PyTorch全连接ReLU网络
1．PyTorch的核心是两个主要特征：
- 一个n维张量，类似于numpy，但可以在GPU上运行
- 搭建和训练神经网络时的自动微分/求导机制
本文将使用全连接的ReLU网络作为运行示例。该网络将有一个单一的隐藏层，并将使用梯度下降训练，通过最小化网络输出和真正结果的欧几里得距离，来拟合随机生成的数据。
2.张量
2.1 热身: Numpy
在介绍PyTorch之前，将首先使用numpy实现网络。 Numpy提供了一个n维数组对象，以及许多用于操作这些数组的函数。Numpy是用于科学计算的通用框架; 对计算图、深度学习和梯度一无所知。然而，可以很容易地使用NumPy，手动实现网络的前向和反向传播，来拟合随机数据：
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
# N是批量大小; D_in是输入维度;
# 49/5000 H是隐藏的维度; D_out是输出维度。
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 创建随机输入和输出数据
x = np.random.randn(N, D_in)
y = np.random.randn(N, D_out)
# 随机初始化权重
w1 = np.random.randn(D_in, H)
w2 = np.random.randn(H, D_out)
learning_rate = 1e-6
for t in range(500):
# 前向传递：计算预测值y
h = x.dot(w1)
h_relu = np.maximum(h, 0)
y_pred = h_relu.dot(w2)
# 计算和打印损失loss
loss = np.square(y_pred - y).sum()
print(t, loss)
# 反向传播，计算w1和w2对loss的梯度
grad_y_pred = 2.0 * (y_pred - y)
grad_w2 = h_relu.T.dot(grad_y_pred)
grad_h_relu = grad_y_pred.dot(w2.T)
grad_h = grad_h_relu.copy()
grad_h[h < 0] = 0
grad_w1 = x.T.dot(grad_h)
# 更新权重
w1 -= learning_rate * grad_w1
w2 -= learning_rate * grad_w2
2.2 PyTorch：张量
Numpy是一个很棒的框架，但不能利用GPU来加速其数值计算。 对于现代深度神经网络，GPU通常提供50倍或更高的加速，所以，numpy不能满足当代深度学习的需求。
在这里，先介绍最基本的PyTorch概念：
张量（Tensor）：PyTorch的tensor在概念上与numpy的array相同： tensor是一个n维数组，PyTorch提供了许多函数，用于操作这些张量。任何希望使用NumPy执行的计算，也可以使用PyTorch的tensor来完成，可以认为是科学计算的通用工具。
与Numpy不同，PyTorch可以利用GPU加速其数值计算。要在GPU上运行Tensor, 在构造张量使用device参数把tensor建立在GPU上。
本文使用tensors将随机数据上训练一个两层的网络。和前面NumPy的例子类似，使用PyTorch的tensor，手动在网络中实现前向传播和反向传播：
# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")
# device = torch.device（“cuda：0”）＃取消注释以在GPU上运行
# N是批量大小; D_in是输入维度;
# H是隐藏的维度; D_out是输出维度。
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
#创建随机输入和输出数据
x = torch.randn(N, D_in, device=device, dtype=dtype)
y = torch.randn(N, D_out, device=device, dtype=dtype)
# 随机初始化权重
w1 = torch.randn(D_in, H, device=device, dtype=dtype)
w2 = torch.randn(H, D_out, device=device, dtype=dtype)
learning_rate = 1e-6
for t in range(500):
# 前向传递：计算预测y
h = x.mm(w1)
h_relu = h.clamp(min=0)
y_pred = h_relu.mm(w2)
# 计算和打印损失
loss = (y_pred - y).pow(2).sum().item()
print(t, loss)
# Backprop计算w1和w2相对于损耗的梯度
grad_y_pred = 2.0 * (y_pred - y)
grad_w2 = h_relu.t().mm(grad_y_pred)
grad_h_relu = grad_y_pred.mm(w2.t())
grad_h = grad_h_relu.clone()
grad_h[h < 0] = 0
grad_w1 = x.t().mm(grad_h)
# 使用梯度下降更新权重
w1 -= learning_rate * grad_w1
w2 -= learning_rate * grad_w2
3.自动求导
3.1 PyTorch：张量和自动求导
在上面的例子中，需要手动实现神经网络的前向和后向传递。手动实现反向传递，对于小型双层网络来说并不是什么大问 题，但对于大型复杂网络来说，很快就会变得非常繁琐。
但是，可以使用自动微分，来自动计算神经网络中的后向传递。 PyTorch中的 autograd包提供了这个功能。当使用autograd时，网络前向传播将定义一个计算图；图中的节点是tensor，边是函数， 这些函数是输出tensor到输入tensor的映射。这张计算图使得在网络中反向传播时，梯度的计算十分简单。
