PyTorch 学习笔记

环境：python3.8 + PyTorch2.4.1+cpu + PyCharm

参考链接：

快速入门 --- PyTorch 教程 2.6.0+cu124 文档

PyTorch 文档 --- PyTorch 2.4 文档

快速入门

导入库

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

加载数据集

使用 FashionMNIST 数据集。每个 TorchVision 都包含两个参数： 分别是 修改样本 和 标签。

# Download training data from open datasets.
training_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",     # 数据集存储的位置
    train=True,      # 加载训练集（True则加载训练集）
    download=True,   # 如果数据集在指定目录中不存在，则下载（True才会下载）
    transform=ToTensor(), # 应用于图像的转换列表，例如转换为张量和归一化
)

# Download test data from open datasets.
test_data = datasets.FashionMNIST(
    root="data",
    train=False,     # 加载测试集（False则加载测试集）
    download=True,
    transform=ToTensor(),
)

创建数据加载器

batch_size = 64

# Create data loaders.
# DataLoader()：batch_size每个批次的大小，shuffle=True则打乱数据
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=batch_size)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=batch_size)

for X, y in test_dataloader: # 遍历训练数据加载器，x相当于图片，y相当于标签
    print(f"Shape of X [N, C, H, W]: {X.shape}")
    print(f"Shape of y: {y.shape} {y.dtype}")
    break

创建模型

为了在 PyTorch 中定义神经网络，我们创建一个继承 来自 nn.模块。我们定义网络的各层 ，并在函数中指定数据如何通过网络。要加速 作，我们将其移动到 CUDA、MPS、MTIA 或 XPU 等加速器。如果当前加速器可用，我们将使用它。否则，我们使用 CPU。__init__forward

#使用加速器，并打印当前使用的加速器（当前加速器可用则使用当前的，否则使用cpu）
# device = torch.accelerator.current_accelerator().type if torch.accelerator.is_available() else "cpu" # torch2.4.2并没有accelerator这个属性，2.6的才有，所以注释掉
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(f"Using {device} device")

# 检查 CUDA 是否可用
print("CUDA available:", torch.cuda.is_available())

# Define model
class NeuralNetwork(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__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

model = NeuralNetwork().to(device) #torch2.4.2并没有accelerator这个属性，2.6的才有，所以注释掉不用
# model = NeuralNetwork()
print(model)

优化模型参数

要训练模型，我们需要一个损失函数和一个优化器：

loss_fn = nn.CrossEntropyLoss() # 损失函数，nn.CrossEntropyLoss()用于多分类
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3) # 优化器，用于更新模型的参数，以最小化损失函数

'''
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)
优化器用PyTorch 提供的随机梯度下降（Stochastic Gradient Descent, SGD）优化器
model.parameters()：将模型的参数传递给优化器，优化器会根据这些参数计算梯度并更新它们
lr=1e-3：学习率（learning rate），控制每次参数更新的步长
（较大的学习率可能导致训练不稳定，较小的学习率可能导致训练速度变慢）
'''

在单个训练循环中，模型对训练集进行预测（分批提供给它），并且 反向传播预测误差以调整模型的参数：

'''
训练模型（单个epoch）
dataloader：数据加载器，用于按批次加载训练数据
model     ：神经网络模型
loss_fn   ：损失函数，用于计算预测值与真实值之间的误差
optimizer ：优化器，用于更新模型参数
'''
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
    size = len(dataloader.dataset)
    model.train() # 将模型设置为训练模式（启用 dropout 和 batch normalization 的训练行为）
    for batch, (X, y) in enumerate(dataloader): # 遍历 dataloader 中的每个批次，获取输入 X 和标签 y
        X, y = X.to(device), y.to(device) # 将数据移动到指定设备（如 GPU 或 CPU）

        # Compute prediction error
        # 计算预测损失，同时也是前向传播
        pred = model(X)         # 模型的预测值，即模型的输出
        loss = loss_fn(pred, y) # 计算损失：y为实际的类别标签

