深度学习基础：4.Pytorch搭建基础网络模型

这个专栏停更了一段时间，现在重新开始，巩固基础才能看懂复杂代码。

Torch基本架构

使用Pytorch之前，首先要理清楚Pytorch基本架构。 Pytorch的核心库是torch，根据不同领域细分可以分成计算机视觉、自然语言处理和语音处理，这三个领域分别有自己对应的库，即torchvision、torchtext、torchaudio。

核心库Torch中，根据功能又可以细分成下面几个模块。

正向传播结构

下面就用Pytorch搭建一个简单的正向传播结构。

首先导库，这里需要三个库，torch基本库不必说，nn即neural network，包含了神经网络结构的基本元素。functional 包含了损失函数和激活函数。

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

之后进行数据生成 这里manual_seed是固定人为的随机种子，因为不固定该值，每次运行时神经网络各层的初始权重/偏置会进行随机初始化，导致结果不稳定。 X是生成(500,20)的数据，注意必须指定其数据格式为浮点型(float32)，否则默认为整型。 y是随机生成500条(0,3]之间的数，注意y也是浮点型，因为在后面损失函数计算时需要浮点型数据。

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torch.random.manual_seed(103)
X = torch.rand((500,20), dtype=torch.float32)
y = torch.randint(low=0,high=3,size=(500,1), dtype=torch.float32)

接下来就到了最核心的搭建网络结构模块

• 1、定义模型类，注意要继承于nn.Module
• 2、在初始化函数中继承父类的初始化函数 super(Model,self).__init__()，这是由于python的继承机制不会继承父类的 __init__
• 3、指定输入输出神经元数目in_features和out_features，这并不是必须的，但是如果把输入输出作为参数进行传递，会增强模型的通用性。
• 4、构造Linear线性层，注意一个线性层输出和下一个线性层的输入个数需相等，否则无法计算(原理上就是矩阵相乘)
• 5、构造forward函数，实现前向传播过程，指定每一层的输入输出和激活函数。

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class Model(nn.Module):
    def __init__(self,in_features=10, out_features=2):
        """
        in_features: 输入该神经网络的特征数目（输入层上的神经元的数目）
        out_features：神经网络的输出的数目（输出层上的神经元的数目）
        """
        super(Model,self).__init__()
        self.linear1 = nn.Linear(in_features,13,bias=True)
        self.linear2 = nn.Linear(13,8,bias=True)
        self.output = nn.Linear(8,out_features,bias=True)
    
    def forward(self,x): #神经网络的向前传播
        z1 = self.linear1(x)
        sigma1 = torch.relu(z1)
        z2 = self.linear2(sigma1)
        sigma2 = torch.sigmoid(z2)
        z3 = self.output(sigma2)
        sigma3 = F.softmax(z3,dim=1)
        return sigma3

之后实例化网络，注意在此之前要限定输入输出的个数，这里选择输入即X的特征维度20，输出y不同的数值(假设为分类问题，输出不同的类别)

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input_ = X.shape[1]
output_ = len(y.unique())
net = Model(in_features=input_, out_features = output_)

调用模型，实现正向传播有下面两种书写方式：

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# 方式一
y_hat = net.forward(X)
# 方式二
y_hat = net(X)

两者的区别是方式一只会调用forward函数内容，方式二回调用除 __init__之外的所有函数内容，因此更推荐第一种写法。 这样执行之后，输入向量维度为(500,20),输出结果为(500,3)，即对每一条数据都根据20个特征得到了分类结果。

除此之外，可以用下面的语句查看每一层的参数。比如，查看linear1层的权重和偏置。

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# 查看权重
net.linear1.weight
# 查看偏置
net.linear1.bias

使用net.linear1.weight.shape查看linear1层的维度，输出为(13,20)，然而linear1层的输入为20，输出为13，这是由于在公式计算中，权重w会被转置再进行矩阵乘法运算。

损失函数

有了正向传播结构之后，就自然需要计算损失，反向传播。在此之前，有必要先了解一些损失函数的API。

回归损失函数

对于回归问题，比较常见的损失函数是SSE和MSE，两者的公式如下：

在Pytoch中，可以这样进行调用。

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from torch.nn import MSELoss 