听起来很复杂，在实践中使用起来非常简单。 如果想计算某些的tensor的梯度，只需要在建立这个tensor时，加入这么一句：requires_grad=True。这个tensor上的任何PyTorch的操作都将构造一个计算图，从而允许稍后在图中执行反向传播。如果这个tensor x的requires_grad=True，那么反向传播之后x.grad将会是另一个张量，其为x关于某个标量值的梯度。
有时，可能希望防止PyTorch在requires_grad=True的张量执行某些操作时，构建计算图；例如，在训练神经网络时，通常不希望通过权重更新步骤进行反向传播。在这种情况下，可以使用torch.no_grad()上下文管理器来防止构造计算图。
下面使用PyTorch的Tensors和autograd来实现的两层的神经网络；不再需要手动执行网络的反向传播：
# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
dtype = torch.float
device = torch.device("cpu")
# device = torch.device（“cuda：0”）＃取消注释以在GPU上运行
# N是批量大小; D_in是输入维度;
# H是隐藏的维度; D_out是输出维度。
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 创建随机Tensors以保持输入和输出。
# 设置requires_grad = False表示不需要计算渐变
# 在向后传球期间对于这些Tensors。
x = torch.randn(N, D_in, device=device, dtype=dtype)
y = torch.randn(N, D_out, device=device, dtype=dtype)
# 为权重创建随机Tensors。
# 设置requires_grad = True表示想要计算渐变
# 在向后传球期间尊重这些张贴。
w1 = torch.randn(D_in, H, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
w2 = torch.randn(H, D_out, device=device, dtype=dtype, requires_grad=True)
learning_rate = 1e-6
for t in range(500):
# 前向传播：使用tensors上的操作计算预测值y;
# 由于w1和w2有requires_grad=True，涉及这些张量的操作将让PyTorch构建计算图，
# 从而允许自动计算梯度。由于不再手工实现反向传播，所以不需要保留中间值的引用。
y_pred = x.mm(w1).clamp(min=0).mm(w2)
# 使用Tensors上的操作计算和打印丢失。
# loss是一个形状为()的张量
# loss.item() 得到这个张量对应的python数值
loss = (y_pred - y).pow(2).sum()
print(t, loss.item())
# 使用autograd计算反向传播。这个调用将计算loss对所有requires_grad=True的tensor的梯度。
# 这次调用后，w1.grad和w2.grad将分别是loss对w1和w2的梯度张量。
loss.backward()
# 使用梯度下降更新权重。对于这一步，只想对w1和w2的值进行原地改变；不想为更新阶段构建计算图，
# 所以使用torch.no_grad()上下文管理器防止PyTorch为更新构建计算图
with torch.no_grad():
w1 -= learning_rate * w1.grad
w2 -= learning_rate * w2.grad
# 反向传播后手动将梯度设置为零
w1.grad.zero_()
w2.grad.zero_()
3.2 PyTorch：定义新的自动求导函数
在底层，每一个原始的自动求导运算，实际上是两个在Tensor上运行的函数。其中，forward函数计算，从输入Tensors获得的输出Tensors。而backward函数接收输出Tensors，对于某个标量值的梯度，并且计算输入Tensors相对于该相同标量值的梯度。
在PyTorch中，可以很容易地通过定义torch.autograd.Function的子类，实现forward和backward函数，来定义自己的自动求导运算。之后，就可以使用这个新的自动梯度运算符了。然后，可以通过构造一个实例并像调用函数一样，传入包含输入数据的tensor调用，这样来使用新的自动求导运算。
这个例子中，自定义一个自动求导函数，来展示ReLU的非线性。并用实现的两层网络：
import torch
class MyReLU(torch.autograd.Function):
"""
可以通过建立torch.autograd的子类来实现自定义的autograd函数，
并完成张量的正向和反向传播。
"""
@staticmethod
def forward(ctx, x):
"""
在正向传播中，接收到一个上下文对象和一个包含输入的张量；
必须返回一个包含输出的张量，
并且可以使用上下文对象来缓存对象，以便在反向传播中使用。
"""
ctx.save_for_backward(x)
return x.clamp(min=0)
@staticmethod
def backward(ctx, grad_output):
"""
在反向传播中，接收到上下文对象和一个张量，
其包含了相对于正向传播过程中产生的输出的损失的梯度。
可以从上下文对象中检索缓存的数据，
并且必须计算并返回与正向传播的输入相关的损失的梯度。
"""
x, = ctx.saved_tensors
grad_x = grad_output.clone()
grad_x[x < 0] = 0
return grad_x
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
