13个你一定来看看的PyTorch特性！

作者：MARCIN ZABŁOCKIMARCIN ZABŁOCKI

编译：ronghuaiyang（AI公园）

导读

PyTorch使用上的13个特性，确实非常的有用。

PyTorch在学术界和工业界的应用研究中都获得了很多关注。它是一个具有很大灵活性的深度学习框架，使用了大量的实用工具和函数来加快工作速度。PyTorch的学习曲线并不是那么陡峭，但在其中实现高效和干净的代码可能会很棘手。在使用它超过2年之后，以下是我最喜欢的PyTorch功能，我希望我一开始学习它就知道。

1. DatasetFolder

当学习PyTorch时，人们首先要做的事情之一是实现自己的某种Dataset 。这是一个低级错误，没有必要浪费时间写这样的东西。通常，数据集要么是数据列表（或者是numpy数组），要么磁盘上的文件。所以，把数据在磁盘上组织好，要比写一个自定义的Dataset来加载某种奇怪的格式更好。

分类器最常见的数据格式之一，是有一个带有子文件夹的目录，子文件夹表示类，子文件夹中的文件表示样本，如下所示。

folder/class_0/file1.txt

folder/class_0/file2.txt

folder/class_0/。。.

folder/class_1/file3.txt

folder/class_1/file4.txt

folder/class_2/file5.txt

folder/class_2/。。.

有一个内置的方式来加载这类数据集，不管你的数据是图像，文本文件或其他什么，只要使用‘DatasetFolder就可以了。令人惊讶的是，这个类是torchvision包的一部分，而不是核心PyTorch。这个类非常全面，你可以从文件夹中过滤文件，使用自定义代码加载它们，并动态转换原始文件。例子：

from torchvision.datasets import DatasetFolder

from pathlib import Path

# I have text files in this folder

ds = DatasetFolder（“/Users/marcin/Dev/tmp/my_text_dataset”，

loader=lambda path： Path（path）.read_text（），

extensions=（“.txt”，）， #only load .txt files

transform=lambda text： text［：100］， # only take first 100 characters

）

# Everything you need is already there

len（ds）， ds.classes， ds.class_to_idx

（20， ［’novels‘， ’thrillers‘］， {’novels‘： 0， ’thrillers‘： 1}）

如果你在处理图像，还有一个torchvision.datasets.ImageFolder类，它基于DatasetLoader，它被预先配置为加载图像。

2. 尽量少用 .to（device） ，用 zeros_like / ones_like 之类的代替

我读过很多来自GitHub仓库的PyTorch代码。最让我恼火的是，几乎在每个repo中都有许多*.to（device）行，它们将数据从CPU或GPU转移到其他地方。这样的语句通常会出现在大量的repos或初学者教程中。我强烈建议尽可能少地实现这类操作，并依赖内置的PyTorch功能自动实现这类操作。到处使用.to（device）通常会导致性能下降，还会出现异常：

Expected object of device type cuda but got device type cpu

显然，有些情况下你无法回避它，但大多数情况（如果不是全部）都在这里。其中一种情况是初始化一个全0或全1的张量，这在深度神经网络计算损失的的时候是经常发生的，模型的输出已经在cuda上了，你需要另外的tensor也是在cuda上，这时，你可以使用*_like操作符：

my_output # on any device， if it’s cuda then my_zeros will also be on cuda

my_zeros = torch.zeros_like（my_output_from_model）

在内部，PyTorch所做的是调用以下操作：

my_zeros = torch.zeros（my_output.size（）， dtype=my_output.dtype， layout=my_output.layout， device=my_output.device）

所以所有的设置都是正确的，这样就减少了代码中出现错误的概率。类似的操作包括：

torch.zeros_like（）

torch.ones_like（）

torch.rand_like（）

torch.randn_like（）

torch.randint_like（）

torch.empty_like（）

torch.full_like（）

3. Register Buffer （ nn.Module.register_buffer）

这将是我劝人们不要到处使用 .to（device） 的下一步。有时，你的模型或损失函数需要有预先设置的参数，并在调用forward时使用，例如，它可以是一个“权重”参数，它可以缩放损失或一些固定张量，它不会改变，但每次都使用。对于这种情况，请使用nn.Module.register_buffer 方法，它告诉PyTorch将传递给它的值存储在模块中，并将这些值随模块一起移动。如果你初始化你的模块，然后将它移动到GPU，这些值也会自动移动。此外，如果你保存模块的状态，buffers也会被保存！

