pyTorch代码持续汇总(随机种子-容器-模型初始化-显存回收-数据转换)

旧城等待， 2022-12-14 13:57 292阅读 0赞

# 1 查询版本信息 #

import torch
    
    print(torch.__version__) #查看pytorch版本信息
    print(torch.version.cuda) #查看pytorch所使用的cuda的版本号
    print(torch.backends.cudnn.version()) #查看pytorch所使用的cudnn的版本号
    print(torch.cuda.get_device_name(0)) #查看第一块显卡的名称

# 2 模型训练效果复现 #

pytoch官方文档：[https://pytorch.org/docs/stable/notes/randomness.html][https_pytorch.org_docs_stable_notes_randomness.html]

## 2.1 设置随机种子 ##

随机数是序列，这个序列根据算法计算而来。这个算法有参数，给定一个参数就会产生相应的序列，不同的参数产生不同的序列。不指定随机种子时，将按照一个序列(即默认的某一个参数)依次往下生成随机数，所以每次调用random()都生成不同的随机数。当指定随机数种子时，随机种子的参数确定相应的序列(不指定参数的话还是默认序列)，在这个种子作用范围内，调用random()将按照这个序列生成随机数。再次启动程序，即再次进入这个种子时，还按照这个序列从头开始生成随机数。

numpy中seed( )函数用于指定随机数生成时所用算法开始的整数值，需要注意：

1.  如果使用相同的seed( )值，则每次生成的随机数都相同；
2.  如果不设置这个值，则系统根据时间来自己选择这个值，生成自己的种子，此时每次生成的随机数因时间差异而不同。
3.  设置的seed()值仅一次有效。

因此，为了保证在同一台设备上不同次训练的结果可复现，需要设置随机种子为固定值。

import torch
    import numpy as np
    
    np.random.seed(0) #设置numpy的随机种子
    
    torch.manual_seed(0) #Sets the seed for generating random numbers
    torch.cuda.manual_seed(0) #Sets the seed for generating random numbers for the current GPU. 
    						#It’s safe to call this function if CUDA is not available; 
    						#in that case, it is silently ignored.
    torch.cuda.manual_seed_all(0) #Sets the seed for generating random numbers on all GPUs.

## 2.2 设置卷积算法 ##

本节内容参考自一篇非常棒的文章：[https://blog.csdn.net/byron123456sfsfsfa/article/details/96003317][https_blog.csdn.net_byron123456sfsfsfa_article_details_96003317]

为了保证结果的可复现性，还应该设置卷积算法相关的参数，具体为：

torch.backends.cudnn.deterministic = True
    torch.backends.cudnn.benchmark = False

下面解释下这两个参数的含义：

cuDNN 是英伟达专门为深度神经网络所开发出来的 GPU 加速库，针对卷积、池化等等常见操作做了非常多的底层优化，比一般的 GPU 程序要快很多。大多数主流深度学习框架都支持 cuDNN，PyTorch 自然也不例外。在使用 GPU 的时候，PyTorch 会默认使用 cuDNN 加速。但是，在使用 cuDNN 的时候，torch.backends.cudnn.benchmark 模式是为 False。所以就意味着，我们的程序有可能还可以继续提速！

如果设置`torch.backends.cudnn.benchmark = True`，我们就可以在 PyTorch 中对模型里的卷积层进行预先的优化，也就是在每一个卷积层中测试 cuDNN 提供的所有卷积实现算法，然后选择最快的那个。这样在模型启动的时候，只要额外多花一点点预处理时间，就可以较大幅度地减少训练时间。

对应的，设置`torch.backends.cudnn.deterministic = True`就表示全部用默认的卷积算法，不会为每一个卷积层去找速度最快的实现。

因此，如果为了结果的可复现，就应该设置`torch.backends.cudnn.deterministic = True`和`torch.backends.cudnn.benchmark = False`。

## 2.3 结果可复现的综合实现 ##

参考自：[https://zhuanlan.zhihu.com/p/141063432?from\_voters\_page=true][https_zhuanlan.zhihu.com_p_141063432_from_voters_page_true]

def init_seeds(seed=0):
    	np.random.seed(seed)
        torch.manual_seed(seed) 
        torch.cuda.manual_seed(seed) 
        torch.cuda.manual_seed_all(seed) 
    
        if seed == 0:
            torch.backends.cudnn.deterministic = True
            torch.backends.cudnn.benchmark = False