        # Backpropagation 反向传播和优化
        # 梯度清零应在每次反向传播之前执行，以避免梯度累积(先用optimizer.zero_grad())
        loss.backward()       # 计算梯度
        optimizer.step()      # 使用优化器更新模型参数
        optimizer.zero_grad() # 清除之前的梯度（清零梯度，为下一轮计算做准备）
        # 梯度清零应在每次反向传播之前执行，以避免梯度累积(在计算模型预测值前先用optimizer.zero_grad())

        if batch % 100 == 0: # 每 100 个批次打印一次损失值和当前处理的样本数量
            loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
            print(f"loss: {loss:>7f}  [{current:>5d}/{size:>5d}]")

进度条显示：

• 如果数据集较大，训练过程可能较慢。可以使用 tqdm 库添加进度条，提升用户体验。例如：

from tqdm import tqdm
for batch, (X, y) in enumerate(tqdm(dataloader, desc="Training")):
    ...

我们还根据测试集检查模型的性能，以确保它正在学习：

# 测试模型
def test(dataloader, model, loss_fn):
    size = len(dataloader.dataset)  # 测试集的总样本数
    num_batches = len(dataloader)   # 测试数据加载器（dataloader）的总批次数
    model.eval()                    # 设置为评估模式，这会关闭 dropout 和 batch normalization 的训练行为
    test_loss, correct = 0, 0       # 累积测试损失和正确预测的样本数
    with torch.no_grad(): # 禁用梯度计算，使用 torch.no_grad() 上下文管理器，避免计算梯度，从而节省内存并加速计算
        for X, y in dataloader:
            X, y = X.to(device), y.to(device) # 将数据加载到指定设备
            pred = model(X) # 模型预测
            test_loss += loss_fn(pred, y).item() # 累积损失
            correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item() # 累积正确预测数
            # correct += (pred.argmax(1) == y).float().sum().item()  # 可以直接使用 .float()，更简洁

    test_loss /= num_batches    # 平均损失
    correct /= size             # 准确率
    print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")

correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item() # 累积正确预测数
# correct += (pred.argmax(1) == y).float().sum().item()  # 可以直接使用 .float()，更简洁
'''
    pred.argmax(1):
pred 是模型的输出（通常是未经过 softmax 的 logits，形状为 [batch_size, num_classes]）。
argmax(1) 表示在第二个维度（即类别维度）上找到最大值的索引，返回一个形状为 [batch_size] 的张量，表示每个样本的预测类别。

    pred.argmax(1) == y:
y 是真实标签（形状为 [batch_size]），表示每个样本的真实类别。
这一步会比较预测的类别和真实类别，返回一个布尔张量，形状为 [batch_size]，其中每个元素表示对应样本的预测是否正确。

    .type(torch.float):
将布尔张量转换为浮点数张量（True 转为 1.0，False 转为 0.0）

    .sum():
对浮点数张量求和，得到预测正确的样本总数

    .item():
将结果从张量转换为 Python 的标量（整数）
'''

• 举例一：

pred 是模型的输出：torch.tensor([[2.5, 0.3, 0.2], [0.1, 3.2, 0.7]])

y 是真实标签：torch.tensor([0, 1])

import torch

pred = torch.tensor([[2.5, 0.3, 0.2], [0.1, 3.2, 0.7]])
y = torch.tensor([0, 1])

correct = (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
print(correct)  # 输出: 2.0 -> 转换为整数后为 2

• 举例二：

import torch

# 模型输出（未经过 softmax 的 logits）
pred = torch.tensor([[2.0, 1.0, 0.1],  # 第一个样本的预测分数
                     [0.5, 3.0, 0.2],  # 第二个样本的预测分数
                     [1.2, 0.3, 2.5]]) # 第三个样本的预测分数

# 真实标签
y = torch.tensor([0, 1, 2])  # 第一个样本的真实类别是 0，第二个是 1，第三个是 2

# 计算预测正确的样本数
correct = (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
print(f"预测正确的样本数: {correct}") # 预测正确的样本数: 3