一旦注册，这些值就可以在forward函数中访问，就像其他模块的属性一样。

from torch import nn

import torch

class ModuleWithCustomValues（nn.Module）：

def __init__（self， weights， alpha）：

super（）.__init__（）

self.register_buffer（“weights”， torch.tensor（weights））

self.register_buffer（“alpha”， torch.tensor（alpha））

def forward（self， x）：

return x * self.weights + self.alpha

m = ModuleWithCustomValues（

weights=［1.0， 2.0］， alpha=1e-4

）

m（torch.tensor（［1.23， 4.56］））

tensor（［1.2301， 9.1201］）

4. Built-in Identity（）

有时候，当你使用迁移学习时，你需要用1:1的映射替换一些层，可以用nn.Module来实现这个目的，只返回输入值。PyTorch内置了这个类。

例子，你想要在分类层之前从一个预训练过的ResNet50获取图像表示。以下是如何做到这一点：

from torchvision.models import resnet50

model = resnet50（pretrained=True）

model.fc = nn.Identity（）

last_layer_output = model（torch.rand（（1， 3， 224， 224）））

last_layer_output.shape

torch.Size（［1， 2048］）

5. Pairwise distances： torch.cdist

下次当你遇到计算两个张量之间的欧几里得距离（或者一般来说：p范数）的问题时，请记住torch.cdist。它确实做到了这一点，并且在使用欧几里得距离时还自动使用矩阵乘法，从而提高了性能。

points1 = torch.tensor（［［0.0， 0.0］， ［1.0， 1.0］， ［2.0， 2.0］］）

points2 = torch.tensor（［［0.0， 0.0］， ［-1.0， -1.0］， ［-2.0， -2.0］， ［-3.0， -3.0］］） # batches don‘t have to be equal

torch.cdist（points1， points2， p=2.0）

tensor（［［0.0000， 1.4142， 2.8284， 4.2426］，

［1.4142， 2.8284， 4.2426， 5.6569］，

［2.8284， 4.2426， 5.6569， 7.0711］］）

没有矩阵乘法或有矩阵乘法的性能，在我的机器上使用mm时，速度快了2倍以上。

%%timeit

points1 = torch.rand（（512， 2））

points2 = torch.rand（（512， 2））

torch.cdist（points1， points2， p=2.0， compute_mode=“donot_use_mm_for_euclid_dist”）

867µs±142µs per loop （mean±std. dev. of 7 run， 1000 loop each）

%%timeit

points1 = torch.rand（（512， 2））

points2 = torch.rand（（512， 2））

torch.cdist（points1， points2， p=2.0）

417µs±52.9µs per loop （mean±std. dev. of 7 run， 1000 loop each）

6. Cosine similarity： F.cosine_similarity

与上一点相同，计算欧几里得距离并不总是你需要的东西。当处理向量时，通常余弦相似度是选择的度量。PyTorch也有一个内置的余弦相似度实现。

import torch.nn.functional as F

vector1 = torch.tensor（［0.0， 1.0］）

vector2 = torch.tensor（［0.05， 1.0］）

print（F.cosine_similarity（vector1， vector2， dim=0））

vector3 = torch.tensor（［0.0， -1.0］）

print（F.cosine_similarity（vector1， vector3， dim=0））

tensor（0.9988）

tensor（-1.）

PyTorch中批量计算余弦距离

import torch.nn.functional as F

batch_of_vectors = torch.rand（（4， 64））

similarity_matrix = F.cosine_similarity（batch_of_vectors.unsqueeze（1）， batch_of_vectors.unsqueeze（0）， dim=2）