# N是批大小； D_in 是输入维度；
# H 是隐藏层维度； D_out 是输出维度
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 产生输入和输出的随机张量
x = torch.randn(N, D_in, device=device)
y = torch.randn(N, D_out, device=device)
# 产生随机权重的张量
w1 = torch.randn(D_in, H, device=device, requires_grad=True)
w2 = torch.randn(H, D_out, device=device, requires_grad=True)
learning_rate = 1e-6
for t in range(500):
# 正向传播：使用张量上的操作来计算输出值y；
# 通过调用 MyReLU.apply 函数来使用自定义的ReLU
y_pred = MyReLU.apply(x.mm(w1)).mm(w2)
# 计算并输出loss
loss = (y_pred - y).pow(2).sum()
print(t, loss.item())
# 使用autograd计算反向传播过程。
loss.backward()
with torch.no_grad():
# 用梯度下降更新权重
w1 -= learning_rate * w1.grad
w2 -= learning_rate * w2.grad
# 在反向传播之后手动清零梯度
w1.grad.zero_()
w2.grad.zero_()
3.3 TensorFlow：静态图
PyTorch自动求导看起来非常像TensorFlow：这两个框架中，都定义计算图，使用自动微分来计算梯度。两者最大的不同就是TensorFlow的计算图是静态的，而PyTorch使用动态的计算图。
在TensorFlow中，定义计算图一次，然后重复执行这个相同的图，可能会提供不同的输入数据。而在PyTorch中，每一个前向通道定义一个新的计算图。
静态图的好处在于，可以预先对图进行优化。例如，一个框架可能要融合一些图的运算来提升效率，或者产生一个策略来将图分布到多个GPU或机器上。如果重复使用相同的图，那么在重复运行同一个图时，前期潜在的代价高昂的预先优化的消耗就会被分摊开。
静态图和动态图的一个区别是控制流。对于一些模型，希望对每个数据点执行不同的计算。例如，一个递归神经网络，可能对于每个数据点，执行不同的时间步数，这个展开（unrolling）可以作为一个循环来实现。对于一个静态图，循环结构要作为图的一部分。因此，TensorFlow提供了运算符（例如tf.scan）来把循环嵌入到图当中。对于动态图来说，情况更加简单：既然为每个例子即时创建图，可以使用普通的命令式控制流，来为每个输入执行不同的计算。
为了与上面的PyTorch自动梯度实例做对比，使用TensorFlow来拟合一个简单的2层网络：
import tensorflow as tf
import numpy as np
# 首先建立计算图（computational graph）
# N是批大小；D是输入维度；
# H是隐藏层维度；D_out是输出维度。
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 为输入和目标数据创建placeholder；
# 当执行计算图时，他将会被真实的数据填充
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, D_in))
y = tf.placeholder(tf.float32, shape=(None, D_out))
# 为权重创建Variable并用随机数据初始化
# TensorFlow的Variable在执行计算图时不会改变
w1 = tf.Variable(tf.random_normal((D_in, H)))
w2 = tf.Variable(tf.random_normal((H, D_out)))
# 前向传播：使用TensorFlow的张量运算计算预测值y。
# 注意这段代码实际上不执行任何数值运算；
# 只是建立了稍后将执行的计算图。
h = tf.matmul(x, w1)
h_relu = tf.maximum(h, tf.zeros(1))
y_pred = tf.matmul(h_relu, w2)
# 使用TensorFlow的张量运算损失（loss）
loss = tf.reduce_sum((y - y_pred) ** 2.0)
# 计算loss对于w1和w2的导数
grad_w1, grad_w2 = tf.gradients(loss, [w1, w2])
# 使用梯度下降更新权重。为了实际更新权重，需要在执行计算图时计算new_w1和new_w2。
# 注意，在TensorFlow中，更新权重值的行为是计算图的一部分;
# 但在PyTorch中，这发生在计算图形之外。
learning_rate = 1e-6
new_w1 = w1.assign(w1 - learning_rate * grad_w1)
new_w2 = w2.assign(w2 - learning_rate * grad_w2)
# 现在搭建好了计算图，所以开始一个TensorFlow的会话（session）来实际执行计算图。
with tf.Session() as sess:
# 运行一次计算图来初始化Variable w1和w2
sess.run(tf.global_variables_initializer())
# 创建numpy数组来存储输入x和目标y的实际数据
x_value = np.random.randn(N, D_in)
y_value = np.random.randn(N, D_out)
for _ in range(500):
# 多次运行计算图。每次执行时，都用feed_dict参数，
# 将x_value绑定到x，将y_value绑定到y，
# 每次执行图形时都要计算损失、new_w1和new_w2；
# 这些张量的值以numpy数组的形式返回。
loss_value, _, _ = sess.run([loss, new_w1, new_w2],