'''逐步分析
对每个样本的预测分数取最大值的索引，得到预测类别：
pred.argmax(1)  # 输出: tensor([0, 1, 2])

比较预测类别和真实标签，得到布尔张量：
pred.argmax(1) == y  # 输出: tensor([True, True, True])

.type(torch.float): 将布尔张量转换为浮点数张量：
(pred.argmax(1) == y).type(torch.float)  # 输出: tensor([1.0, 1.0, 1.0])

.sum(): 对浮点数张量求和，得到预测正确的样本总数：
(pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum()  # 输出: tensor(3.0)

.item():将结果从张量转换为 Python 标量：
(pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()  # 输出: 3

在这个例子中，模型对所有 3 个样本的预测都正确，因此预测正确的样本数为 3。
'''
# 如果知道总样本数，可以进一步计算准确率：

# 总样本数
total = len(y)

# 准确率
accuracy = correct / total
print(f"准确率: {accuracy * 100:.2f}%")

训练过程分多次迭代 （epoch） 进行。在每个 epoch 中，模型会学习 参数进行更好的预测。

然后打印模型在每个 epoch 的准确率和损失，

期望看到 准确率Accuracy增加，损失Avg loss随着每个 epoch 的减少而减少：

# 跑5轮，每轮皆是先训练，然后测试
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!")

输出：

Epoch 1
-------------------------------
loss: 2.308106  [   64/60000]
loss: 2.292096  [ 6464/60000]
loss: 2.280747  [12864/60000]
loss: 2.273108  [19264/60000]
loss: 2.256617  [25664/60000]
loss: 2.240094  [32064/60000]
loss: 2.229981  [38464/60000]
loss: 2.204926  [44864/60000]
loss: 2.201917  [51264/60000]
loss: 2.178733  [57664/60000]
Test Error: 
 Accuracy: 46.1%, Avg loss: 2.164820 

Epoch 2
-------------------------------
loss: 2.178193  [   64/60000]
loss: 2.160645  [ 6464/60000]
loss: 2.110801  [12864/60000]
loss: 2.129119  [19264/60000]
loss: 2.078400  [25664/60000]
loss: 2.029629  [32064/60000]
loss: 2.044328  [38464/60000]
loss: 1.972220  [44864/60000]
loss: 1.980023  [51264/60000]
loss: 1.920835  [57664/60000]
Test Error: 
 Accuracy: 56.2%, Avg loss: 1.906657 

Epoch 3
-------------------------------
loss: 1.938616  [   64/60000]
loss: 1.902610  [ 6464/60000]
loss: 1.797264  [12864/60000]
loss: 1.844325  [19264/60000]
loss: 1.726765  [25664/60000]
loss: 1.688332  [32064/60000]
loss: 1.695883  [38464/60000]
loss: 1.605903  [44864/60000]
loss: 1.628846  [51264/60000]
loss: 1.532240  [57664/60000]
Test Error: 
 Accuracy: 59.8%, Avg loss: 1.541237 

Epoch 4
-------------------------------
loss: 1.604458  [   64/60000]
loss: 1.563167  [ 6464/60000]
loss: 1.426733  [12864/60000]
loss: 1.503305  [19264/60000]
loss: 1.376496  [25664/60000]
loss: 1.381424  [32064/60000]
loss: 1.371971  [38464/60000]
loss: 1.312882  [44864/60000]
loss: 1.342990  [51264/60000]
loss: 1.244696  [57664/60000]
Test Error: 
 Accuracy: 62.7%, Avg loss: 1.268371 

Epoch 5
-------------------------------
loss: 1.344515  [   64/60000]
loss: 1.318664  [ 6464/60000]
loss: 1.166471  [12864/60000]
loss: 1.275481  [19264/60000]
loss: 1.146058  [25664/60000]
loss: 1.179018  [32064/60000]
loss: 1.171105  [38464/60000]
loss: 1.129168  [44864/60000]
loss: 1.163182  [51264/60000]
loss: 1.077062  [57664/60000]
Test Error: 
 Accuracy: 64.7%, Avg loss: 1.097442 

Done!