similarity_matrix

tensor（［［1.0000， 0.6922， 0.6480， 0.6789］，

［0.6922， 1.0000， 0.7143， 0.7172］，

［0.6480， 0.7143， 1.0000， 0.7312］，

［0.6789， 0.7172， 0.7312， 1.0000］］）

7. 归一化向量： F.normalize

最后一点仍然与向量和距离有松散的联系，那就是归一化：通常是通过改变向量的大小来提高计算的稳定性。最常用的归一化是L2，可以在PyTorch中按如下方式应用：

vector = torch.tensor（［99.0， -512.0， 123.0， 0.1， 6.66］）

normalized_vector = F.normalize（vector， p=2.0， dim=0）

normalized_vector

tensor（［ 1.8476e-01， -9.5552e-01， 2.2955e-01， 1.8662e-04， 1.2429e-02］）

在PyTorch中执行归一化的旧方法是：

vector = torch.tensor（［99.0， -512.0， 123.0， 0.1， 6.66］）

normalized_vector = vector / torch.norm（vector， p=2.0）

normalized_vector

tensor（［ 1.8476e-01， -9.5552e-01， 2.2955e-01， 1.8662e-04， 1.2429e-02］）

在PyTorch中批量进行L2归一化

batch_of_vectors = torch.rand（（4， 64））

normalized_batch_of_vectors = F.normalize（batch_of_vectors， p=2.0， dim=1）

normalized_batch_of_vectors.shape， torch.norm（normalized_batch_of_vectors， dim=1） # all vectors will have length of 1.0

（torch.Size（［4， 64］）， tensor（［1.0000， 1.0000， 1.0000， 1.0000］））

8. 线性层 + 分块技巧 （torch.chunk）

这是我最近发现的一个有创意的技巧。假设你想把你的输入映射到N个不同的线性投影中。你可以通过创建N个nn.Linear来做到这一点。或者你也可以创建一个单一的线性层，做一个向前传递，然后将输出分成N块。这种方法通常会带来更高的性能，所以这是一个值得记住的技巧。

d = 1024

batch = torch.rand（（8， d））

layers = nn.Linear（d， 128， bias=False）， nn.Linear（d， 128， bias=False）， nn.Linear（d， 128， bias=False）

one_layer = nn.Linear（d， 128 * 3， bias=False）

%%timeit

o1 = layers［0］（batch）

o2 = layers［1］（batch）

o3 = layers［2］（batch）

289 µs ± 30.8 µs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

%%timeit

o1， o2， o3 = torch.chunk（one_layer（batch）， 3， dim=1）

202 µs ± 8.09 µs per loop （mean ± std. dev. of 7 runs， 1000 loops each）

9. Masked select （torch.masked_select）

有时你只需要对输入张量的一部分进行计算。给你一个例子：你想计算的损失只在满足某些条件的张量上。为了做到这一点，你可以使用torch.masked_select，注意，当需要梯度时也可以使用这个操作。

data = torch.rand（（3， 3））.requires_grad_（）

print（data）

mask = data 》 data.mean（）

print（mask）

torch.masked_select（data， mask）

tensor（［［0.0582， 0.7170， 0.7713］，

［0.9458， 0.2597， 0.6711］，

［0.2828， 0.2232， 0.1981］］， requires_grad=True）

tensor（［［False， True， True］，

［ True， False， True］，

［False， False， False］］）

tensor（［0.7170， 0.7713， 0.9458， 0.6711］， grad_fn=《MaskedSelectBackward》）

直接在tensor上应用mask

类似的行为可以通过使用mask作为输入张量的 “indexer”来实现。

data［mask］

tensor（［0.7170， 0.7713， 0.9458， 0.6711］， grad_fn=《IndexBackward》）

有时，一个理想的解决方案是用0填充mask中所有的False值，可以这样做：

data * mask

tensor（［［0.0000， 0.7170， 0.7713］，

［0.9458， 0.0000， 0.6711］，

［0.0000， 0.0000， 0.0000］］， grad_fn=《MulBackward0》）

10. 使用 torch.where来对tensors加条件

当你想把两个张量结合在一个条件下这个函数很有用，如果条件是真，那么从第一个张量中取元素，如果条件是假，从第二个张量中取元素。

x = torch.tensor（［1.0， 2.0， 3.0， 4.0， 5.0］， requires_grad=True）

y = -x

condition_or_mask = x 《= 3.0

torch.where（condition_or_mask， x， y）

tensor（［ 1.， 2.， 3.， -4.， -5.］， grad_fn=《SWhereBackward》）

11. 在给定的位置给张量填入值（Tensor.scatter）

这个函数的用例如下，你想用给定位置下另一个张量的值填充一个张量。一维张量更容易理解，所以我将先展示它，然后继续更高级的例子。

data = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

data.scatter（0， index， values）

tensor（［-1， -2， 3， 4， 5］）

上面的例子很简单，但是现在看看如果将index改为index = torch.tensor（［0， 1， 4］）会发生什么：

data = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1， 4］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