feed_dict={x: x_value, y: y_value})
print(loss_value)
4.nn模块
4.1 PyTorch：nn
计算图和autograd是十分强大的工具，可以定义复杂的操作并自动求导；然而对于大规模的网络，autograd太过于底层。 在构建神经网络时，经常考虑将计算安排成层，其中一些具有可学习的参数，将在学习过程中进行优化。
TensorFlow里，有类似Keras，TensorFlow-Slim和TFLearn这种封装了底层计算图的高度抽象的接口，这使得构建网络十分方便。
在PyTorch中，包nn完成了同样的功能。nn包中定义一组大致等价于层的模块。一个模块接受输入的tesnor，计算输出的tensor，而且还保存了一些内部状态比如需要学习的tensor的参数等。nn包中也定义了一组损失函数（loss functions），用来训练神经网络。
这个例子中，用nn包实现两层的网络：
# -*- coding: utf-8 -*-
import torch
# N是批大小；D是输入维度
# H是隐藏层维度；D_out是输出维度
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
#创建输入和输出随机张量
x = torch.randn(N, D_in)
y = torch.randn(N, D_out)
# 使用nn包将的模型定义为一系列的层。
# nn.Sequential是包含其他模块的模块，并按顺序应用这些模块来产生其输出。
# 每个线性模块使用线性函数从输入计算输出，并保存其内部的权重和偏差张量。
# 在构造模型之后，使用.to()方法将其移动到所需的设备。
model = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(D_in, H),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(H, D_out),
)
# nn包还包含常用的损失函数的定义；
# 在这种情况下，将使用平均平方误差(MSE)作为的损失函数。
# 设置reduction='sum'，表示计算的是平方误差的“和”，而不是平均值;
# 这是为了与前面手工计算损失的例子保持一致，
# 但是在实践中，通过设置reduction='elementwise_mean'来使用均方误差作为损失更为常见。
loss_fn = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
learning_rate = 1e-4
for t in range(500):
# 前向传播：通过向模型传入x计算预测的y。
# 模块对象重载了__call__运算符，所以可以像函数那样调用。
# 这么做相当于向模块传入了一个张量，然后返回了一个输出张量。
y_pred = model(x)
# 计算并打印损失。
# 传递包含y的预测值和真实值的张量，损失函数返回包含损失的张量。
loss = loss_fn(y_pred, y)
print(t, loss.item())
# 反向传播之前清零梯度
model.zero_grad()
# 反向传播：计算模型的损失对所有可学习参数的导数（梯度）。
# 在内部，每个模块的参数存储在requires_grad=True的张量中，
# 因此这个调用将计算模型中所有可学习参数的梯度。
loss.backward()
# 使用梯度下降更新权重。
# 每个参数都是张量，所以可以像以前那样可以得到的数值和梯度
with torch.no_grad():
for param in model.parameters():
param -= learning_rate * param.grad
4.2 PyTorch：optim
到目前为止，已经通过手动改变，包含可学习参数的张量，来更新模型的权重。对于随机梯度下降(SGD/stochastic gradient descent)等简单的优化算法来说，这不是一个很大的负担，但在实践中，经常使用AdaGrad、RMSProp、Adam等更复杂的优化器，来训练神经网络。
import torch
# N是批大小；D是输入维度
# H是隐藏层维度；D_out是输出维度
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 产生随机输入和输出张量
x = torch.randn(N, D_in)
y = torch.randn(N, D_out)
# 使用nn包定义模型和损失函数
model = torch.nn.Sequential(
torch.nn.Linear(D_in, H),
torch.nn.ReLU(),
torch.nn.Linear(H, D_out),
)
loss_fn = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
# 使用optim包定义优化器（Optimizer）。Optimizer将会为更新模型的权重。
# 这里使用Adam优化方法；optim包还包含了许多别的优化算法。
# Adam构造函数的第一个参数告诉优化器应该更新哪些张量。
learning_rate = 1e-4
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)
for t in range(500):
# 前向传播：通过像模型输入x计算预测的y
y_pred = model(x)
# 计算并打印loss
loss = loss_fn(y_pred, y)
print(t, loss.item())
# 在反向传播之前，使用optimizer将要更新的所有张量的梯度清零(这些张量是模型可学习的权重)
optimizer.zero_grad()
# 反向传播：根据模型的参数计算loss的梯度
loss.backward()
