Pytorch深度学习代码技巧

在实际搭建深度学习网络中遇到很多坑，也在读别人的代码时看到很多技巧，统一做一个记录，也方便自己查阅

参数配置

Argparser库

Argparser库是python自带的库，使用Argparser能让我们像在Linux系统上一样用命令行去设置参数，生成的parse_args对象将所有的参数打包，在多个文件中传递修改参数时非常方便

	import argparse
	
	parser = argparse.ArgumentParser(description='MODELname') # 为参数解析器赋予一个名字
    register_data_args(parser)
    parser.add_argument("--dropout", type=float, default=0.5,
                        help="dropout probability")
    parser.add_argument("--gpu", type=int, default=-1,
                        help="gpu")
    parser.add_argument("--lr", type=float, default=1e-2,
                        help="learning rate")
    parser.add_argument("--n-epochs", type=int, default=200,
                        help="number of training epochs")
    parser.add_argument("--n-hidden", type=int, default=16,
                        help="number of hidden gcn units")
    parser.add_argument("--n-layers", type=int, default=1,
                        help="number of hidden gcn layers")
    parser.add_argument("--weight-decay", type=float, default=5e-4,
                        help="Weight for L2 loss")
    parser.add_argument("--aggregator-type", type=str, default="gcn",
                        help="Aggregator type: mean/gcn/pool/lstm")
    config = parser.parse_args()
    
    # 之后就能够用config.xxx代表各个参数了
    # 调试，在终端输入 python train.py --n-epoch 100 --lr 1e-3 ....

模型框架

Dataloader

• 要把load data的部分放在getitem函数下面，类的主体只记录train data的路径，这样在训练的时候用一些调一些，不会导致过高的CPU内存占用
• len()函数重写时要注意一定是和getitem中的数据量相匹配

class TrainDataset(Dataset):
    def __init__(self,listdir=list_dir):
        super(TrainDataset, self).__init__()
        self.train_dirs = []
        for dir in listdir:
        	self.train_dirs.append(dir)
        	...
        	
    def __getitem__(self, index):
    	path = self.train_dirs[index]
    	data = np.load(path)
    	...
    	
    def __len__(self):
        return len(self.train_dirs)

• collate_fn

在构建Dataloader对象时可以设置collate_fn参数，传入数据处理的函数，需要自己写。

trainloader = Dataloader(dataset = train_dataset,shuffle=True,collate_fn=my_func)

collate_fn的作用在于能够自定义数据的获取方式

学习率

• lr_scheduler

torch.optim.lr_scheduler模块提供了一些根据epoch训练次数来调整学习率（learning rate）的方法。一般情况下我们会设置随着epoch的增大而逐渐减小学习率从而达到更好的训练效果。

常用的学习率调整策略有：

StepLR：等间隔调整学习率，每次调整为 lr*gamma，调整间隔为step_size

scheduler = torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer,step_size,gamma=0.1,last_epoch=-1,verbose=False)

参数：

1、optimizer：设置的优化器

2、step_size：学习率调整步长，每经过step_size更新一次

3、gamma：学习率调整倍数

4、last_epoch：last_epoch之后恢复lr为initial_lr(如果是训练了很多个epoch后中断了 继续训练 这个值就等于加载的模型的epoch 默认为-1表示从头开始训练，即从epoch=1开始

5、verbose：是否每次改变都输出一次lr的值

MultiStepLR : 当前epoch数满足设定值时，调整学习率。这个方法适合后期调试使用，观察loss曲线，为每个实验制定学习率调整时期

scheduler = torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones, gamma=0.1, last_epoch=-1, verbose=False)

milestones：一个包含epoch索引的list，列表中的每个索引代表调整学习率的epoch。list中的值必须是递增的。 如 [20, 50, 100] 表示在epoch为20，50，100时调整学习率。

其他参数设置方法相同

ExponentialLR：按指数衰减调整学习率，调整公式：lr = lr*gamma**epoch

scheduler = torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR(optimizer, gamma, last_epoch=-1, verbose=False)

