PyTorch最佳实践，怎样才能写出一手风格优美的代码

虽然这是一个非官方的 PyTorch 指南，但本文总结了一年多使用 PyTorch 框架的经验，尤其是用它开发深度学习相关工作的最优解决方案。请注意，我们分享的经验大多是从研究和实践角度出发的。

这是一个开发的项目，欢迎其它读者改进该文档：

https://github.com/IgorSusmelj/pytorch-styleguide。

本文档主要由三个部分构成：首先，本文会简要清点 Python 中的最好装备。接着，本文会介绍一些使用 PyTorch 的技巧和建议。最后，我们分享了一些使用其它框架的见解和经验，这些框架通常帮助我们改进工作流。

一、清点 Python 装备

1. 建议使用 Python 3.6 以上版本

根据我们的经验，我们推荐使用 Python 3.6 以上的版本，因为它们具有以下特性，这些特性可以使我们很容易写出简洁的代码：

自 Python 3.6 以后支持「typing」模块
自 Python 3.6 以后支持格式化字符串(f string)

2. Python 风格指南

我们试图遵循 Google 的 Python 编程风格。请参阅 Google 提供的优秀的 python 编码风格指南：

地址：https://github.com/google/styleguide/blob/gh-pages/pyguide.md。

在这里，我们会给出一个最常用命名规范小结：

3. 集成开发环境

一般来说，我们建议使用 visual studio 或 PyCharm 这样的集成开发环境。而 VS Code 在相对轻量级的编辑器中提供语法高亮和自动补全功能，PyCharm 则拥有许多用于处理远程集群任务的高级特性。

4. Jupyter Notebooks VS Python 脚本

一般来说，我们建议使用 Jupyter Notebook 进行初步的探索，或尝试新的模型和代码。如果你想在更大的数据集上训练该模型，就应该使用 Python 脚本，因为在更大的数据集上，复现性更加重要。

我们推荐你采取下面的工作流程：

在开始的阶段，使用 Jupyter Notebook
对数据和模型进行探索
在 notebook 的单元中构建你的类/方法
将代码移植到 Python 脚本中
在服务器上训练/部署

5. 开发常备库

常用的程序库有：

6. 文件组织

不要将所有的层和模型放在同一个文件中。最好的做法是将最终的网络分离到独立的文件(networks.py)中，并将层、损失函数以及各种操作保存在各自的文件中(layers.py，losses.py，ops.py)。最终得到的模型(由一个或多个网络组成)应该用该模型的名称命名(例如，yolov3.py，DCGAN.py)，且引用各个模块。

主程序、单独的训练和测试脚本应该只需要导入带有模型名字的 Python 文件。

二、PyTorch 开发风格与技巧

我们建议将网络分解为更小的可复用的片段。一个 nn.Module 网络包含各种操作或其它构建模块。损失函数也是包含在 nn.Module 内，因此它们可以被直接整合到网络中。

继承 nn.Module 的类必须拥有一个「forward」方法，它实现了各个层或操作的前向传导。

一个 nn.module 可以通过「self.net(input)」处理输入数据。在这里直接使用了对象的「call()」方法将输入数据传递给模块。

output = self.net(input)

1. PyTorch 环境下的一个简单网络

使用下面的模式可以实现具有单个输入和输出的简单网络：

class ConvBlock(nn.Module):
def __init__(self):
super(ConvBlock, self).__init__()
block = [nn.Conv2d(...)]
block += [nn.ReLU()]
block += [nn.BatchNorm2d(...)]
self.block = nn.Sequential(*block)
def forward(self, x):
return self.block(x)
class SimpleNetwork(nn.Module):
def __init__(self, num_resnet_blocks=6):
super(SimpleNetwork, self).__init__()
# here we add the individual layers
layers = [ConvBlock(...)]
for i in range(num_resnet_blocks):
layers += [ResBlock(...)]
self.net = nn.Sequential(*layers)
def forward(self, x):
return self.net(x)

请注意以下几点：

我们复用了简单的循环构建模块(如卷积块 ConvBlocks)，它们由相同的循环模式(卷积、激活函数、归一化)组成，并装入独立的 nn.Module 中。
我们构建了一个所需要层的列表，并最终使用「nn.Sequential()」将所有层级组合到了一个模型中。我们在 list 对象前使用「*」操作来展开它。
在前向传导过程中，我们直接使用输入数据运行模型。

2. PyTorch 环境下的简单残差网络

class ResnetBlock(nn.Module):
def __init__(self, dim, padding_type, norm_layer, use_dropout, use_bias):
super(ResnetBlock, self).__init__()
selfself.conv_block = self.build_conv_block(...)
def build_conv_block(self, ...):
conv_block = []
conv_block += [nn.Conv2d(...),
norm_layer(...),
nn.ReLU()]
if use_dropout:
conv_block += [nn.Dropout(...)]
conv_block += [nn.Conv2d(...),
norm_layer(...)]
return nn.Sequential(*conv_block)
def forward(self, x):
out = x + self.conv_block(x)
return ou

