Pytorch-Lighting使用教程（MNIST为例）

2024-06-02 07:12
文章标签 使用 教程 pytorch mnist 为例 lighting

本文主要是介绍Pytorch-Lighting使用教程（MNIST为例），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、pytorch-lighting简介

1.1 pytorch-lighting是什么

pytorch-lighting（简称pl），基于 PyTorch 的框架。它的核心思想是，将学术代码（模型定义、前向 / 反向、优化器、验证等）与工程代码（for-loop，保存、tensorboard 日志、训练策略等）解耦开来，使得代码更为简洁清晰。

工程代码经常会出现在深度学习代码中，PyTorch Lightning 对这部分逻辑进行了封装，只需要在 Trainer 类中简单设置即可调用，无需重复造轮子。

1.2 pytorch-lighting优势

  • 通过抽象出样板工程代码，可以更容易地识别和理解ML代码；
  • Lightning的统一结构使得在现有项目的基础上进行构建和理解变得非常容易；
  • Lightning 自动化的代码是用经过全面测试、定期维护并遵循ML最佳实践的高质量代码构建的；

pytorch-lighting最大的好处：

（1）是摆脱了硬件依赖，不需要在程序中显式设置.cuda() 等，PyTorch Lightning 会自动将模型、张量的设备放置在合适的设备；移除.train() 等代码，这也会自动切换

（2）支持分布式训练，自动分配资源，能够很好的进行大规模的DL训练

（3）代码量较少，只需要关心关键的逻辑代码，而框架性的东西，pytorch-lighting已经帮你解决（如自动训练，自动debug）

二、基于Pytorch-Lighting框架训练MNIST模型

1、仅仅训练

下载的所有的数据集都用于训练（没有评估和测试过程，不清楚模型的好与坏）。

# 1. 导入所需的模块
import os
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision import transforms
from torchvision.datasets import MNIST
from torch.utils.data import DataLoader
import lightning.pytorch as pl# 2. 定义编码器和解码器
# 2.1 定义基础编码器Encoder
class Encoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(28 * 28, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 3))def forward(self, x):return self.l1(x)# 2.2 定义基础解码器Decoder
class Decoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(3, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 28 * 28))def forward(self, x):return self.l1(x)# 3. 定义LightningModule
class LitAutoEncoder(pl.LightningModule):# 3.1 加载基础模型def __init__(self, encoder, decoder):super().__init__()self.encoder = encoderself.decoder = decoder# 3.2 训练过程设置def training_step(self, batch, batch_idx):  # 每一个batch数据运算计算loss# training_step defines the train loop.x, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)loss = F.mse_loss(x_hat, x)return loss# 3.3 优化器设置def configure_optimizers(self):optimizer = torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)return optimizer# 4. 定义训练数据
dataset = MNIST(os.getcwd(), download=True, transform=transforms.ToTensor())
train_loader = DataLoader(dataset)# 5. 实例化模型
autoencoder = LitAutoEncoder(Encoder(), Decoder())# 6. 开始训练
trainer = pl.Trainer(max_epochs=10)
trainer.fit(model=autoencoder, train_dataloaders=train_loader)

class LitAutoEncoder(pl.LightningModule):

  • 将模型定义代码写在__init__中
  • 定义前向传播逻辑
  • 将优化器代码写在 configure_optimizers 钩子中
  • 训练代码写在 training_step 钩子中，可使用 self.log 随时记录变量的值，会保存在 tensorboard 中
  • 验证代码写在 validation_step 钩子中
  • 移除硬件调用.cuda() 等，PyTorch Lightning 会自动将模型、张量的设备放置在合适的设备；移除.train() 等代码，这也会自动切换
  • 根据需要，重写其他钩子函数，例如 validation_epoch_end，对 validation_step 的结果进行汇总；train_dataloader，定义训练数据的加载逻辑
  • 实例化 Lightning Module 和 Trainer 对象，传入数据集
  • 定义训练参数和回调函数，例如训练设备、数量、保存策略，Early Stop、半精度等