# 3 pyTorch提供的构建网络的容器 #

pyTorch提供了下述六种容器[https://pytorch.org/docs/stable/nn.html\#containers][https_pytorch.org_docs_stable_nn.html_containers]。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nka25pZ2h0X2hhcHB5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 3.1 Module ##

官方介绍：[https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.Module.html\#torch.nn.Module][https_pytorch.org_docs_stable_generated_torch.nn.Module.html_torch.nn.Module]  
Module是所有神经网络的基类，所有的自定义网络都应该派生自该对象，如下所示：

import torch.nn as nn
    import torch.nn.functional as F
    
    class Model(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(Model, self).__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, 5)
            self.conv2 = nn.Conv2d(20, 20, 5)
    
        def forward(self, x):
            x = F.relu(self.conv1(x))
            return F.relu(self.conv2(x))

add\_module函数用于添加子module；  
**apply函数用于对module的各子module应用给定的函数**，如：

>>> @torch.no_grad()
    >>> def init_weights(m):
    >>>     print(m)
    >>>     if type(m) == nn.Linear:
    >>>         m.weight.fill_(1.0)
    >>>         print(m.weight)
    >>> net = nn.Sequential(nn.Linear(2, 2), nn.Linear(2, 2))
    >>> net.apply(init_weights)

cpu函数将module的所有参数和buffers移动到cpu上；  
cuda函数将module的所有参数和buffers移动到GPU上，函数有一个参数，用于指定移动到哪个GPU上。因为优化器也和module的参数进行了关联，所以**应该先移动module到gpu上再创建优化器**；

## 3.2 Sequential ##

Squential是序列化的容器，各子module按照其传入Squential构造函数的顺序进行添加。也可以向构造函数中传入`OrderedDict`对象。

# Example of using Sequential
    model = nn.Sequential(
              nn.Conv2d(1,20,5),
              nn.ReLU(),
              nn.Conv2d(20,64,5),
              nn.ReLU()
            )
    
    # Example of using Sequential with OrderedDict
    model = nn.Sequential(OrderedDict([
              ('conv1', nn.Conv2d(1,20,5)),
              ('relu1', nn.ReLU()),
              ('conv2', nn.Conv2d(20,64,5)),
              ('relu2', nn.ReLU())
            ]))
    
    class net5(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(net5,self).__init__()
            self.block = nn.Sequential(nn.Conv2d(3,32,3),
                                                    nn.ReLU(),
                                                    nn.MaxPool2d(2),
                                                    nn.Conv2d(32,128,3),
                                                    nn.ReLU(),
                                                    nn.MaxPool2d(2)
            )
    
        def forward(self,x):
            return self.block(x)
    
    net = net5()
    print(net)

输出：

net5(
      (block): Sequential(
        (0): Conv2d(3, 32, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (1): ReLU()
        (2): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
        (3): Conv2d(32, 128, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1))
        (4): ReLU()
        (5): MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2, padding=0, dilation=1, ceil_mode=False)
      )
    )

**使用`nn.Sequential`构建的网络，会严格按照构造函数中输入的子module的顺序进行执行。并且自带forward函数，forward过程中会按照子module堆叠的顺序进行运算。**

使用OrderedDict对象和`nn.Sequential`构建的网络，因为输入的是子module名称和对象构成的网络，就是给每一个子module一个自定义的名字。

**使用`nn.Sequential`构建的网络，使用起来方便，不需要自定义forward函数，但也损失了灵活性**。

## 3.3 ModuleList ##

官方文档：[https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.ModuleList.html\#torch.nn.ModuleList][https_pytorch.org_docs_stable_generated_torch.nn.ModuleList.html_torch.nn.ModuleList]