在这里，ResNet 模块的跳跃连接直接在前向传导过程中实现了，PyTorch 允许在前向传导过程中进行动态操作。

3. PyTorch 环境下的带多个输出的网络

对于有多个输出的网络(例如使用一个预训练好的 VGG 网络构建感知损失)，我们使用以下模式:

class Vgg19(torch.nn.Module):
def __init__(self, requires_grad=False):
super(Vgg19, self).__init__()
vgg_pretrained_features = models.vgg19(pretrained=True).features
self.slice1 = torch.nn.Sequential()
self.slice2 = torch.nn.Sequential()
self.slice3 = torch.nn.Sequential()
for x in range(7):
self.slice1.add_module(str(x), vgg_pretrained_features[x])
for x in range(7, 21):
self.slice2.add_module(str(x), vgg_pretrained_features[x])
for x in range(21, 30):
self.slice3.add_module(str(x), vgg_pretrained_features[x])
if not requires_grad:
for param in self.parameters():
param.requires_grad = False
def forward(self, x):
h_relu1 = self.slice1(x)
h_relu2 = self.slice2(h_relu1)
h_relu3 = self.slice3(h_relu2)
out = [h_relu1, h_relu2, h_relu3]
return out

请注意以下几点：

我们使用由「torchvision」包提供的预训练模型
我们将一个网络切分成三个模块，每个模块由预训练模型中的层组成
我们通过设置「requires_grad = False」来固定网络权重
我们返回一个带有三个模块输出的 list

4. 自定义损失函数

即使 PyTorch 已经具有了大量标准损失函数，你有时也可能需要创建自己的损失函数。为了做到这一点，你需要创建一个独立的「losses.py」文件，并且通过扩展「nn.Module」创建你的自定义损失函数：

class CustomLoss(torch.nn.Module):
def __init__(self):
super(CustomLoss,self).__init__()
def forward(self,x,y):
loss = torch.mean((x - y)**2)
return loss

5. 训练模型的最佳代码结构

对于训练的最佳代码结构，我们需要使用以下两种模式：

使用 prefetch_generator 中的 BackgroundGenerator 来加载下一个批量数据
使用 tqdm 监控训练过程，并展示计算效率，这能帮助我们找到数据加载流程中的瓶颈

# import statements
import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils import data
...
# set flags / seeds
torch.backends.cudnn.benchmark = True
np.random.seed(1)
torch.manual_seed(1)
torch.cuda.manual_seed(1)
...
# Start with main code
if __name__ == '__main__':
# argparse for additional flags for experiment
parser = argparse.ArgumentParser(description="Train a network for ...")
...
opt = parser.parse_args()
# add code for datasets (we always use train and validation/ test set)
data_transforms = transforms.Compose([
transforms.Resize((opt.img_size, opt.img_size)),
transforms.RandomHorizontalFlip(),
transforms.ToTensor(),
transforms.Normalize((0.5, 0.5, 0.5), (0.5, 0.5, 0.5))
])
train_dataset = datasets.ImageFolder(
root=os.path.join(opt.path_to_data, "train"),
transform=data_transforms)
train_data_loader = data.DataLoader(train_dataset, ...)
test_dataset = datasets.ImageFolder(
root=os.path.join(opt.path_to_data, "test"),
transform=data_transforms)
test_data_loader = data.DataLoader(test_dataset ...)
...
# instantiate network (which has been imported from *networks.py*)
net = MyNetwork(...)
...
# create losses (criterion in pytorch)
criterion_L1 = torch.nn.L1Loss()
...
# if running on GPU and we want to use cuda move model there
use_cuda = torch.cuda.is_available()
if use_cuda:
netnet = net.cuda()
...
# create optimizers
optim = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=opt.lr)
...
# load checkpoint if needed/ wanted
start_n_iter = 0
start_epoch = 0
if opt.resume:
ckpt = load_checkpoint(opt.path_to_checkpoint) # custom method for loading last checkpoint
net.load_state_dict(ckpt['net'])
start_epoch = ckpt['epoch']
start_n_iter = ckpt['n_iter']
optim.load_state_dict(ckpt['optim'])
print("last checkpoint restored")
...
# if we want to run experiment on multiple GPUs we move the models there
net = torch.nn.DataParallel(net)
...
# typically we use tensorboardX to keep track of experiments
writer = SummaryWriter(...)
# now we start the main loop
n_iter = start_n_iter
for epoch in range(start_epoch, opt.epochs):
# set models to train mode
net.train()
...
# use prefetch_generator and tqdm for iterating through data
pbar = tqdm(enumerate(BackgroundGenerator(train_data_loader, ...)),
total=len(train_data_loader))
start_time = time.time()
# for loop going through dataset
for i, data in pbar:
# data preparation
img, label = data
if use_cuda:
imgimg = img.cuda()
labellabel = label.cuda()
...
# It's very good practice to keep track of preparation time and computation time using tqdm to find any issues in your dataloader
prepare_time = start_time-time.time()
# forward and backward pass
optim.zero_grad()
...
loss.backward()
optim.step()
...
# udpate tensorboardX
writer.add_scalar(..., n_iter)
...
# compute computation time and *compute_efficiency*
process_time = start_time-time.time()-prepare_time
pbar.set_description("Compute efficiency: {:.2f}, epoch: {}/{}:".format(
process_time/(process_time+prepare_time), epoch, opt.epochs))
start_time = time.time()
# maybe do a test pass every x epochs
if epoch % x == x-1:
# bring models to evaluation mode
net.eval()
...
#do some tests
pbar = tqdm(enumerate(BackgroundGenerator(test_data_loader, ...)),
total=len(test_data_loader))
for i, data in pbar:
...
# save checkpoint if needed
...