文章目录
- [1 工作原理](#1 工作原理)
- [2 常见优化器](#2 常见优化器)
-
- [2.1 SGD](#2.1 SGD)
- [2.2 Adam](#2.2 Adam)
- [3 优化器参数](#3 优化器参数)
- [4 学习率](#4 学习率)
- [5 使用最佳实践](#5 使用最佳实践)
本文环境：
- Pycharm 2025.1
- Python 3.12.9
- Pytorch 2.6.0+cu124
优化器 (Optimizer) 是深度学习中的核心组件，负责根据损失函数的梯度来更新模型的参数，使模型能够逐步逼近最优解。在 PyTorch 中，优化器通过torch.optim模块提供。
Pytorch 链接：https://docs.pytorch.org/docs/stable/optim.html。
1 工作原理
优化器的工作流程如下：
- 计算损失函数的梯度 (通过
backward()方法)。 - 根据梯度更新模型参数 (通过
step()方法)。 - 清除之前的梯度 (通过
zero_grad()方法)。
python
result_loss.backward() # 计算梯度
optim.step() # 更新参数
optim.zero_grad() # 清除梯度2 常见优化器
PyTorch 提供多种优化器，以 SGD 和 Adam 为例。
2.1 SGD
基础优化器，可以添加动量 (momentum) 来加速收敛。
| 参数 | 类型 | 默认值 | 作用 | 使用建议 |
|---|---|---|---|---|
| params | iterable | - | 待优化参数 | 必须传入model.parameters()或参数组字典，支持分层配置 |
| lr | float | 1e-3 | 学习率 | 控制参数更新步长，SGD常用0.01-0.1，Adam常用0.001 |
| momentum | float | 0 | 动量因子 | 加速梯度下降（Adam内置动量，无需单独设置） |
| dampening | float | 0 | 动量阻尼 | 抑制动量震荡（仅当momentum>0时生效） |
| weight_decay | float | 0 | L2正则化 | 防止过拟合，AdamW建议0.01-0.1 |
| nesterov | bool | False | Nesterov动量 | 改进版动量法（需momentum>0） |
| maximize | bool | False | 最大化目标 | 默认最小化损失，True时改为最大化 |
| foreach | bool | None | 向量化实现 | CUDA下默认开启，内存不足时禁用 |
| differentiable | bool | False | 可微优化 | 允许优化器步骤参与自动微分（影响性能） |
| fused | bool | None | 融合内核 | CUDA加速，支持float16/32/64/bfloat16 |
2.2 Adam
- 特点：自适应矩估计，结合了动量法和 RMSProp 的优点。
- 优点：通常收敛速度快，对学习率不太敏感。
| 参数名称 | 类型 | 默认值 | 作用 | 使用建议 |
|---|---|---|---|---|
| params | iterable | - | 需要优化的参数（如model.parameters()） |
必须传入，支持参数分组配置 |
| lr | float | 1e-3 | 学习率（控制参数更新步长） | 推荐0.001起调，CV任务可尝试0.0001-0.01 |
| betas | (float, float) | (0.9, 0.999) | 梯度一阶矩(β₁)和二阶矩(β₂)的衰减系数 | 保持默认，除非有特殊需求 |
| eps | float | 1e-8 | 分母稳定项（防止除以零） | 混合精度训练时可增大至1e-6 |
| weight_decay | float | 0 | L2正则化系数 | 推荐0.01-0.1（使用AdamW时更有效） |
| decoupled_weight_decay | bool | False | 启用AdamW模式（解耦权重衰减） | 需要权重衰减时建议设为True |
| amsgrad | bool | False | 使用AMSGrad变体（解决收敛问题） | 训练不稳定时可尝试启用 |
| foreach | bool | None | 使用向量化实现加速（内存消耗更大） | CUDA环境下默认开启，内存不足时禁用 |
| maximize | bool | False | 最大化目标函数（默认最小化） | 特殊需求场景使用 |
| capturable | bool | False | 支持CUDA图捕获 | 仅在图捕获场景启用 |
| differentiable | bool | False | 允许通过优化器步骤进行自动微分 | 高阶优化需求启用（性能下降） |
| fused | bool | None | 使用融合内核实现（需CUDA） | 支持float16/32/64时启用可加速 |
3 优化器参数
所有优化器都接收两个主要参数：
params：要优化的参数，通常是model.parameters()。lr：学习率(learning rate)，控制参数更新的步长。
其他常见参数：
weight_decay：L2 正则化系数，防止过拟合。momentum：动量因子，加速 SGD 在相关方向的收敛。betas(Adam 专用)：用于计算梯度及其平方的移动平均的系数。
4 学习率
学习率是优化器中最重要的超参数之一。
- 太大：可能导致震荡或发散。
- 太小：收敛速度慢。
- 常见策略：
- 固定学习率 (如代码中的 0.01)。
- 学习率调度器 (Learning Rate Scheduler) 动态调整。
5 使用最佳实践
- 梯度清零 ：每次迭代前调用
optimizer.zero_grad()，避免梯度累积。 - 参数更新顺序 ：先
backward()再step()。 - 学习率选择：可以从默认值开始 (如 Adam 的 0.001)，然后根据效果调整。
python
import torch
import torchvision
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
dataset = torchvision.datasets.CIFAR10(
root='./dataset', # 保存路径
train=False, # 是否为训练集
transform=torchvision.transforms.ToTensor(), # 转换为张量
download=True # 是否下载
)
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=1)
class MyModel(nn.Module):
def __init__(self):
super(MyModel, self).__init__()
self.model = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 32, 5, 1, 2),
nn.MaxPool2d(2),
nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),
nn.MaxPool2d(2),
nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2),
nn.MaxPool2d(2),
nn.Flatten(),
nn.Linear(64 * 4 * 4, 64),
nn.Linear(64, 10)
)
def forward(self, x):
return self.model(x)
loss = nn.CrossEntropyLoss()
model = MyModel()
torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01)
optim = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
for epoch in range(20):
running_loss = 0.0
# 遍历dataloader中的数据
for data in dataloader:
# 获取数据和标签
imgs, targets = data
# 使用模型对数据进行预测
output = model(imgs)
# 计算预测结果和真实标签之间的损失
result_loss = loss(output, targets)
# 将梯度置零
optim.zero_grad()
# 反向传播计算梯度
result_loss.backward()
# 更新模型参数
optim.step()
running_loss += result_loss
print(f'第 {epoch + 1} 轮的损失为 {running_loss}')