# 生成随机数据
yhat = torch.randn(size=(50,),dtype=torch.float32)
y = torch.randn(size=(50,),dtype=torch.float32)
# SSE
criterion = MSELoss(reduction = "sum")
loss = criterion(yhat,y)
# MSE
criterion = MSELoss(reduction = "mean") 
loss = criterion(yhat,y)

分类损失函数

对于分类问题，最常采用的是交叉熵损失，比如二分类交叉熵损失函数如下：

Pytorch中，BCELoss和BCEWithLogitsLoss均能实现此功能，但后者的精度更高，不过一般来说，BCELoss基本够用。

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from torch.nn import BCELoss, BCEWithLogitsLoss

# 生成随机数据
yhat = torch.randint(low=0,high=2,size=(10,1),dtype=torch.float32)
y = torch.randint(low=0,high=2,size=(10,1),dtype=torch.float32)
# 方式一
criterion = BCELoss()
loss = criterion(yhat,y)
# 方式二
criterion = BCEWithLogitsLoss()
loss = criterion(yhat,y)

MSELoss类似，BCELoss也有sum、mean可选参数，功能和前面类似。

对于多分类问题，Pytorch提供了CrossEntropyLoss这个函数，使用实例如下：

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from torch.nn import CrossEntropyLoss

# 生成随机数据
yhat = torch.randint(low=0,high=2,size=(10,2),dtype=torch.float32)
y = torch.randint(low=0,high=2,size=(10,),dtype=torch.float32)
# 多元交叉熵损失
criterion = CrossEntropyLoss()
loss = criterion(yhat, y.long())

使用注意：1、yhat必须>=2维，如果是1维数据会报错。2、CrossEntropyLoss计算时要求标签必须是整型数据，因此用y.long()将浮点型转换成整型。

实现反向传播

有了损失函数之后，在Pytorch中就可以用一行命令实现反向传播，即loss.backward() 把损失函数和反向传播添加到前向传播过程中，就形成了一轮简单的神经网络训练过程。

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

#确定数据
torch.random.manual_seed(103)
X = torch.rand((500,20), dtype=torch.float32)
y = torch.randint(low=0,high=3,size=(500,1), dtype=torch.float32)

input_ = X.shape[1]
output_ = len(y.unique())

class Model(nn.Module):
    def __init__(self,in_features=10, out_features=2):
        """
        in_features: 输入该神经网络的特征数目（输入层上的神经元的数目）
        out_features：神经网络的输出的数目（输出层上的神经元的数目）
        """
        super(Model,self).__init__()
        self.linear1 = nn.Linear(in_features,13,bias=True)
        self.linear2 = nn.Linear(13,8,bias=True)
        self.output = nn.Linear(8,out_features,bias=True)
    
    def forward(self,x): #神经网络的向前传播
        z1 = self.linear1(x)
        sigma1 = torch.relu(z1)
        z2 = self.linear2(sigma1)
        sigma2 = torch.sigmoid(z2)
        z3 = self.output(sigma2)
        sigma3 = F.softmax(z3,dim=1)
        return sigma3
     
net = Model(in_features=input_, out_features = output_)  # 实例化神经网络
y_hat = net.forward(X)  # 向前传播
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
loss = criterion(y_hat,y.reshape(500).long())
loss.backward()
# loss.backward(retain_graph=True)

注意：Pytorch的反向传播底层是基于一个动态的计算图，每次执行完backward之后，这个计算图会从内存中自动销毁，如果想要保留这张图，以便进行多次反向传播，可以设置参数retain_graph=True 上述模型计算图可视化如下：

使用优化器

上面实现了一个最基本正向传播和反向传播的过程，然而，如果要应用更加复杂优化算法，直接手写就非常麻烦。Pytorch提供了一个优化器(optim)，其内部封装了大量优化算法，可以方便开发者快速调用。

例如，实现随机梯度下降，可以调用optim的SGD接口，调用接口如下：

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class torch.optim.SGD(params, lr=, momentum=0, dampening=0, weight_decay=0, nesterov=False)

相关参数解释：

参数	描述
params (iterable)	待优化参数的iterable或者是定义了参数组的dict
lr (float)	学习率
momentum (float, 可选)	动量因子（默认：0，通常设置为0.9，0.8）
weight_decay (float, 可选)	权重衰减（L2惩罚）（默认：0）
dampening (float, 可选)	动量的抑制因子（默认：0）
nesterov (bool, 可选)	使用Nesterov动量（默认：False

optim更多接口参数解释，看到这篇博客记录比较详细，放置链接如下： Link：https://blog.csdn.net/xq151750111/article/details/123602946

