我们将通过一个简单的示例，快速了解如何使用 PyTorch 进行机器学习任务。PyTorch 是一个开源的机器学习库，它提供了丰富的工具和库，帮助我们轻松地构建、训练和测试神经网络模型。以下是本教程的主要内容：
一、数据处理
PyTorch 提供了两个基本的数据处理工具：torch.utils.data.DataLoader 和 torch.utils.data.Dataset。Dataset 用于存储样本及其对应的标签，而 DataLoader 则为 Dataset 提供了一个可迭代的包装器。
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import ToTensorPyTorch 还提供了许多特定领域的库，如 TorchText、TorchVision 和 TorchAudio，这些库中都包含了各种数据集。在本教程中，我们将使用 TorchVision 中的 FashionMNIST 数据集。每个 TorchVision Dataset 都包含两个参数：transform 和 target_transform，分别用于修改样本和标签。
# 下载 FashionMNIST 数据集
training_data = datasets.FashionMNIST(
root="data",
train=True,
download=True,
transform=ToTensor()
)
test_data = datasets.FashionMNIST(
root="data",
train=False,
download=True,
transform=ToTensor()
)我们将 Dataset 作为参数传递给 DataLoader。DataLoader 为我们的数据集提供了一个可迭代的包装器，并支持自动批处理、采样、洗牌和多进程数据加载。在这里，我们定义了一个大小为 64 的批次，即数据加载器可迭代对象的每个元素将返回一个包含 64 个特征和标签的批次。
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=64, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64, shuffle=True)二、创建模型
在 PyTorch 中，我们通过创建一个继承自 nn.Module 的类来定义神经网络。我们在 __init__ 函数中定义网络的层，并在 forward 函数中指定数据如何通过网络传递。为了加速神经网络中的操作，我们将网络移动到加速器（如 CUDA、MPS、MTIA 或 XPU）上。如果当前加速器可用，我们将使用它；否则，我们将使用 CPU。
class NeuralNetwork(nn.Module):
def __init__(self):
super(NeuralNetwork, self).__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三、优化模型参数
为了训练模型，我们需要一个损失函数和一个优化器。在一个训练循环中，模型会对训练数据集（以批次形式提供）进行预测，并将预测误差反向传播以调整模型的参数。
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
size = len(dataloader.dataset)
model.train()
for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
X, y = X.to(device), y.to(device)
# 计算预测误差
pred = model(X)
loss = loss_fn(pred, y)
# 反向传播
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()
if batch % 100 == 0:
loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
print(f"loss: {loss:>7f} [{current:>5d}/{size:>5d}]")我们还需要检查模型在测试数据集上的性能，以确保它正在学习。
def test(dataloader, model, loss_fn):
size = len(dataloader.dataset)
num_batches = len(dataloader)
model.eval()
test_loss, correct = 0, 0
with torch.no_grad():
for X, y in dataloader:
X, y = X.to(device), y.to(device)
pred = model(X)
test_loss += loss_fn(pred, y).item()
correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
test_loss /= num_batches
correct /= size
print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")训练过程会在多个迭代（epoch）中进行。在每个 epoch 中，模型会学习参数以做出更好的预测。我们在每个 epoch 打印模型的准确率和损失；我们希望看到准确率随着每个 epoch 的增加而增加，损失则随着每个 epoch 的增加而减少。
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!")四、保存模型
保存模型的一种常见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")五、加载模型
加载模型的过程包括重新创建模型结构，并将状态字典加载到其中。
model = NeuralNetwork()
model.load_state_dict(torch.load("model.pth"))现在，我们可以使用这个模型来进行预测。
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}"')以上就是使用 PyTorch 进行机器学习任务的基本流程。
六、完整代码
import torch
from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torchvision import datasets
from torchvision.transforms import ToTensor
# 下载 FashionMNIST 数据集
training_data = datasets.FashionMNIST(
root="data",
train=True,
download=True,
transform=ToTensor()
)
test_data = datasets.FashionMNIST(
root="data",
train=False,
download=True,
transform=ToTensor()
)
# 创建数据加载器
train_dataloader = DataLoader(training_data, batch_size=64, shuffle=True)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64, shuffle=True)
# 定义神经网络模型
class NeuralNetwork(nn.Module):
def __init__(self):
super(NeuralNetwork, self).__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
# 检查是否有可用的加速器
device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
print(f"Using {device} device")
# 实例化模型并移动到加速器上
model = NeuralNetwork().to(device)
print(model)
# 定义损失函数和优化器
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)
# 定义训练函数
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
size = len(dataloader.dataset)
model.train()
for batch, (X, y) in enumerate(dataloader):
X, y = X.to(device), y.to(device)
# 计算预测误差
pred = model(X)
loss = loss_fn(pred, y)
# 反向传播
loss.backward()
optimizer.step()
optimizer.zero_grad()
if batch % 100 == 0:
loss, current = loss.item(), (batch + 1) * len(X)
print(f"loss: {loss:>7f} [{current:>5d}/{size:>5d}]")
# 定义测试函数
def test(dataloader, model, loss_fn):
size = len(dataloader.dataset)
num_batches = len(dataloader)
model.eval()
test_loss, correct = 0, 0
with torch.no_grad():
for X, y in dataloader:
X, y = X.to(device), y.to(device)
pred = model(X)
test_loss += loss_fn(pred, y).item()
correct += (pred.argmax(1) == y).type(torch.float).sum().item()
test_loss /= num_batches
correct /= size
print(f"Test Error: \n Accuracy: {(100*correct):>0.1f}%, Avg loss: {test_loss:>8f} \n")
# 训练和测试模型
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!")
# 保存模型
torch.save(model.state_dict(), "model.pth")
print("Saved PyTorch Model State to model.pth")
# 加载模型
model = NeuralNetwork()
model.load_state_dict(torch.load("model.pth"))
# 使用模型进行预测
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}"')
