知行编程网知行编程网  2022-06-22 18:00 知行编程网 隐藏边栏 |   抢沙发  32 
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汇总 Pytorch 踩过的10个坑
作者丨土豆@知乎
来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/180020358
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pytorch中的交叉熵

pytorch的交叉熵nn.CrossEntropyLoss在训练阶段,里面是内置了softmax操作的,因此只需要喂入原始的数据结果即可,不需要在之前再添加softmax层。这个和tensorflow的tf.softmax_cross_entropy_with_logits如出一辙.[1][2]pytorch的交叉熵nn.CrossEntropyLoss在训练阶段,里面是内置了softmax操作的,因此只需要喂入原始的数据结果即可,不需要在之前再添加softmax层。这个和tensorflow的tf.softmax_cross_entropy_with_logits如出一辙.[1][2]

pytorch中的MSELoss和KLDivLoss

在深度学习中,MSELoss均方差损失和KLDivLossKL散度是经常使用的两种损失,在pytorch中,也有这两个函数,如:

这个时候我们要注意到,我们的标签target是需要一个不能被训练的,也就是requires_grad=False的值,否则将会报错,出现如:

我们注意到,其实不只是MSELoss,其他很多loss,比如交叉熵,KL散度等,其target都需要是一个不能被训练的值的,这个和TensorFlow中的tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits_v2不太一样,后者可以使用可训练的target,具体见[3]

在验证和测试阶段取消掉梯度(no_grad)

一般来说,我们在进行模型训练的过程中,因为要监控模型的性能,在跑完若干个epoch训练之后,需要进行一次在验证集[4]上的性能验证。一般来说,在验证或者是测试阶段,因为只是需要跑个前向传播(forward)就足够了,因此不需要保存变量的梯度。保存梯度是需要额外显存或者内存进行保存的,占用了空间,有时候还会在验证阶段导致OOM(Out Of Memory)错误,因此我们在验证和测试阶段,最好显式地取消掉模型变量的梯度。pytroch 0.4及其以后的版本中,用torch.no_grad()这个上下文管理器就可以了,例子如下:

如上,我们只需要在加上上下文管理器就可以很方便的取消掉梯度。这个功能在pytorch以前的版本中,通过设置volatile=True生效,不过现在这个用法已经被抛弃了。

显式指定model.train()model.eval()

我们的模型中经常会有一些子模型,其在训练时候和测试时候的参数是不同的,比如dropout[6]中的丢弃率和Batch Normalization[5]中的等,这个时候我们就需要显式地指定不同的阶段(训练或者测试),在pytorch中我们通过model.train()model.eval()进行显式指定,具体如:
注意,在模型中有BN层或者dropout层时,在训练阶段和测试阶段必须显式指定train()和eval()

关于retain_graph的使用

在对一个损失进行反向传播时,在pytorch中调用out.backward()即可实现,给个小例子如:
loss进行反向传播就可以求得,即是损失对于每个叶子节点的梯度。我们注意到,在.backward()这个API的文档中,有几个参数,如:
这里我们关注的是retain_graph这个参数,这个参数如果为False或者None则在反向传播完后,就释放掉构建出来的graph,如果为True则不对graph进行释放[7][8]。
我们这里就有个问题,我们既然已经计算忘了梯度了,为什么还要保存graph呢?直接释放掉等待下一个迭代不就好了吗,不释放掉不会白白浪费内存吗?我们这里根据[7]中的讨论,简要介绍下为什么在某些情况下需要保留graph。如下图所示,我们用代码构造出此graph:
汇总 Pytorch 踩过的10个坑
如果我们第一次需要对末节点d进行求梯度,我们有:
问题是在执行完反向传播之后,因为没有显式地要求它保留graph,系统对graph内存进行释放,如果下一步需要对节点e进行求梯度,那么将会因为没有这个graph而报错。因此有例子:
利用这个性质在某些场景是有作用的,比如在对抗生成网络GAN中需要先对某个模块比如生成器进行训练,后对判别器进行训练,这个时候整个网络就会存在两个以上的loss,例子如:
这个时候就可以对网络中多个loss进行分步的训练了。