ModuleList使用一个list对象hold所有的子module。ModuleList对象可以按照普通list的方式进行索引，**但是其包含的子module都会被成功的注册到网络中，子module包含的参数也会自动添加到网络中，调用网络的方法时也会去访问这些子module**。对应的，如果使用普通的list来hold所有的子module，这些子module及其参数并不会被注册到网络中，也就无法进行网络的训练。如下面代码对比所示：

class net1(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(net1,self).__init__()
    
            self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10,10) for i in range(2)])
    
        def forward(self,x):
            for m in self.linears:
                x = m(x)
            return x
    
    net = net1()
    print(net)
    
    for name,param in net.named_parameters():
        print(name,param.shape)
    
    class net2(nn.Module):
    
        def __init__(self):
            super(net2,self).__init__()
    
            self.linears = [nn.Linear(10,10) for i in range(2)]
    
        def forward(self,x):
            for m in self.linears:
                x = m(x)
            return x
    
    net = net2()
    print(net)
    
    print(list(net.parameters()))

输出结果为：

net1(
      (linears): ModuleList(
        (0): Linear(in_features=10, out_features=10, bias=True)
        (1): Linear(in_features=10, out_features=10, bias=True)
      )
    )
    linears.0.weight torch.Size([10, 10])
    linears.0.bias torch.Size([10])
    linears.1.weight torch.Size([10, 10])
    linears.1.bias torch.Size([10])
    net2()
    []

上面的结果可以看出，net1包含网络层和参数，net2的网络层和参数则全部为空。

**nn.ModuleList只是保存了已注册到网络中的子module，但并没有设定子module的执行顺序，具体的执行顺序是按照forward函数设定的顺序进行执行的**。如下面代码所示：

class net3(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(net3,self).__init__()
    
            self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10,20),nn.Linear(30,10),nn.Linear(20,30)])
    
        def forward(self,x):
            x = self.linears[0](x)
            x = self.linears[2](x)
            x = self.linears[1](x)
            return x
    
    net = net3()
    print(net)

另一个细节是，如果对nn.ModuleList中hold的子module在forward函数中进行重复使用，虽然该子module被使用了多次，但其参数却只有一份，相当于在backward过程中进行了多次的参数更新，可能会带来超出预期的训练结果。当然对同一个子module调用多次也没什么特别的用处。

使用nn.ModuleList构建的网络，使用起来略微复杂，需要自己定义forward的顺序，但也带来了灵活性。**在重复包含很多相同的网络层的情况下，使用ModuleList是更合适的选择，也可以把各个子module放到一个普通的list对象中，然后使用`nn.Sequential(*list)`进行解析**，如下所示：

class net4(nn.Module):
    
        def __init__(self):
            super(net4,self).__init__()
    
            self.linears_list = [nn.Linear(10,10) for i in range(2)]
            self.linears = nn.Sequential(*self.linears_list)
    
        def forward(self,x):
            x = self.linears_list(x)
            return x
    
    net = net4()
    print(net)

输出：

net4(
      (linears): Sequential(
        (0): Linear(in_features=10, out_features=10, bias=True)
        (1): Linear(in_features=10, out_features=10, bias=True)
      )
    )

另外，在需要保存网络前向运算中间层结果的时候，如果使用`nn.ModuleList`，可以在forward函数中将中间层的feature map保存到一个list中返回。如果使用`nn.Sequential`，则无法使用这种方式，但也可以通过`nn.register_forward_hook()`实现，相对实现复杂度略高，但`forward`函数实现更容易。究竟用哪种方式，就看个人喜好了。

特别声明：3.2和3.3节内容参考自：[https://blog.csdn.net/byron123456sfsfsfa/article/details/89930990\#comments\_13093106][https_blog.csdn.net_byron123456sfsfsfa_article_details_89930990_comments_13093106]

## 3.4 ModuleDict ##

ModuleDict和ModuleList很像，也是hold网络的子module并将其注册到网络中。区别也就是python中list和dict的区别。

构造ModuleDict对象时传入的是python中的dict对象，可以自定义各子module的名称，如下所示：

class MyModule(nn.Module):
        def __init__(self):
            super(MyModule, self).__init__()
            self.choices = nn.ModuleDict({
        
                    'conv': nn.Conv2d(10, 10, 3),
                    'pool': nn.MaxPool2d(3)
            })
            self.activations = nn.ModuleDict([
                    ['lrelu', nn.LeakyReLU()],
                    ['prelu', nn.PReLU()]
            ])
    
        def forward(self, x, choice, act):
            x = self.choices[choice](x)
            x = self.activations[act](x)
            return x