data.scatter（0， index， values）

tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］）

为什么最后一个值是-3，这是反直觉的，对吧？这是PyTorch scatter函数的中心思想。index变量表示data张量的第i个值应该放在values张量的哪个位置。我希望下面的简单python版的这个操作能让你更明白：

data_orig = torch.tensor（［1， 2， 3， 4， 5］）

index = torch.tensor（［0， 1， 4］）

values = torch.tensor（［-1， -2， -3， -4， -5］）

scattered = data_orig.scatter（0， index， values）

data = data_orig.clone（）

for idx_in_values， where_to_put_the_value in enumerate（index）：

what_value_to_put = values［idx_in_values］

data［where_to_put_the_value］ = what_value_to_put

data， scattered

（tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］）， tensor（［-1， -2， 3， 4， -3］））

2D数据的PyTorch scatter例子

始终记住，index的形状与values的形状相关，而index中的值对应于data中的位置。

data = torch.zeros（（4， 4））.float（）

index = torch.tensor（［

［0， 1］，

［2， 3］，

［0， 3］，

［1， 2］

］）

values = torch.arange（1， 9）.float（）.view（4， 2）

values， data.scatter（1， index， values）

（tensor（［［1.， 2.］，

［3.， 4.］，

［5.， 6.］，

［7.， 8.］］），

tensor（［［1.， 2.， 0.， 0.］，

［0.， 0.， 3.， 4.］，

［5.， 0.， 0.， 6.］，

［0.， 7.， 8.， 0.］］））

12. 在网络中进行图像插值 （F.interpolate）

当我学习PyTorch时，我惊讶地发现，实际上可以在前向传递中调整图像（或任何中间张量），并保持梯度流。这种方法在使用CNN和GANs时特别有用。

# image from https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_female_British_Shorthair_at_the_age_of_20_months.jpg

img = Image.open（“。/cat.jpg”）

img

to_pil_image（

F.interpolate（to_tensor（img）.unsqueeze（0）， # batch of size 1

mode=“bilinear”，

scale_factor=2.0，

align_corners=False）.squeeze（0） # remove batch dimension

）

看看梯度流是如何保存的：

F.interpolate（to_tensor（img）.unsqueeze（0）.requires_grad_（），

mode=“bicubic”，

scale_factor=2.0，

align_corners=False）

tensor（［［［［0.9216， 0.9216， 0.9216， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

［0.9214， 0.9214， 0.9214， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

［0.9212， 0.9212， 0.9212， 。。.， 0.8361， 0.8272， 0.8219］，

。。.，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3592， 0.3486， 0.3421］，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3566， 0.3463， 0.3400］，

［0.9098， 0.9098， 0.9098， 。。.， 0.3550， 0.3449， 0.3387］］，

［［0.6627， 0.6627， 0.6627， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

［0.6626， 0.6626， 0.6626， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

［0.6623， 0.6623， 0.6623， 。。.， 0.5380， 0.5292， 0.5238］，

。。.，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3631， 0.3525， 0.3461］，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3605， 0.3502， 0.3439］，

［0.6196， 0.6196， 0.6196， 。。.， 0.3589， 0.3488， 0.3426］］，

［［0.4353， 0.4353， 0.4353， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

［0.4352， 0.4352， 0.4352， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

［0.4349， 0.4349， 0.4349， 。。.， 0.1913， 0.1835， 0.1787］，

。。.，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3827， 0.3721， 0.3657］，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3801， 0.3698， 0.3635］，

［0.3333， 0.3333， 0.3333， 。。.， 0.3785， 0.3684， 0.3622］］］］，

grad_fn=《UpsampleBicubic2DBackward1》）

13. 将图像做成网格 （torchvision.utils.make_grid）

当使用PyTorch和torchvision时，不需要使用matplotlib或一些外部库来复制粘贴代码来显示图像网格。只要使用torchvision.utils.make_grid就行了。

from torchvision.utils import make_grid

from torchvision.transforms.functional import to_tensor， to_pil_image

from PIL import Image

img = Image.open（“。/cat.jpg”）

to_pil_image（

make_grid（

［to_tensor（i） for i in ［img， img， img］］，

nrow=2， # number of images in single row

padding=5 # “frame” size

）

）

英文原文：https://zablo.net/blog/post/pytorch-13-features-you-should-know/

编辑：jq