保存模型

保存模型的常用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")

加载模型

加载模型的过程包括重新创建模型结构和加载 state 字典放入其中。

model = NeuralNetwork().to(device)
model.load_state_dict(torch.load("model.pth", weights_only=True))

此模型现在可用于进行预测。

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}"')

Tensor

初始化Tensor

import torch
import numpy as np

# 1、直接从数据创建张量。数据类型是自动推断的
data = [[1, 2],[3, 4]]
x_data = torch.tensor(data)

# 2、从 NumPy 数组创建张量（反之亦然）
np_array = np.array(data)
x_np = torch.from_numpy(np_array)

3、从另一个张量创建：

# 从另一个张量创建张量，新张量保留参数张量的属性（形状、数据类型），除非显式覆盖
x_ones = torch.ones_like(x_data) # retains the properties of x_data 保留原有属性
print(f"Ones Tensor: \n {x_ones} \n")

x_rand = torch.rand_like(x_data, dtype=torch.float) # overrides the datatype of x_data 覆盖原有类型
print(f"Random Tensor: \n {x_rand} \n")

4、使用随机值或常量值：(三个皆是数据类型默认为浮点型（torch.float32）)

# 使用随机值或常量值创建张量：
shape = (2,3,)    # shape是张量维度的元组，确定输出张量的维数
rand_tensor = torch.rand(shape)    # 元素为 [0, 1) 中的随机浮点型，
ones_tensor = torch.ones(shape)    # 元素为全 1
zeros_tensor = torch.zeros(shape)  # 元素为全 0

print(f"Random Tensor: \n {rand_tensor} \n")
print(f"Ones Tensor: \n {ones_tensor} \n")
print(f"Zeros Tensor: \n {zeros_tensor}")

若想指定生成其他数据类型的张量，可以通过 dtype 参数显式指定。例如：

# 整数类型
rand_tensor_int = torch.rand((2, 3), dtype=torch.int32)
print(rand_tensor_int.dtype)  # 输出: torch.int32

# 双精度浮点型
ones_tensor_double = torch.ones((2, 3), dtype=torch.float64)
print(ones_tensor_double.dtype)  # 输出: torch.float64

属性

Tensor 属性描述其形状、数据类型和存储它们的设备

tensor = torch.rand(3,4)
print(f"Shape of tensor: {tensor.shape}")               # 形状
print(f"Datatype of tensor: {tensor.dtype}")            # 数据类型
print(f"Device tensor is stored on: {tensor.device}")   # 存储其的设备

操作

索引 和切片：(类似 numpy )

tensor = torch.ones(4, 4)
# tensor = torch.tensor([[1, 2, 3, 4],
#                        [5, 6, 7, 8],
#                        [9, 10, 11, 12],
#                        [13, 14, 15, 16]])

print(f"First row: {tensor[0]}")
print(f"First column: {tensor[:, 0]}")
print(f"Last column: {tensor[..., -1]}")
tensor[:,1] = 0
print(tensor)

拼接张量 (沿给定维度连接一系列张量)。

另请参见 torch.stack， 另一个与 . 略有不同的 Tensor Joining 运算符。torch.cattorch.cat

'''
dim=1 ：沿着第 1 维（通常是列）进行拼接
如果 tensor 的形状是 (a, b)，
则沿着第 1 维拼接三次后，结果张量 t1 的形状将是 (a, b * 3)。
'''
t1 = torch.cat([tensor, tensor, tensor], dim=1) # 沿着第 1 维拼接三次
print(t1)

算术运算 (矩阵乘法 和 元素积(逐元素乘积 ))

计算两个张量间的 矩阵乘法 和 元素积(逐元素乘积 )