## 3.5 ParameterList和ParameterDict ##

ParameterList和ParameterDict作用是hold网络的参数，并将其注册到网络中。一个是list，一个是dict。

# 4 模型初始化 #

官方文档：[https://pytorch.org/docs/stable/nn.init.html][https_pytorch.org_docs_stable_nn.init.html]

## 4.1 均匀分布： ##

torch.nn.init.uniform_(tensor, a=0.0, b=1.0)
    
    
    Parameters
    
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
    
            a – the lower bound of the uniform distribution
    
            b – the upper bound of the uniform distribution
    
    >>> w = torch.empty(3, 5)
    >>> nn.init.uniform_(w)

## 4.2 正态分布 ##

生成均值为mean，标注差为std的正态分布。

torch.nn.init.normal_(tensor, mean=0.0, std=1.0)
    
    >>> w = torch.empty(3, 5)
    >>> nn.init.normal_(w)

## 4.3 常量 ##

torch.nn.init.constant_(tensor, val)

## 4.4 全1 ##

torch.nn.init.ones_(tensor)

## 4.5 全0 ##

torch.nn.init.zeros_(tensor)

## 4.6 对角分布 ##

只针对于二维tensor构建一个对角矩阵

torch.nn.init.eye_(tensor)
    
    w = torch.empty(size=(3,5))
    torch.nn.init.eye_(w)
    print(w)

输出：

tensor([[1., 0., 0., 0., 0.],
            [0., 1., 0., 0., 0.],
            [0., 0., 1., 0., 0.]])

## 4.7 delta分布 ##

输入tensor为`3/4/5`维度，产生符合delta分布的输出。

torch.nn.init.dirac_(tensor, groups=1)
    
    Parameters：
        tensor – a {
        3, 4, 5}-dimensional torch.Tensor
        groups (optional) – number of groups in the conv layer (default: 1)

## 4.8 xavier初始化 ##

### 4.8.1 xavier ###

xavier来自于论文《Understanding the difficulty of training deep feedforward neural networks》。

**其核心思想是想让神经网络每一层输出的分布都一致**。

下面的内容参考自：  
[https://www.cnblogs.com/hejunlin1992/p/8723816.html][https_www.cnblogs.com_hejunlin1992_p_8723816.html]  
[https://blog.csdn.net/ZnZnA/article/details/90081527][https_blog.csdn.net_ZnZnA_article_details_90081527]

预备知识：  
假设有两个随机变量w和x，它们都服从均值为0、方差为 σ \\sigma σ的随机分布，且独立同分布。那么：

*  `w*x`服从均值为0，方差为 σ 2 \\sigma ^2 σ2的分布；
 *  `w*x + w*x`服从均值为0，方差为 2 × σ 2 2 \\times \\sigma ^2 2×σ2的分布。

有了这个预备知识，我们看下，在神经网络中，假设输入数据符合均值为0、方差为 σ \\sigma σ的分布，那么经过第一个卷积层进行处理后，得到输出： z = ∑ i = 1 n w i ∗ x i z =\\sum\_\{i=1\}^\{n\}w\_i \* x\_i z=∑i=1nwi∗xi，`n = 输入channel数 * 卷积核的宽度 * 卷积核的高度`，忽略了偏置项b。

可以看出z符合均值为0、方差为 n × σ x × σ z n \\times \\sigma\_x \\times \\sigma\_z n×σx×σz的分布。如果在层号加到变量的上标处，可以看出：  
 σ x 2 = n 1 × σ x 1 × σ w 1 \\sigma\_x^2 = n^1 \\times \\sigma\_x^1 \\times \\sigma\_w^1 σx2=n1×σx1×σw1, σ x 3 = n 2 × σ x 2 × σ w 2 , ⋯ \\sigma\_x^3 = n^2 \\times \\sigma\_x^2 \\times \\sigma\_w^2,\\cdots σx3=n2×σx2×σw2,⋯。那么在第k层，我们有 σ x k = n k − 1 × σ x k − 1 × σ w k − 1 = n k − 1 × n k − 2 × σ x k − 2 × σ w k − 2 × σ w k − 1 \\sigma\_x^k = n^\{k-1\} \\times \\sigma\_x^\{k-1\} \\times \\sigma\_w^\{k-1\} = n^\{k-1\} \\times n^\{k-2\} \\times \\sigma\_x^\{k-2\} \\times \\sigma\_w^\{k-2\} \\times \\sigma\_w^\{k-1\} σxk=nk−1×σxk−1×σwk−1=nk−1×nk−2×σxk−2×σwk−2×σwk−1,继续展开，得到 σ x k = σ x 1 Π i = 1 n − 1 n i σ w i \\sigma\_x^k = \\sigma\_x^1 \\Pi\_\{i=1\}^\{n-1\} n^i \\sigma\_w^i σxk=σx1Πi=1n−1niσwi。