运行结果：

2、添加验证和测试模块

在训练之后，加入了测试和评估功能，能更好的指导模型的性能。

# 1. 导入所需的模块
import os
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision import transforms
from torchvision.datasets import MNIST
from torch.utils.data import DataLoader
import lightning.pytorch as plimport torch.utils.data as data
from torchvision import datasets
import torchvision.transforms as transformsfrom torch.utils.data import DataLoader# 2. 定义编码器和解码器
# 2.1 定义基础编码器Encoder
class Encoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(28 * 28, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 3))def forward(self, x):return self.l1(x)# 2.2 定义基础解码器Decoder
class Decoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(3, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 28 * 28))def forward(self, x):return self.l1(x)# 3. 定义LightningModule
class LitAutoEncoder(pl.LightningModule):# 3.1 加载基础模型def __init__(self, encoder, decoder):super().__init__()self.encoder = encoderself.decoder = decoder# 3.2 训练过程设置def training_step(self, batch, batch_idx):  # 每一个batch数据运算计算loss# training_step defines the train loop.x, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)loss = F.mse_loss(x_hat, x)return loss# 3.3 测试过程设置def test_step(self, batch, batch_idx):# this is the test loopx, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)test_loss = F.mse_loss(x_hat, x)self.log("test_loss", test_loss)# 3.4 验证过程设置def validation_step(self, batch, batch_idx):# this is the validation loopx, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)val_loss = F.mse_loss(x_hat, x)self.log("val_loss", val_loss)# 3.5 优化器设置def configure_optimizers(self):optimizer = torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)return optimizer# 4. 定义训练数据
'''
dataset = MNIST(os.getcwd(), download=True, transform=transforms.ToTensor())
train_loader = DataLoader(dataset)
'''# 4.1 分别下载并加载训练集和测试集
transform = transforms.ToTensor()
train_set = datasets.MNIST(os.getcwd(), download=False, train=True, transform=transform)
test_set = datasets.MNIST(os.getcwd(), download=False, train=False, transform=transform)# 4.2 将训练集中的20%用于验证集
train_set_size = int(len(train_set) * 0.8)
valid_set_size = len(train_set) - train_set_size# 4.3 设置种子
seed = torch.Generator().manual_seed(42)# 4.4 从训练集中随机拿到80%的测试集和20%的验证集
train_set, valid_set = data.random_split(train_set, [train_set_size, valid_set_size], generator=seed)# 4.5 分别加载训练集和测试集
train_loader = DataLoader(train_set)
valid_loader = DataLoader(valid_set)# 5. 实例化模型
autoencoder = LitAutoEncoder(Encoder(), Decoder())# 6. 实例化Trainer
trainer = pl.Trainer(max_epochs=10)# 7. 开始训练和评估
trainer.fit(autoencoder, train_loader, valid_loader)# 8.开始测试
trainer.test(model=autoencoder, dataloaders=DataLoader(test_set))

3、权重 & 超参的保存和加载

当模型正在训练时，性能会随着它继续看到更多数据而发生变化。

1）训练完成后，使用在训练过程中发现的最佳性能相对应的权重；

2）权重可以让训练在训练过程中断的情况下从原来的位置恢复。

保存权重：Lightning 会自动为你在当前工作目录下保存一个权重，其中包含上一次训练的状态。这能确保在训练中断的情况下恢复训练。

3.1 自动在当前目录下保存checkpoint

# simply by using the Trainer you get automatic checkpointing
trainer = Trainer()

3.2 指定checkpoint保存的目录

# saves checkpoints to 'some/path/' at every epoch end
trainer = Trainer(default_root_dir="some/path/")

3.3 加载checkpoint

# trainer.fit(autoencoder, train_loader, valid_loader, ckpt_path="/home/gvlib_ljh/class/Lightning_mnist/lightning_logs/version_25/checkpoints/epoch=9-step=160000.ckpt")

4、可视化

在模型开发中，我们跟踪感兴趣的值，例如validation_loss，以可视化模型的学习过程。模型开发就像驾驶一辆没有窗户的汽车，图表和日志提供了了解汽车行驶方向的窗口。借助 Lightning，可以可视化任何您能想到的东西：数字、文本、图像、音频。

要跟踪指标，只需使用 LightningModule 内可用的 self.log 方法。

class LitModel(pl.LightningModule):def training_step(self, batch, batch_idx):value = ...self.log("some_value", value)

同时记录多个指标：

values = {"loss": loss, "acc": acc, "metric_n": metric_n}  # add more items if needed
self.log_dict(values)

4.1 命令行查看

要在命令行进度栏中查看指标，请将 prog_bar 参数设置为 True。

self.log(..., prog_bar=True)

