［False， False， False］］）

tensor（［0.7170， 0.7713， 0.9458， 0.6711］， grad_fn=《MaskedSelectBackward》）

直接在tensor上應(yīng)用mask

類似的行為可以通過使用mask作為輸入張量的 “indexer”來實現(xiàn)。

data［mask］

tensor（［0.7170， 0.7713， 0.9458， 0.6711］， grad_fn=《IndexBackward》）

有時，一個理想的解決方案是用0填充mask中所有的False值，可以這樣做：

data * mask

tensor（［［0.0000， 0.7170， 0.7713］，

［0.9458， 0.0000， 0.6711］，

［0.0000， 0.0000， 0.0000］］， grad_fn=《MulBackward0》）

10. 使用 torch.where來對tensors加條件

當你想把兩個張量結(jié)合在一個條件下這個函數(shù)很有用，如果條件是真，那么從第一個張量中取元素，如果條件是假，從第二個張量中取元素。

x = torch.tensor（［1.0， 2.0， 3.0， 4.0， 5.0］， requires_grad=True）

y = -x

condition_or_mask = x 《= 3.0

torch.where（condition_or_mask， x， y）

tensor（［ 1.， 2.， 3.， -4.， -5.］， grad_fn=《SWhereBackward》）

11. 在給定的位置給張量填入值（Tensor.scatter）

這個函數(shù)的用例如下，你想用給定位置下另一個張量的值填充一個張量。一維張量更容易理解，所以我將先展示它，然后繼續(xù)更高級的例子。

data = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

data.scatter（0， index， values）

tensor（［-1， -2， 3， 4， 5］）

上面的例子很簡單，但是現(xiàn)在看看如果將index改為index = torch.tensor（［0， 1， 4］）會發(fā)生什么：

data = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1， 4］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

data.scatter（0， index， values）

tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］）

為什么最后一個值是-3，這是反直覺的，對吧？這是PyTorch scatter函數(shù)的中心思想。index變量表示data張量的第i個值應(yīng)該放在values張量的哪個位置。我希望下面的簡單python版的這個操作能讓你更明白：

data_orig = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1， 4］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

scattered = data_orig.scatter（0， index， values）

data = data_orig.clone（）

for idx_in_values， where_to_put_the_value in enumerate（index）：

what_value_to_put = values［idx_in_values］

data［where_to_put_the_value］ = what_value_to_put

data， scattered

（tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］）， tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］））

2D數(shù)據(jù)的PyTorch scatter例子

始終記住，index的形狀與values的形狀相關(guān)，而index中的值對應(yīng)于data中的位置。

data = torch.zeros（（4， 4））.float（）

index = torch.tensor（［

［0， 1］，

［2， 3］，

［0， 3］，

［1， 2］

］）

values = torch.arange（1， 9）.float（）.view（4， 2）

values， data.scatter（1， index， values）

（tensor（［［1.， 2.］，

［3.， 4.］，

［5.， 6.］，

［7.， 8.］］），

tensor（［［1.， 2.， 0.， 0.］，

［0.， 0.， 3.， 4.］，

［5.， 0.， 0.， 6.］，

［0.， 7.， 8.， 0.］］））

12. 在網(wǎng)絡(luò)中進行圖像插值 （F.interpolate）

當我學習PyTorch時，我驚訝地發(fā)現(xiàn)，實際上可以在前向傳遞中調(diào)整圖像（或任何中間張量），并保持梯度流。這種方法在使用CNN和GANs時特別有用。

# image from https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_female_British_Shorthair_at_the_age_of_20_months.jpg

img = Image.open（“。/cat.jpg”）

img

to_pil_image（

F.interpolate（to_tensor（img）.unsqueeze（0）， # batch of size 1

mode=“bilinear”，

scale_factor=2.0，

align_corners=False）.squeeze（0） # remove batch dimension

）

看看梯度流是如何保存的：

F.interpolate（to_tensor（img）.unsqueeze（0）.requires_grad_（），

mode=“bicubic”，

scale_factor=2.0，

align_corners=False）

tensor（［［［［0.9216， 0.9216， 0.9216， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

［0.9214， 0.9214， 0.9214， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

［0.9212， 0.9212， 0.9212， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

。。.，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3592， 0.3486， 0.3421］，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3566， 0.3463， 0.3400］，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3550， 0.3449， 0.3387］］，

［［0.6627， 0.6627， 0.6627， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

［0.6626， 0.6626， 0.6626， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

［0.6623， 0.6623， 0.6623， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

。。.，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3631， 0.3525， 0.3461］，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3605， 0.3502， 0.3439］，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3589， 0.3488， 0.3426］］，

［［0.4353， 0.4353， 0.4353， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

［0.4352， 0.4352， 0.4352， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

［0.4349， 0.4349， 0.4349， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

。。.，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3827， 0.3721， 0.3657］，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3801， 0.3698， 0.3635］，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3785， 0.3684， 0.3622］］］］，

grad_fn=《UpsampleBicubic2DBackward1》）

13. 將圖像做成網(wǎng)格 （torchvision.utils.make_grid）

當使用PyTorch和torchvision時，不需要使用matplotlib或一些外部庫來復(fù)制粘貼代碼來顯示圖像網(wǎng)格。只要使用torchvision.utils.make_grid就行了。

from torchvision.utils import make_grid

from torchvision.transforms.functional import to_tensor， to_pil_image

from PIL import Image

img = Image.open（“。/cat.jpg”）

to_pil_image（

make_grid（

［to_tensor（i） for i in ［img， img， img］］，

nrow=2， # number of images in single row

padding=5 # “frame” size

）

）

英文原文：https://zablo.net/blog/post/pytorch-13-features-you-should-know/

編輯：jq