从上式可以看出，最后的连乘是很危险的，如果 n i σ w i > 1 n^i \\sigma\_w^i > 1 niσwi>1，则后面层的方差越来越大；如果 n i σ w i < 1 n^i \\sigma\_w^i < 1 niσwi<1，则后面层的方差越来越小。

回到出发点来看，作者的目的是为了使各层的方差尽可能保持一致，那么就有 Π i = 1 n − 1 n i σ w i = 1 \\Pi\_\{i=1\}^\{n-1\} n^i \\sigma\_w^i = 1 Πi=1n−1niσwi=1，即 σ w i = 1 n i \\sigma\_w^i = \\frac\{1\}\{n\_i\} σwi=ni1，这里的 n i n\_i ni表示输入神经元的数量。

上面是从前向传播的角度进行推导的，从方面传播的角度进行推导，可以有相似的结论。

假设我们现在已经得到了输出损失相对于网络第k层的梯度 ∂ l o s s ∂ x k \\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^k\} ∂xk∂loss，那么第 k − 1 k-1 k−1层的梯度为 ∂ l o s s ∂ x j k − 1 = ∑ i = 1 n ∂ l o s s ∂ x i k w i j k \\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^\{k-1\}\_j\} = \\sum\_\{i=1\}^\{n\}\\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^k\_i\}w\_\{ij\}^k ∂xjk−1∂loss=∑i=1n∂xik∂losswijk，n表示第k层的神经元的数量。

那么假设最后一层的梯度符合均值为0、方差为某值的分布，那么有： v a r ( ∂ l o s s ∂ x k − 1 ) = n k ∗ v a r ( ∂ l o s s ∂ x k ) ∗ σ w k var(\\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^\{k-1\}\}) = n^k \* var(\\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^\{k\}\}) \* \\sigma\_w^k var(∂xk−1∂loss)=nk∗var(∂xk∂loss)∗σwk，对于k层的网络，又推导出公式： v a r ( ∂ l o s s ∂ x 1 ) = v a r ( ∂ l o s s ∂ x k ) ∗ Π i = 1 k − 1 n i ∗ σ w i var(\\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^\{1\}\}) = var(\\frac\{\\partial loss\}\{\\partial x^\{k\}\}) \* \\Pi\_\{i=1\}^\{k-1\}n^i \* \\sigma\_w^i var(∂x1∂loss)=var(∂xk∂loss)∗Πi=1k−1ni∗σwi。

上面的连乘，在 n i ∗ σ w i > 1 n^i \* \\sigma\_w^i > 1 ni∗σwi>1时会造成梯度爆炸，在 n i ∗ σ w i < 1 n^i \* \\sigma\_w^i < 1 ni∗σwi<1时会造成梯度弥散。因为为了得到稳定的分布，需要各层的分布尽可能一致，那么就要符合： n i ∗ σ w i = 1 n^i \* \\sigma\_w^i = 1 ni∗σwi=1,即 σ w i = 1 n i \\sigma\_w^i = \\frac\{1\}\{n\_i\} σwi=ni1，这里的 n i n^i ni表示输出层的神经元数量。

总结，从前向角度看，需要 σ w i = 1 n i \\sigma\_w^i = \\frac\{1\}\{n^i\} σwi=ni1，这里的 n i n\_i ni表示输入神经元的数量。从反向的角度看，需要 σ w i = 1 n i \\sigma\_w^i = \\frac\{1\}\{n^i\} σwi=ni1，这里的 n i n^i ni表示输出层的神经元数量。综合考虑，取两者的调和平均，设置 σ w i = 1 n i + n i + 1 \\sigma\_w^i = \\frac\{1\}\{n^i + n^\{i+1\}\} σwi=ni\+ni\+11。这个就是xavier初始化的思想。