4.2 浏览器查看

默认情况下，Lightning 使用 Tensorboard（如果可用）和一个简单的 CSV 记录器

在命令行中输入（注意：一定是lightning_logs所在的目录）：

tensorboard --logdir=lightning_logs/

Tensorboard界面：

Tensorboard输出分析：

完整的代码：

# 1. 导入所需的模块
import os
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from torchvision import transforms
from torchvision.datasets import MNIST
from torch.utils.data import DataLoader
import lightning.pytorch as plimport torch.utils.data as data
from torchvision import datasets
import torchvision.transforms as transformsfrom torch.utils.data import DataLoaderfrom pytorch_lightning.loggers import TensorBoardLogger# 设置浮点矩阵乘法精度为 'medium'
torch.set_float32_matmul_precision('medium')# 2. 定义编码器和解码器
# 2.1 定义基础编码器Encoder
class Encoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(28 * 28, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 3))def forward(self, x):return self.l1(x)# 2.2 定义基础解码器Decoder
class Decoder(nn.Module):def __init__(self):super().__init__()self.l1 = nn.Sequential(nn.Linear(3, 64), nn.ReLU(), nn.Linear(64, 28 * 28))def forward(self, x):return self.l1(x)# 3. 定义LightningModule
class LitAutoEncoder(pl.LightningModule):# 3.1 加载基础模型def __init__(self, encoder, decoder):super().__init__()self.encoder = encoderself.decoder = decoder# 3.2 训练过程设置def training_step(self, batch, batch_idx):  # 每一个batch数据运算计算loss# training_step defines the train loop.x, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)loss = F.mse_loss(x_hat, x)batch_idx_value = batch_idx + 1print(" ")values = {"loss": loss, "batch_idx_value": batch_idx_value}  # add more items if neededself.log_dict(values)# 在命令行界面显示log'''sync_dist=True:分布式计算，数据同步标志prog_bar=True：在控制台上显示'''self.log("train_loss", loss, sync_dist=True, prog_bar=True)return loss# 3.3 测试过程设置def test_step(self, batch, batch_idx):x, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)test_loss = F.mse_loss(x_hat, x)self.log("test_loss", test_loss, sync_dist=True, prog_bar=True)# 3.4 验证过程设置def validation_step(self, batch, batch_idx):# this is the validation loopx, y = batchx = x.view(x.size(0), -1)z = self.encoder(x)x_hat = self.decoder(z)val_loss = F.mse_loss(x_hat, x)self.log("val_loss", val_loss, sync_dist=True, prog_bar=True)# 3.5 优化器设置def configure_optimizers(self):optimizer = torch.optim.Adam(self.parameters(), lr=1e-3)return optimizer# 4. 定义训练数据
'''
dataset = MNIST(os.getcwd(), download=True, transform=transforms.ToTensor())
train_loader = DataLoader(dataset)
'''# 4.1 分别下载并加载训练集和测试集
transform = transforms.ToTensor()
train_set = datasets.MNIST(os.getcwd(), download=False, train=True, transform=transform)
test_set = datasets.MNIST(os.getcwd(), download=False, train=False, transform=transform)# 4.2 将训练集中的20%用于验证集
train_set_size = int(len(train_set) * 0.8)
valid_set_size = len(train_set) - train_set_size# 4.3 设置种子
seed = torch.Generator().manual_seed(42)# 4.4 从训练集中随机拿到80%的测试集和20%的验证集
train_set, valid_set = data.random_split(train_set, [train_set_size, valid_set_size], generator=seed)# 4.5 分别加载训练集和测试集
train_loader = DataLoader(train_set, batch_size=256, num_workers=5)
valid_loader = DataLoader(valid_set, batch_size=128, num_workers=5)# 5. 实例化模型
autoencoder = LitAutoEncoder(Encoder(), Decoder())# 6. 实例化Trainer
trainer = pl.Trainer(max_epochs=1000)# 7. 开始训练和评估
trainer.fit(autoencoder, train_loader, valid_loader)
# 7. 从checkpoint恢复状态
# trainer.fit(autoencoder, train_loader, valid_loader, ckpt_path="/home/gvlib_ljh/class/Lightning_mnist/lightning_logs/version_25/checkpoints/epoch=9-step=160000.ckpt")# 8.开始测试
trainer.test(model=autoencoder, dataloaders=DataLoader(test_set))

参考：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/659631467

这篇关于Pytorch-Lighting使用教程（MNIST为例）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1023290。

