联邦学习在non-iid数据集上的划分和训练——从零开始实现

2024-06-07 09:28

本文主要是介绍联邦学习在non-iid数据集上的划分和训练——从零开始实现,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!

虽然网上已经有了很多关于Dirichlet分布进行数据划分的原理和方法介绍,但是整个完整的联邦学习过程还是少有人分享。今天就从零开始实现

加载FashionMNIST数据集

import torch
from torchvision import datasets, transforms# 定义数据转换
transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Normalize((0.5,), (0.5,))
])# 加载训练和测试数据集
train_dataset = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=True, download=True, transform=transform)
test_dataset = datasets.FashionMNIST(root='./data', train=False, download=True, transform=transform)

定义Dirichlet分布的划分函数

这里的写法是其中一种,也可以参考其它大神的写法。
具体Dirichlet划分的原理也可以参考下面的博客:
联邦学习:按Dirichlet分布划分Non-IID样本 - orion-orion - 博客园 (cnblogs.com)

import numpy as npdef dirichlet_distribution_noniid(dataset, num_clients, alpha):# 获取每个类的索引class_indices = [[] for _ in range(10)]for idx, (image, label) in enumerate(dataset):class_indices[label].append(idx)# 使用Dirichlet分布进行数据划分client_indices = [[] for _ in range(num_clients)]for class_idx in class_indices:np.random.shuffle(class_idx)proportions = np.random.dirichlet([alpha] * num_clients)proportions = (np.cumsum(proportions) * len(class_idx)).astype(int)[:-1]client_split = np.split(class_idx, proportions)for client_idx, client_split_indices in enumerate(client_split):client_indices[client_idx].extend(client_split_indices)return client_indices

将数据集划分给各客户端

这里的代码操作核心在于,对数据加载器DataLoader中的Subset的理解,这个函数是根据索引将数据集划分为子数据集,以前我知道它是在做什么,但是一直不太明白用法,最终在ChatGPT的帮助下完成了:

num_clients = 10
alpha = 0.5 #non-iid程度的超参数,我喜欢用0.5和0.3
client_indices = dirichlet_distribution_noniid(train_dataset, num_clients, alpha)# 创建客户端数据加载器
from torch.utils.data import DataLoader, Subsetclient_loaders = [DataLoader(Subset(train_dataset, indices), batch_size=32, shuffle=True) for indices in client_indices]

定义模型、训练函数和测试函数

import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as pltclass SimpleNN(nn.Module):def __init__(self):super(SimpleNN, self).__init__()self.flatten = nn.Flatten()self.fc1 = nn.Linear(28*28, 128)self.fc2 = nn.Linear(128, 10)def forward(self, x):x = self.flatten(x)x = torch.relu(self.fc1(x))x = self.fc2(x)return xdef train(model, train_loader, criterion, optimizer, device, epochs=5):model.train()model.to(device)for epoch in range(epochs):running_loss = 0.0for images, labels in train_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)optimizer.zero_grad()outputs = model(images)loss = criterion(outputs, labels)loss.backward()optimizer.step()running_loss += loss.item()print(f"Epoch [{epoch+1}/{epochs}], Loss: {running_loss/len(train_loader):.4f}")def test(model, test_loader, device):model.eval()model.to(device)correct = 0total = 0with torch.no_grad():for images, labels in test_loader:images, labels = images.to(device), labels.to(device)outputs = model(images)_, predicted = torch.max(outputs.data, 1)total += labels.size(0)correct += (predicted == labels).sum().item()accuracy = correct / totalreturn accuracy

进行训练并记录测试准确度

# 选择设备
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')# 创建模型和损失函数
model = SimpleNN()
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)# 训练和测试数据加载器
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=32, shuffle=False)# 记录每轮测试准确度
test_accuracies = []# 在每个客户端上进行训练并测试
for i, client_loader in enumerate(client_loaders):print(f"Training on client {i+1}")train(model, client_loader, criterion, optimizer, device)accuracy = test(model, test_loader, device)test_accuracies.append(accuracy)print(f"Test Accuracy after client {i+1}: {accuracy:.4f}")# 绘制测试准确度变化图
plt.figure(figsize=(10, 5))
plt.plot(range(1, num_clients + 1), test_accuracies, marker='o')
plt.title('Test Accuracy after Training on Each Client')
plt.xlabel('Client')
plt.ylabel('Test Accuracy')
plt.ylim(0, 1)
plt.grid(True)
plt.show()

一些踩过的坑

Expected more than 1 value per channel when training, got input size torch.Size

解决方案

这里可能是当UE数量让数据集没法整除的时候,出现了多余的batch。
设置 batch_size>1, 且 drop_last=True

 DataLoader(train_set, batch_size=args.train_batch_size,num_workers=args.num_workers, shuffle=(train_sampler is None), drop_last=True, sampler = train_sampler)

RuntimeError: output with shape [1, 28, 28] doesn’t match the broadcast shape [3, 28, 28]