### 4.8.2 xavier均匀分布 ###

均匀分布的均值和方差为：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nka25pZ2h0X2hhcHB5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
因此，如果我们想得到输出值范围为\[-a,a\]的均匀分布，那么有：  
![在这里插入图片描述][20201015104235602.png_pic_center]  
得到：  
![在这里插入图片描述][20201015104251133.png_pic_center]  
那么xavier均匀分布就是把参数初始化为下面范围内的均匀分布：  
![在这里插入图片描述][20201015104324580.png_pic_center]

pytorch实现：

torch.nn.init.xavier_uniform_(tensor, gain=1.0)
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
            gain – an optional scaling factor

输出tensor符合取值为\[-a,a\]的均匀分布，其中  
![在这里插入图片描述][20201015104445211.png_pic_center]

### 4.8.3 xavier正态分布 ###

torch.nn.init.xavier_normal_(tensor, gain=1.0)
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
            gain – an optional scaling factor

得到符合均值为0、标准差为下式所示的正态分布的输出tensor。  
![在这里插入图片描述][20201015104714400.png_pic_center]

## 4.9 kaiming初始化 ##

### 4.9.1 kaiming ###

来自于论文《Delving deep into rectifiers:Surpassing human-level performance on ImageNet classification》。

**kaiming初始化的目的也是为了使网络各层保持相似的分布**。

xavier适用于激活函数为sigmoid、tanh时的网络。但在激活函数为Relu函数时，因为负值部分的输入全部被丢掉，只保留了正值部分的输入，那么上面xavier中的推导就不成立了，需要修改为：

前向运算时：  
 y l = ∑ i = 1 n w l ∗ x l y^l =\\sum\_\{i=1\}^\{n\}w^l \* x^\{l\} yl=∑i=1nwl∗xl，`n = 输入channel数 * 卷积核的宽度 * 卷积核的高度`，忽略了偏置项b。

因为 x l x^l xl是ReLU函数的输出，其均值不再为0。

作者加强了假设，**w不仅独立同分布，均值为0，且为对称分布**。由于 x l = R e L U ( y l − 1 ) x^l = ReLU(y^\{l-1\}) xl=ReLU(yl−1)，负半轴产生的方差就不存在了，因此有 v a r ( y l ) = n l ∗ v a r ( w l x l ) = n ∗ v a r ( w l ) ∗ v a r ( x l ) = 1 2 ∗ n l ∗ v a r ( w l ) ∗ v a r ( y l − 1 ) var(y^l) = n^l \* var(w^lx^l) = n \* var(w^l) \* var(x^l) = \\frac\{1\}\{2\} \* n^l \* var(w^l) \* var(y^\{l - 1\}) var(yl)=nl∗var(wlxl)=n∗var(wl)∗var(xl)=21∗nl∗var(wl)∗var(yl−1)。

连续堆叠多层，有：  
![在这里插入图片描述][20201015115031214.png_pic_center]

为了保证各层的分布一致，那么就需要保证： 1 2 ∗ n ∗ v a r ( w l ) = 1 \\frac\{1\}\{2\} \* n \* var(w^l) = 1 21∗n∗var(wl)=1，即 v a r ( w l ) = 2 n l var(w^l) = \\frac\{2\}\{n^l\} var(wl)=nl2。

如果使用leaky relu做激活函数时，因为负值部分并未完全清空，其公式为：  
![在这里插入图片描述][20201015115612154.png_pic_center]  
因此， v a r ( w l ) = 2 n l ∗ ( 1 + α 2 ) var(w^l) = \\frac\{2\}\{n^l \* (1 + \\alpha^2)\} var(wl)=nl∗(1\+α2)2。

### 4.9.2 kaiming均匀分布 ###

torch.nn.init.kaiming_uniform_(tensor, a=0, mode='fan_in', nonlinearity='leaky_relu')
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
            a – the negative slope of the rectifier used after this layer (only used with 'leaky_relu')
            mode – either 'fan_in' (default) or 'fan_out'. Choosing 'fan_in' preserves the magnitude of the variance of the weights in the forward pass. Choosing 'fan_out' preserves the magnitudes in the backwards pass.
            nonlinearity – the non-linear function (nn.functional name), recommended to use only with 'relu' or 'leaky_relu' (default).