相关文章

Java中流式并行操作parallelStream的原理和使用方法

Java中流式并行操作parallelStream的原理和使用方法

《Java中流式并行操作parallelStream的原理和使用方法》本文详细介绍了Java中的并行流（parallelStream）的原理、正确使用方法以及在实际业务中的应用案例,并指出在使用并行流... 目录Java中流式并行操作parallelStream0. 问题的产生1. 什么是parallelS
阅读更多...
Linux join命令的使用及说明

Linux join命令的使用及说明

《Linuxjoin命令的使用及说明》`join`命令用于在Linux中按字段将两个文件进行连接,类似于SQL的JOIN,它需要两个文件按用于匹配的字段排序,并且第一个文件的换行符必须是LF,`jo... 目录一. 基本语法二. 数据准备三. 指定文件的连接key四.-a输出指定文件的所有行五.-o指定输出
阅读更多...
Linux jq命令的使用解读

Linux jq命令的使用解读

《Linuxjq命令的使用解读》jq是一个强大的命令行工具,用于处理JSON数据,它可以用来查看、过滤、修改、格式化JSON数据,通过使用各种选项和过滤器,可以实现复杂的JSON处理任务... 目录一. 简介二. 选项2.1.2.2-c2.3-r2.4-R三. 字段提取3.1 普通字段3.2 数组字段四.
阅读更多...
Linux kill正在执行的后台任务 kill进程组使用详解

Linux kill正在执行的后台任务 kill进程组使用详解

《Linuxkill正在执行的后台任务kill进程组使用详解》文章介绍了两个脚本的功能和区别,以及执行这些脚本时遇到的进程管理问题,通过查看进程树、使用`kill`命令和`lsof`命令,分析了子... 目录零. 用到的命令一. 待执行的脚本二. 执行含子进程的脚本，并kill2.1 进程查看2.2 遇到的
阅读更多...
详解SpringBoot+Ehcache使用示例

详解SpringBoot+Ehcache使用示例

《详解SpringBoot+Ehcache使用示例》本文介绍了SpringBoot中配置Ehcache、自定义get/set方式,并实际使用缓存的过程,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者... 目录摘要概念内存与磁盘持久化存储：配置灵活性：编码示例引入依赖：配置ehcache.XML文件：配置
阅读更多...
Java 虚拟线程的创建与使用深度解析

Java 虚拟线程的创建与使用深度解析

《Java虚拟线程的创建与使用深度解析》虚拟线程是Java19中以预览特性形式引入,Java21起正式发布的轻量级线程,本文给大家介绍Java虚拟线程的创建与使用,感兴趣的朋友一起看看吧... 目录一、虚拟线程简介1.1 什么是虚拟线程？1.2 为什么需要虚拟线程？二、虚拟线程与平台线程对比代码对比示例：三
阅读更多...
k8s按需创建PV和使用PVC详解

k8s按需创建PV和使用PVC详解

《k8s按需创建PV和使用PVC详解》Kubernetes中,PV和PVC用于管理持久存储,StorageClass实现动态PV分配,PVC声明存储需求并绑定PV,通过kubectl验证状态,注意回收... 目录1.按需创建 PV（使用 StorageClass）创建 StorageClass2.创建 PV
阅读更多...
Redis 基本数据类型和使用详解

Redis 基本数据类型和使用详解

《Redis基本数据类型和使用详解》String是Redis最基本的数据类型,一个键对应一个值,它的功能十分强大,可以存储字符串、整数、浮点数等多种数据格式,本文给大家介绍Redis基本数据类型和... 目录一、Redis 入门介绍二、Redis 的五大基本数据类型2.1 String 类型2.2 Hash
阅读更多...
Redis中Hash从使用过程到原理说明

Redis中Hash从使用过程到原理说明

《Redis中Hash从使用过程到原理说明》RedisHash结构用于存储字段-值对,适合对象数据,支持HSET、HGET等命令,采用ziplist或hashtable编码,通过渐进式rehash优化... 目录一、开篇：Hash就像超市的货架二、Hash的基本使用1. 常用命令示例2. Java操作示例三
阅读更多...
Linux创建服务使用systemctl管理详解

Linux创建服务使用systemctl管理详解

《Linux创建服务使用systemctl管理详解》文章指导在Linux中创建systemd服务,设置文件权限为所有者读写、其他只读,重新加载配置,启动服务并检查状态,确保服务正常运行,关键步骤包括权... 目录创建服务 /usr/lib/systemd/system/设置服务文件权限：所有者读写js，其他
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2