错误是因为图片格式是灰度图只有一个channel,需要变成RGB图才可以,所以需要在对图片的处理transforms里面修改:

transform = transforms.Compose([transforms.ToTensor(),transforms.Lambda(lambda x: x.repeat(3,1,1)),# 增加这一行transforms.Normalize(mean=(0.5, 0.5, 0.5), std=(0.5, 0.5, 0.5))])   

运行结果

将以上的代码拼接起来,就能够正常跑起来,我也已经在自己的电脑上验证过了。
image.png
image.png

当然了,上面画的是一次epoch的各个client的准确度,进行多次epoch的训练可以自己再修改。

这篇关于联邦学习在non-iid数据集上的划分和训练——从零开始实现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/1038783

相关文章

Nginx 配置跨域的实现及常见问题解决

《Nginx配置跨域的实现及常见问题解决》本文主要介绍了Nginx配置跨域的实现及常见问题解决,文中通过示例代码介绍的非常详细,对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友们下面随着小编来... 目录1. 跨域1.1 同源策略1.2 跨域资源共享(CORS)2. Nginx 配置跨域的场景2.1

Python中提取文件名扩展名的多种方法实现

《Python中提取文件名扩展名的多种方法实现》在Python编程中,经常会遇到需要从文件名中提取扩展名的场景,Python提供了多种方法来实现这一功能,不同方法适用于不同的场景和需求,包括os.pa... 目录技术背景实现步骤方法一:使用os.path.splitext方法二:使用pathlib模块方法三

CSS实现元素撑满剩余空间的五种方法

《CSS实现元素撑满剩余空间的五种方法》在日常开发中,我们经常需要让某个元素占据容器的剩余空间,本文将介绍5种不同的方法来实现这个需求,并分析各种方法的优缺点,感兴趣的朋友一起看看吧... css实现元素撑满剩余空间的5种方法 在日常开发中,我们经常需要让某个元素占据容器的剩余空间。这是一个常见的布局需求

HTML5 getUserMedia API网页录音实现指南示例小结

《HTML5getUserMediaAPI网页录音实现指南示例小结》本教程将指导你如何利用这一API,结合WebAudioAPI,实现网页录音功能,从获取音频流到处理和保存录音,整个过程将逐步... 目录1. html5 getUserMedia API简介1.1 API概念与历史1.2 功能与优势1.3

Java实现删除文件中的指定内容

《Java实现删除文件中的指定内容》在日常开发中,经常需要对文本文件进行批量处理,其中,删除文件中指定内容是最常见的需求之一,下面我们就来看看如何使用java实现删除文件中的指定内容吧... 目录1. 项目背景详细介绍2. 项目需求详细介绍2.1 功能需求2.2 非功能需求3. 相关技术详细介绍3.1 Ja

使用Python和OpenCV库实现实时颜色识别系统

《使用Python和OpenCV库实现实时颜色识别系统》:本文主要介绍使用Python和OpenCV库实现的实时颜色识别系统,这个系统能够通过摄像头捕捉视频流,并在视频中指定区域内识别主要颜色(红... 目录一、引言二、系统概述三、代码解析1. 导入库2. 颜色识别函数3. 主程序循环四、HSV色彩空间详解

PostgreSQL中MVCC 机制的实现

《PostgreSQL中MVCC机制的实现》本文主要介绍了PostgreSQL中MVCC机制的实现,通过多版本数据存储、快照隔离和事务ID管理实现高并发读写,具有一定的参考价值,感兴趣的可以了解一下... 目录一 MVCC 基本原理python1.1 MVCC 核心概念1.2 与传统锁机制对比二 Postg

SpringBoot整合Flowable实现工作流的详细流程

《SpringBoot整合Flowable实现工作流的详细流程》Flowable是一个使用Java编写的轻量级业务流程引擎,Flowable流程引擎可用于部署BPMN2.0流程定义,创建这些流程定义的... 目录1、流程引擎介绍2、创建项目3、画流程图4、开发接口4.1 Java 类梳理4.2 查看流程图4

SQL Server修改数据库名及物理数据文件名操作步骤

《SQLServer修改数据库名及物理数据文件名操作步骤》在SQLServer中重命名数据库是一个常见的操作,但需要确保用户具有足够的权限来执行此操作,:本文主要介绍SQLServer修改数据... 目录一、背景介绍二、操作步骤2.1 设置为单用户模式(断开连接)2.2 修改数据库名称2.3 查找逻辑文件名

C++中零拷贝的多种实现方式

《C++中零拷贝的多种实现方式》本文主要介绍了C++中零拷贝的实现示例,旨在在减少数据在内存中的不必要复制,从而提高程序性能、降低内存使用并减少CPU消耗,零拷贝技术通过多种方式实现,下面就来了解一下... 目录一、C++中零拷贝技术的核心概念二、std::string_view 简介三、std::stri