得到取值范围为\[-bound,bound\]的均匀分布，其中：  
![在这里插入图片描述][20201015120014106.png_pic_center]

fan\_mode在nonlinearity=‘relu’时为 2 n l \\frac\{2\}\{n^l\} nl2，在nonlinearity=‘leakyrelu’时为 2 n l ∗ ( 1 + α 2 ) \\frac\{2\}\{n^l \* (1 + \\alpha^2)\} nl∗(1\+α2)2。

### 4.9.3 kaiming正态分布 ###

torch.nn.init.kaiming_normal_(tensor, a=0, mode='fan_in', nonlinearity='leaky_relu')
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
            a – the negative slope of the rectifier used after this layer (only used with 'leaky_relu')
            mode – either 'fan_in' (default) or 'fan_out'. Choosing 'fan_in' preserves the magnitude of the variance of the weights in the forward pass. Choosing 'fan_out' preserves the magnitudes in the backwards pass.
            nonlinearity – the non-linear function (nn.functional name), recommended to use only with 'relu' or 'leaky_relu' (default).

输出tensor符合均值为0、标准差如下所示的正态分布：  
![在这里插入图片描述][20201015120305595.png_pic_center]

## 4.10 正交初始化 ##

得到一个正交的或半正交矩阵，输入的tensor大于等于2维。

torch.nn.init.orthogonal_(tensor, gain=1)
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor, where n≥2n \geq 2n≥2
            gain – optional scaling factor

## 4.11 稀疏初始化 ##

torch.nn.init.sparse_(tensor, sparsity, std=0.01)
    
    
    Parameters
            tensor – an n-dimensional torch.Tensor
            sparsity – The fraction of elements in each column to be set to zero
            std – the standard deviation of the normal distribution used to generate the non-zero values

生成一个稀疏tensor，非零元素采样自均值为0、标准差为std的正态分布。

## 4.12 返回非线性函数的推荐增益值 ##

Gain is a proportional value that shows the relationship between the magnitude of the input to the magnitude of the output signal at the steady state. Many systems contain a method by which the gain can be altered, providing more or less “power” to the system.

torch.nn.init.calculate_gain(nonlinearity, param=None)
    
    
    Parameters
            nonlinearity – the non-linear function (nn.functional name)
            param – optional parameter for the non-linear function
    
    >>> gain = nn.init.calculate_gain('leaky_relu', 0.2)  # leaky_relu with negative_slope=0.2

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nka25pZ2h0X2hhcHB5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

# 5 显卡设置及显存回收 #

*  设置单张显卡：
    
        device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
 *  设置多张显卡：
    
        import os
        os.environ['CUDA_VISIBLE_DEVICES'] = '0,1'
    
    或者在命令行中：
    
        CUDA_VISIBLE_DEVICES=0,1 python train.py
 *  释放显存
    
        torch.cuda.empty_cache()
    
    pyTorch提供了类似于python的存储回收机制，在某块存储区域没有被引用后会自动回收。但是在显存上，每个已经不被占用的显存块不会被立即回收，且在nvidia-smi中查看其仍为占用状态。需要调用`torch.cuda.empty_cache()`回收pyTorch已实际未在使用的显存空间，并使其在nvidia-smi中可见。
    
    代码验证：
    
        device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
        
        dummy_tensor = torch.randn(1200,3,512,512).float().to(device)
        
        dummy_tensor = dummy_tensor.to(device='cpu')
        
        torch.cuda.empty_cache()
    
    创建`dummy_tensor`对象前，显存占用1397MiB；创建后，显存占用5952MiB，理论上应该占用 1200 \* 3 \* 512 \* 512 \* 4 / 1024 / 1024大约3700MiB，nvidia-smi查看显存多占用了4500MiB。将`dummy_tensor`对象移动到内存后，nvidia-smi查看显存仍为5952MiB，表明未占用的显存并未立即回收。调用`torch.cuda.empty_cache()`后，显存占用变为了2353MiB，回收了不再占用的显存。
    
    训练时可以这样使用：
    
        try:
            output = model(input)
        except RuntimeError as exception:
            if "out of memory" in str(exception):
                print("WARNING: out of memory")
                if hasattr(torch.cuda, 'empty_cache'):
                    torch.cuda.empty_cache()
            else:
                raise exception
    