# 计算两个张量间的矩阵乘法
# This computes the matrix multiplication between two tensors. y1, y2, y3 will have the same value
# ``tensor.T`` 返回张量的转置 returns the transpose of a tensor
y1 = tensor @ tensor.T          # "@"是矩阵乘法的简写，用于张量之间的矩阵乘法; tensor.T 返回 tensor 的转置
y2 = tensor.matmul(tensor.T)    # matmul用于矩阵乘法，与 @ 功能等价

y3 = torch.rand_like(y1)        # 创建与 y1 形状相同的新张量，元素为随机值
torch.matmul(tensor, tensor.T, out=y3)  # 进行矩阵乘法，并将结果存储在 y3 中

print("Matrix Multiplication Results:") #  y1, y2, y3 三者相等
print("y1:\n", y1)
print("y2:\n", y2)
print("y3:\n", y3)


# 计算元素积 
# This computes the element-wise product. z1, z2, z3 will have the same value
z1 = tensor * tensor    # 对 tensor 进行逐元素相乘
z2 = tensor.mul(tensor) # 与 * 相同的逐元素相乘

z3 = torch.rand_like(tensor)
torch.mul(tensor, tensor, out=z3) # 使用 torch.mul 函数对 tensor 进行逐元素相乘，并将结果存储在 z3 中

print("\nElement-wise Product Results:") #  z1, z2, z3 三者相等
print("z1:\n", z1)
print("z2:\n", z2)
print("z3:\n", z3)

单个张量 (求和 & 转int/float)

.sum() 聚合所有 值转换为一个值；.item() 将其转换为 Python 数值使用。

agg = tensor.sum()      # 所有元素求和，返回新的张量（标量张量）
agg_item = agg.item()   # 将标量张量agg转成Python的基本数据类型（如float或int，具体取决于张量中数据的类型）
print(agg_item, type(agg_item))

In-place 操作

• add_ 是一个 in-place 操作，会直接修改原张量 tensor 的值，而不会创建新的张量。
• 若不想修改原张量，可使用非 in-place 操作 tensor + 5，这样会返回一个新的张量，而原张量保持不变。

# 使用 in-place 操作对张量中的每个元素加 5
print(f"{tensor} \n")
tensor.add_(5)  # add_ 是 in-place 操作，会直接修改原张量
print(tensor)

in-place 的优缺点

优点：节省内存。(直接在原张量上操作，避免额外分配内存)

缺点：因为是直接修改原数据，会丢失历史记录，因此不鼓励使用。

使用NumPy桥接

• 共享内存 ：Tensor 和 NumPy 数组在 .numpy() 和 torch.from_numpy() 转换时，会 共享底层内存(共享底层数据存储)，因此对一方的修改会直接影响另一方。
• 潜在风险：如果对共享内存的张量或数组进行了非原地安全的操作（如直接赋值），可能导致数据竞争或意外覆盖。

以下例子中 t 和 n 的值始终同步，因为它们共享相同的内存。这种特性在需要高效数据传递时非常有用，但需要谨慎操作以避免数据竞争。

Tensor 转 NumPy 数组

t = torch.ones(5)   # 创建一个包含 5 个 1.0 的张量
print(f"t: {t}")

# 将张量 t 转换为 NumPy 数组
n = t.numpy()       # .numpy() 方法将 PyTorch 张量转换为 NumPy 数组
print(f"n: {n}")

张量的变化反映在 NumPy 数组中：

t.add_(1)           # 使用 add_ 进行原地加法
print(f"t: {t}")
print(f"n: {n}")    # n 的值也会改变，因为 t 和 n 共享内存

NumPy 数组 转 Tensor

n = np.ones(5)          # 创建一个包含 5 个 1.0 的 NumPy 数组
t = torch.from_numpy(n) # 将 NumPy 数组转换为 PyTorch 张量

NumPy 数组中的更改反映在张量中：

np.add(n, 5, out=n)     # 对 NumPy 数组，使用 out 参数 进行原地加法操作
print(f"t: {t}")        # 由于 t 和 n 底层共享内存，t 的值也会随之改变
print(f"n: {n}")

查看安装的PyTorch版本

方法一：cmd终端查看

终端中输入：

>>>python
>>>import torch
>>>torch.__version__  //注意version前后是两个下划线

方法二：PyCharm查看

打开Pycharm，在Python控制台中输入：

或者在Pycharm的"Python软件包"中查看：