CosineAnnealingLR：余弦退火策略，周期性地调整学习率

scheduler = torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max, eta_min=0, last_epoch=-1, verbose=False)

参数：
1、T_max ：学习率调整的周期，每个周期重新将学习率调整回初始值，再衰减，这样的策略有助于跳出马鞍面。通常设置为len(train_dataset)

2、eta_min：衰减到的最小的学习率，defult为0

3、last_epoch：上一个epoch数，这个变量用于指示学习率是否需要调整。当last_epoch符合设定的间隔时就会调整学习率。当设置为-1时，学习率设置为初始值

在每个train step中更新学习率：

scheduler.step()

• warmup

warmup是一种学习率优化方法，最早出现在resnet论文中，在模型训练初期选用较小的学习率，训练一段时间之后（10epoch 或者 10000steps）使用预设的学习率进行训练
使用warmup的原因：

1. 模型训练初期，权重随机化，对数据的理解为0，在第一个epoch中，模型会根据输入的数据进行快速的调参，此时如果采用较大的学习率，有很大的可能使模型学偏，后续需要更多的轮次才能拉回来

2. 模型训练一段时间之后，对数据有一定的先验知识，此时使用较大的学习率模型不容易学偏，可以使用较大的学习率加速训练。

3. 模型使用较大的学习率训练一段时间之后，模型的分布相对比较稳定，此时不宜从数据中再学到新的特点，如果继续使用较大的学习率会破坏模型的稳定性，而使用较小的学习率更获得最优。

warm_up实现

class WarmupLR(_LRScheduler):
    """The WarmupLR scheduler This scheduler is almost same as NoamLR Scheduler except for following difference: NoamLR: lr = optimizer.lr * model_size ** -0.5 * min(step ** -0.5, step * warmup_step ** -1.5) WarmupLR: lr = optimizer.lr * warmup_step ** 0.5 * min(step ** -0.5, step * warmup_step ** -1.5) Note that the maximum lr equals to optimizer.lr in this scheduler. """
    def __init__(
        self,
        optimizer: torch.optim.Optimizer,
        warmup_steps: Union[int, float] = 25000,
        last_epoch: int = -1,
    ):
        assert check_argument_types()
        self.warmup_steps = warmup_steps

        # __init__() must be invoked before setting field
        # because step() is also invoked in __init__()
        super().__init__(optimizer, last_epoch)

    def __repr__(self):
        return f"{
      self.__class__.__name__}(warmup_steps={
      self.warmup_steps})"

    def get_lr(self):
        step_num = self.last_epoch + 1
        return [
            lr
            * self.warmup_steps ** 0.5
            * min(step_num ** -0.5, step_num * self.warmup_steps ** -1.5)
            for lr in self.base_lrs
        ]

    def set_step(self, step: int):
        self.last_epoch = step

warm_up配合lr_scheduler一起使用，先线性增大学习率，再衰减：

if step_counter>10:
	scheduler.step()

模型训练

分布式

• nn.DataParallel

通过torch.nn.DataParallel进行分布式训练，要求主机上有不止一块GPU，训练时将数据分摊到多块GPU上进行多进程训练，每块GPU上进行独立的optimize，再将loss进行汇总求平均，将反向传播的梯度广播到每一块GPU上

model= MY_MODEL()
  if torch.cuda.device_count() > 1:
	 model = nn.DataParallel(model)

开分布式要注意不能使用next(model.parameters()),并且在模型中存在 着foriegner model时，不能在模型内部给这些foriegner model指定设备号(cuda：0)，可以用torch.device('cuda')代替，让程序自己去分配，数据也是如此，不然会出现模型运算的数据放在了不同的GPU的情况

• 查看模型、数据所在设备

# data type:torch.tensor
print(next(model.parameters()).device)
print(data.device)

判断数据是否在gpu上：

print(data.is_cuda)