    参考：[https://pytorch.org/docs/stable/notes/cuda.html\#cuda-memory-management][https_pytorch.org_docs_stable_notes_cuda.html_cuda-memory-management]  
    [https://www.cnblogs.com/jiangkejie/p/11430673.html][https_www.cnblogs.com_jiangkejie_p_11430673.html]  
    [https://blog.csdn.net/zxyhhjs2017/article/details/92795831][https_blog.csdn.net_zxyhhjs2017_article_details_92795831]

`torch.cuda.get_device_properties(i)`获取显卡的属性信息，包括显卡的名称、显存大小等信息。

# 6 数据类型转换 #

*  ndarray和PIL.Image相互转换
    
        image = PIL.Image.fromarray(ndarray.astype(np.uint8))
        ndarray = np.asarray(PIL.Image.open(path))
 *  ndarray和torch.tensor相互转换
    
        ndarray = tensor.cpu().numpy()
        tensor = torch.from_numpy(ndarray).float()
 *  torch.tensor和PIL.Image相互转换
    
        # pytorch中的张量默认采用[N, C, H, W]的顺序，并且数据范围在[0,1]，需要进行转置和规范化
        # torch.Tensor -> PIL.Image
        image = PIL.Image.fromarray(torch.clamp(tensor*255, min=0, max=255).byte().permute(1,2,0).cpu().numpy())
        image = torchvision.transforms.functional.to_pil_image(tensor)  # Equivalently way
        
        # PIL.Image -> torch.Tensor
        path = r'./figure.jpg'
        tensor = torch.from_numpy(np.asarray(PIL.Image.open(path))).permute(2,0,1).float() / 255
        tensor = torchvision.transforms.functional.to_tensor(PIL.Image.open(path)) # Equivalently way

参考：[https://zhuanlan.zhihu.com/p/104019160][https_zhuanlan.zhihu.com_p_104019160]

[https_pytorch.org_docs_stable_notes_randomness.html]: https://pytorch.org/docs/stable/notes/randomness.html
[https_blog.csdn.net_byron123456sfsfsfa_article_details_96003317]: https://blog.csdn.net/byron123456sfsfsfa/article/details/96003317
[https_zhuanlan.zhihu.com_p_141063432_from_voters_page_true]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/141063432?from_voters_page=true
[https_pytorch.org_docs_stable_nn.html_containers]: https://pytorch.org/docs/stable/nn.html#containers
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nka25pZ2h0X2hhcHB5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/8619fa8bd8684e2e9fcfc8a7cd515c8f.png
[https_pytorch.org_docs_stable_generated_torch.nn.Module.html_torch.nn.Module]: https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.Module.html#torch.nn.Module
[https_pytorch.org_docs_stable_generated_torch.nn.ModuleList.html_torch.nn.ModuleList]: https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.ModuleList.html#torch.nn.ModuleList
[https_blog.csdn.net_byron123456sfsfsfa_article_details_89930990_comments_13093106]: https://blog.csdn.net/byron123456sfsfsfa/article/details/89930990#comments_13093106
[https_pytorch.org_docs_stable_nn.init.html]: https://pytorch.org/docs/stable/nn.init.html
[https_www.cnblogs.com_hejunlin1992_p_8723816.html]: https://www.cnblogs.com/hejunlin1992/p/8723816.html
[https_blog.csdn.net_ZnZnA_article_details_90081527]: https://blog.csdn.net/ZnZnA/article/details/90081527
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2Nka25pZ2h0X2hhcHB5_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221123/eb05231c6d234db4b03ad1629b17e7af.png
[20201015104235602.png_pic_center]: /images/20221123/96cc87215e70483d8ca85d46642f1cb7.png
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[https_pytorch.org_docs_stable_notes_cuda.html_cuda-memory-management]: https://pytorch.org/docs/stable/notes/cuda.html#cuda-memory-management
[https_www.cnblogs.com_jiangkejie_p_11430673.html]: https://www.cnblogs.com/jiangkejie/p/11430673.html
[https_blog.csdn.net_zxyhhjs2017_article_details_92795831]: https://blog.csdn.net/zxyhhjs2017/article/details/92795831
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