下面还是以之前的网络模型为例，实现一个带动量参数的SGD优化器

代码语言：javascript复制

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.nn import functional as F

torch.manual_seed(103)
X = torch.rand((500,20),dtype=torch.float32) * 100
y = torch.randint(low=0,high=3,size=(500,),dtype=torch.float32)
lr = 0.1  # 学习率
gamma = 0.9 # 动量
class Model(nn.Module):
    def __init__(self,in_features=10,out_features=2):
        super(Model,self).__init__() 
        self.linear1 = nn.Linear(in_features,13,bias=True) 
        self.linear2 = nn.Linear(13,8,bias=True)
        self.output = nn.Linear(8,out_features,bias=True)
        
    def forward(self, x):
        sigma1 = torch.relu(self.linear1(x))
        sigma2 = torch.sigmoid(self.linear2(sigma1))
        zhat = self.output(sigma2)
        return zhat
    
input_ = X.shape[1] #特征的数目
output_ = len(y.unique()) #分类的数目
net = Model(in_features=input_, out_features=output_) #实例化网络
criterion = nn.CrossEntropyLoss() #定义损失函数
opt = optim.SGD(net.parameters(),lr = lr,momentum = gamma)
yhat = net.forward(X) 
loss = criterion(yhat, y.long()) #计算损失函数
loss.backward()
opt.step() #走一步，更新权重w，更新动量v
opt.zero_grad() #清除原来储存好的，基于上一个坐标点计算的梯度，为下一次计算梯度腾出空间

这一段代码就是实现了梯度下降中的一步，加上循环，就形成了常见的深度学习过程。

数据加载器

在数据量少时，上面的代码能够完成训练。然而，当数据量变大时，就比较依赖硬件性能。比如，如果使用的CPU版本的Pytorch，数据会被加载进内存，如果内存无法容纳所有数据就会产生爆内存的问题，严重点可能会导致死机。如果使用GPU版本的Pytorch，数据可以选择加载进显存，如果显存不够大，会产生爆显存的Bug。

为了解决这个问题，可以将大批量的数据进行切分，每次只送一批数据到模型中进行训练，这批数据的大小就叫batch_size。

Pytorch为了数据切分提供了两个工具，TensorDataset和DataLoader。 之前输入模型的数据和标签是分开的，但是在后面的数据加载器DataLoader中，需要输入数据和标签的整体。python中的zip函数能够实现打包功能，Pytorch的TensorDataset函数功能也类似。不过对于tensor数据而言，pytorch提供的函数通常比python原生函数运算更快一些。

TensorDataset的使用示例如下：

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from torch.utils.data import TensorDataset

a = torch.randn(500,3,4,5) #四维数据 - 图像
b = torch.randn(500,1) #二维数据 - 标签
c = TensorDataset(a,b)

直接打印c，不会输出具体的值，可以用下面的方式进行查看：

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for x in c:
    print(x)
    break

输出c中的第一项如图所示：

里面包含两个tensor，第一个是数据，第二个是标签。

有了tensor之后，就可以直接将数据输入到DataLoader之中。DataLoader是处理训练前的数据加载器，它可以接受任意形式的数组、张量作为输入，并把他们一次性转换为神经网络可以接入的tensor。

DataLoader有很多参数，这里使用三个：

• batch_size 指定每一批(batch)数据的大小
• shuffle 是否对数据进行打乱
• drop_last 是否将最后一批不满足batch_size大小的数据丢弃

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from torch.utils.data import DataLoader

dataset = DataLoader(c
          , batch_size = 120
          , shuffle = True #随机打乱数据
          , drop_last = True #是否舍弃最后一个batch
          )

打印出每个TensorDataset大小查看：

代码语言：javascript复制

for i in dataset:
    print(i[0].shape) # i[0]是数据，i[1]是标签

如图所示，500条数据，每个batch_size为120并舍弃最后一个batch，因此输出四个batch。

在实际使用中，通常这样进行调用。

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for batch_idx, (x,y) in enumerate(dataset):
    yhat = net(x)
    loss = criterion(yhat, y)
    loss.backward()
    opt.step()
    opt.zero_grad()

pytorch 神经网络

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