数据在gpu、cpu之间的相互转换：

# 最简单的，data type:torch.tensor
data.cpu()
data.cuda()

# 设置设备
device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda_is_avaliable() else 'cpu')    
data.to(device)

• local rank

在pytorch上进行分布式训练，指定local rank，即进程内的GPU 编号，非显式参数，由 torch.distributed.launch 内部指定。主机GPU的local_rank为0。比方说， rank = 3，local_rank = 0 表示第 3 个进程内的第 1 块 GPU主机进程local rank=0

在每次迭代中，每个进程具有自己的 optimizer ，并独立完成所有的优化步骤，进程内与一般的训练无异。

在各进程梯度计算完成之后，各进程需要将梯度进行汇总平均，然后再由 rank=0 的进程，将其 broadcast 到所有进程。之后，各进程用该梯度来更新参数。

设置第几块GPU工作

torch.cuda.set_device(arg.local_rank)
device = torch.device('cuda',arg.local_rank)

调试提示、数据可视化

• 设置按钮，检查是否下载了数据集，出错则raise RuntimeError

if not self.check_integrity():
    raise RuntimeError('Dataset not found or corrupted.' +
                       ' You need to download it from official website.')
    
# 检查数据集的路径是否存在
def check_integrity(self):
    if not os.path.exists(self.root_dir):
        return False
    else:
        return True

• 用enumerate和列表推导式（for表达式）生成word2idx，labels2idx，这样idx不用靠单独设置变量再for循环+=1来设置

self.label2index = {
    label: index for index, label in enumerate(sorted(set(labels)))}

• 记录模型的参数总量

# pytorch中的numel函数统计tensor中的总元素量
num_params = sum(p.numel() for p in model.parameters())
print(num_params)

训练日志

• logging模块

用logging模块记录训练日志，在后台在线写入日志文件，也可以在线输出，方便监控训练信息

 1 import logging  
 2 
# 文件保存地址，文件名、信息级别
 3 logging.basicConfig(filename=os.path.join(self.writer.log_dir, 'training.log'),level=logging.DEBUG, format='%(asctime)s - %(name)s - %(message)s')  
 4   
 5 logging.debug('this is debug message')    # 这些信息将被记录在training.log中
 6 logging.info('this is info message')  
 7 logging.warning('this is warning message')  
 8   
 9 ''''' 10 结果： 11 2017-08-23 14:22:25,713 - root - this is debug message 12 2017-08-23 14:22:25,713 - root - this is info message 13 2017-08-23 14:22:25,714 - root - this is warning message 14 '''  

logging.basicConfig 函数各参数:

filename: 指定日志文件名
filemode: 和file函数意义相同，指定日志文件的打开模式，‘w’或’a’
format: 指定输出的格式和内容，format可以输出很多有用信息，如上例所示:
%(levelno)s: 打印日志级别的数值
%(levelname)s: 打印日志级别名称
%(pathname)s: 打印当前执行程序的路径，其实就是sys.argv[0]
%(filename)s: 打印当前执行程序名
%(funcName)s: 打印日志的当前函数
%(lineno)d: 打印日志的当前行号
%(asctime)s: 打印日志的时间
%(thread)d: 打印线程ID
%(threadName)s: 打印线程名称
%(process)d: 打印进程ID
%(message)s: 打印日志信息
datefmt: 指定时间格式，同time.strftime()
level: 设置日志级别，默认为logging.WARNING
stream: 指定将日志的输出流，可以指定输出到sys.stderr,sys.stdout或者文件，默认输出到sys.stderr，当stream和filename同时指定时，stream被忽略

• 将日志同时输出到文件和屏幕：

# 设置日志名称，通常用主文件命名
logger1 = logging.getLogger(__name__)
logging.basicConfig(filename=os.path.join(self.writer.log_dir, 'training.log'),level=logging.DEBUG)
logging.info(f"Start SimCLR training for {
      self.args.epochs} epochs.")
logging.info(f"Training with gpu: {
      self.args.disable_cuda}.")
....

# 日志输出到文件
fh1 = logging.FileHandler(filename='a1.log', encoding='utf-8')  # 文件a1
fh2 = logging.FileHandler(filename='a2.log', encoding='utf-8')  # 文件a2
sh = logging.StreamHandler()  # 日志输出到终端片