进行梯度累积,实现内存紧张情况下的大batch_size训练

在上面讨论的retain_graph参数中,还可以用于累积梯度,在GPU显存紧张的情况下使用可以等价于用更大的batch_size进行训练。首先我们要明白,当调用.backward()时,其实是对损失到各个节点的梯度进行计算,计算结果将会保存在各个节点上,如果不用opt.zero_grad()对其进行清0,那么只要你一直调用.backward()梯度就会一直累积,相当于是在大的batch_size下进行的训练。我们给出几个例子阐述我们的观点。
第一次输出:
在运行一次loss.backward(retain_graph=True),输出为:
同理,第三次:
运行一次opt.zero_grad(),输出为:
现在明白为什么我们一般在求梯度时要用opt.zero_grad()了吧,那是为什么不要这次的梯度结果被上一次给影响,但是在某些情况下这个‘影响’是可以利用的。

调皮的dropout

这个在利用torch.nn.functional.dropout的时候,其参数为:
注意这里有个training指明了是否是在训练阶段,是否需要对神经元输出进行随机丢弃,这个是需要自行指定的,即便是用了model.train()或者model.eval()都是如此,这个和torch.nn.dropout不同,因为后者是一个(Layer),而前者只是一个函数,不能纪录状态[9]。

嘿,检查自己,说你呢, index_select

torch.index_select()是一个用于索引给定张量中某一个维度中元素的方法,其API手册如:
其作用很简单,比如我现在的输入张量为1000 * 10的尺寸大小,其中1000为样本数量,10为特征数目,如果我现在需要指定的某些样本,比如第1-100,300-400等等样本,我可以用一个index进行索引,然后应用torch.index_select()就可以索引了,例子如:
然而有一个问题是,pytorch似乎在使用GPU的情况下,不检查index是否会越界,因此如果你的index越界了,但是报错的地方可能不在使用index_select()的地方,而是在后续的代码中,这个似乎就需要留意下你的index了。同时,index是一个LongTensor,这个也是要留意的。

悄悄地更新,BN层就是个小可爱

在trainning状态下,BN层的统计参数running_meanrunning_var是在调用forward()后就更新的,这个和一般的参数不同,容易造成疑惑,考虑到篇幅较长,请移步到[11]。

F.interpolate的问题

我们经常需要对图像进行插值,而pytorch的确也是提供对以tensor形式表示的图像进行插值的功能,那就是函数torch.nn.functional.interpolate[12],但是我们注意到这个插值函数有点特别,它是对以batch为单位的图像进行插值的,如果你想要用以下的代码去插值:
那么这样就会报错,因为此处的size只接受一个整数,其对W这个维度进行缩放,这里,interpolate会认为3是batch_size,因此如果需要对图像的H和W进行插值,那么我们应该如下操作:

Reference

[1]. Why does CrossEntropyLoss include the softmax function?https://discuss.pytorch.org/t/why-does-crossentropyloss-include-the-softmax-function/4420
[2]. Do I need to use softmax before nn.CrossEntropyLoss()?https://discuss.pytorch.org/t/do-i-need-to-use-softmax-before-nn-crossentropyloss/16739/2
[3]. tf.nn.softmax_cross_entropy_with_logits 将在未来弃用,https://blog.csdn.net/LoseInVain/article/details/80932605
[4]. 训练集,测试集,检验集的区别与交叉检验,https://blog.csdn.net/LoseInVain/article/details/78108955
[5]. Ioffe S, Szegedy C. Batch normalization: Accelerating deep network training by reducing internal covariate shift[J]. arXiv preprint arXiv:1502.03167, 2015.
[6]. Hinton G E, Srivastava N, Krizhevsky A, et al. Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors[J]. arXiv preprint arXiv:1207.0580, 2012. 
[7]. What does the parameter retain_graph mean in the Variable's backward() method?https://stackoverflow.com/questions/46774641/what-does-the-parameter-retain-graph-mean-in-the-variables-backward-method
[8]. https://pytorch.org/docs/stable/autograd.html?highlight=backward#torch.Tensor.backward
[9] https://pytorch.org/docs/stable/nn.html?highlight=dropout#torch.nn.functional.dropout
[10]. https://github.com/pytorch/pytorch/issues/571
[11]. Pytorch的BatchNorm层使用中容易出现的问题,https://blog.csdn.net/LoseInVain/article/details/86476010
[12]. https://pytorch.org/docs/stable/nn.functional.html#torch.nn.functional.interpolate
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这个人很懒,什么都没写

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