# 调用Optimizer的step函数使所有参数更新
optimizer.step()
4.3 PyTorch：自定义nn模块
有时候，需要指定比现有模块序列更复杂的模型；对于这些情况，可以通过继承nn.Module并定义forward函数，这个forward函数可以使用其他模块或者其他的自动求导运算，来接收输入tensor，产生输出tensor。
在这个例子中，用自定义Module的子类构建两层网络：
import torch
class TwoLayerNet(torch.nn.Module):
def __init__(self, D_in, H, D_out):
"""
在构造函数中，实例化了两个nn.Linear模块，并将作为成员变量。
"""
super(TwoLayerNet, self).__init__()
self.linear1 = torch.nn.Linear(D_in, H)
self.linear2 = torch.nn.Linear(H, D_out)
def forward(self, x):
"""
在前向传播的函数中，接收一个输入的张量，也必须返回一个输出张量。
可以使用构造函数中定义的模块以及张量上的任意的（可微分的）操作。
"""
h_relu = self.linear1(x).clamp(min=0)
y_pred = self.linear2(h_relu)
return y_pred
# N是批大小； D_in 是输入维度；
# H 是隐藏层维度； D_out 是输出维度
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 产生输入和输出的随机张量
x = torch.randn(N, D_in)
y = torch.randn(N, D_out)
# 通过实例化上面定义的类来构建的模型。
model = TwoLayerNet(D_in, H, D_out)
# 构造损失函数和优化器。
# SGD构造函数中对model.parameters()的调用，
# 将包含模型的一部分，即两个nn.Linear模块的可学习参数。
loss_fn = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-4)
for t in range(500):
# 前向传播：通过向模型传递x计算预测值y
y_pred = model(x)
#计算并输出loss
loss = loss_fn(y_pred, y)
print(t, loss.item())
# 清零梯度，反向传播，更新权重
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()
4.4 PyTorch：控制流和权重共享
作为动态图和权重共享的一个例子，实现了一个非常奇怪的模型：一个全连接的ReLU网络，在每一次前向传播时，隐藏层的层数为随机1到4之间的数，这样可以多次重用相同的权重来计算。
因为这个模型可以使用普通的Python流控制来实现循环，并且可以通过在定义转发时，多次重用同一个模块，来实现最内层之间的权重共享。
利用Mudule的子类很容易实现这个模型：
import random
import torch
class DynamicNet(torch.nn.Module):
def __init__(self, D_in, H, D_out):
"""
在构造函数中，构造了三个nn.Linear实例，将在前向传播时被使用。
"""
super(DynamicNet, self).__init__()
self.input_linear = torch.nn.Linear(D_in, H)
self.middle_linear = torch.nn.Linear(H, H)
self.output_linear = torch.nn.Linear(H, D_out)
def forward(self, x):
"""
对于模型的前向传播，随机选择0、1、2、3，
并重用了多次计算隐藏层的middle_linear模块。
由于每个前向传播构建一个动态计算图，
可以在定义模型的前向传播时使用常规Python控制流运算符，如循环或条件语句。
在这里，还看到，在定义计算图形时多次重用同一个模块是完全安全的。
这是Lua Torch的一大改进，因为Lua Torch中每个模块只能使用一次。
"""
h_relu = self.input_linear(x).clamp(min=0)
for _ in range(random.randint(0, 3)):
h_relu = self.middle_linear(h_relu).clamp(min=0)
y_pred = self.output_linear(h_relu)
return y_pred
# N是批大小；D是输入维度
# H是隐藏层维度；D_out是输出维度
N, D_in, H, D_out = 64, 1000, 100, 10
# 产生输入和输出随机张量
x = torch.randn(N, D_in)
y = torch.randn(N, D_out)
# 实例化上面定义的类来构造的模型
model = DynamicNet(D_in, H, D_out)
# 构造的损失函数（loss function）和优化器（Optimizer）。
# 用平凡的随机梯度下降训练这个奇怪的模型是困难的，所以使用了momentum方法。
criterion = torch.nn.MSELoss(reduction='sum')
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-4, momentum=0.9)
for t in range(500):
# 前向传播：通过向模型传入x计算预测的y。
y_pred = model(x)
# 计算并打印损失
loss = criterion(y_pred, y)
print(t, loss.item())
# 清零梯度，反向传播，更新权重
optimizer.zero_grad()
loss.backward()
optimizer.step()