PyTorch使用GPU训练的两种方法实例

时间：2022-06-26 10:34:06|栏目：Python代码|点击：次

Pytorch 使用GPU训练

使用 GPU 训练只需要在原来的代码中修改几处就可以了。

我们有两种方式实现代码在 GPU 上进行训练

方法一 .cuda()

我们可以通过对网络模型，数据，损失函数这三种变量调用 .cuda() 来在GPU上进行训练

# 将网络模型在gpu上训练
model = Model()
model = model.cuda()

# 损失函数在gpu上训练
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.cuda()

# 数据在gpu上训练
for data in dataloader:                        
	imgs, targets = data
	imgs = imgs.cuda()
	targets = targets.cuda()

但是如果电脑没有 GPU 就会报错，更好的写法是先判断 cuda 是否可用：

# 将网络模型在gpu上训练
model = Model()
if torch.cuda.is_available():
	model = model.cuda()

# 损失函数在gpu上训练
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
if torch.cuda.is_available():	
	loss_fn = loss_fn.cuda()

# 数据在gpu上训练
for data in dataloader:                        
	imgs, targets = data
    if torch.cuda.is_available():
        imgs = imgs.cuda()
        targets = targets.cuda()

代码案例：

# 以 CIFAR10 数据集为例，展示一下完整的模型训练套路，完成对数据集的分类问题

import torch
import torchvision

from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
import time

# 准备数据集
train_data = torchvision.datasets.CIFAR10(root="dataset", train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)
test_data = torchvision.datasets.CIFAR10(root="dataset", train=False, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)

# 获得数据集的长度 len(), 即length
train_data_size = len(train_data)
test_data_size = len(test_data)

# 格式化字符串, format() 中的数据会替换 {}
print("训练数据集及的长度为: {}".format(train_data_size))
print("测试数据集及的长度为: {}".format(test_data_size))

# 利用DataLoader 来加载数据
train_dataloader = DataLoader(train_data, batch_size=64)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64)

# 创建网络模型
class Model(nn.Module):
    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 32, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(64*4*4, 64),
            nn.Linear(64, 10)
        )


    def forward(self, input):
        input = self.model(input)
        return input

model = Model()
if torch.cuda.is_available():
    model = model.cuda()                        # 在 GPU 上进行训练

# 创建损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
if torch.cuda.is_available():
    loss_fn = loss_fn.cuda()                    # 在 GPU 上进行训练

# 优化器
learning_rate = 1e-2        # 1e-2 = 1 * (10)^(-2) = 1 / 100 = 0.01
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr = learning_rate)

# 设置训练网络的一些参数
total_train_step = 0                        # 记录训练的次数
total_test_step = 0                         # 记录测试的次数
epoch = 10                                  # 训练的轮数

# 添加tensorboard
writer = SummaryWriter("logs_train")
start_time = time.time()                    # 开始训练的时间
for i in range(epoch):
    print("------第 {} 轮训练开始------".format(i+1))

    # 训练步骤开始
    for data in train_dataloader:
        imgs, targets = data
        if torch.cuda.is_available():
            imgs = imgs.cuda()
        targets = targets.cuda()            # 在gpu上训练
        outputs = model(imgs)               # 将训练的数据放入
        loss = loss_fn(outputs, targets)    # 得到损失值

        optimizer.zero_grad()               # 优化过程中首先要使用优化器进行梯度清零
        loss.backward()                     # 调用得到的损失，利用反向传播，得到每一个参数节点的梯度
        optimizer.step()                    # 对参数进行优化
        total_train_step += 1               # 上面就是进行了一次训练，训练次数 +1

        # 只有训练步骤是100 倍数的时候才打印数据，可以减少一些没有用的数据，方便我们找到其他数据
        if total_train_step % 100 == 0:
            end_time = time.time()          # 训练结束时间
            print("训练时间: {}".format(end_time - start_time))
            print("训练次数: {}, Loss: {}".format(total_train_step, loss))
            writer.add_scalar("train_loss", loss.item(), total_train_step)


    # 如何知道模型有没有训练好，即有咩有达到自己想要的需求
    # 我们可以在每次训练完一轮后，进行一次测试，在测试数据集上跑一遍，以测试数据集上的损失或正确率评估我们的模型有没有训练好

    # 顾名思义，下面的代码没有梯度，即我们不会利用进行调优
    total_test_loss = 0
    total_accuracy = 0                                      # 准确率
    with torch.no_grad():
        for data in test_dataloader:                        # 测试数据集中取数据
            imgs, targets = data
            if torch.cuda.is_available():
                imgs = imgs.cuda()                          # 在 GPU 上进行训练
                targets = targets.cuda()
            outputs = model(imgs)
            loss = loss_fn(outputs, targets)                # 这里的 loss 只是一部分数据(data) 在网络模型上的损失
            total_test_loss = total_test_loss + loss        # 整个测试集的loss
            accuracy = (outputs.argmax(1) == targets).sum() # 分类正确个数
            total_accuracy += accuracy                      # 相加

    print("整体测试集上的loss: {}".format(total_test_loss))
    print("整体测试集上的正确率: {}".format(total_accuracy / test_data_size))
    writer.add_scalar("test_loss", total_test_loss)
    writer.add_scalar("test_accuracy", total_accuracy / test_data_size, total_test_step)
    total_test_loss += 1                                    # 测试完了之后要 +1

    torch.save(model, "model_{}.pth".format(i))
    print("模型已保存")

writer.close()

方法二 .to(device)

指定训练的设备

device = torch.device("cpu")	# 使用cpu训练
device = torch.device("cuda")	# 使用gpu训练 
device = torch.device("cuda:0")	# 当电脑中有多张显卡时，使用第一张显卡
device = torch.device("cuda:1")	# 当电脑中有多张显卡时，使用第二张显卡

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

使用 GPU 训练

model = model.to(device)

loss_fn = loss_fn.to(device)

for data in train_dataloader:
    imgs, targets = data
    imgs = imgs.to(device)
    targets = targets.to(device)

代码示例：

# 以 CIFAR10 数据集为例，展示一下完整的模型训练套路，完成对数据集的分类问题

import torch
import torchvision

from torch import nn
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
import time

# 定义训练的设备
device = torch.device("cuda")

# 准备数据集
train_data = torchvision.datasets.CIFAR10(root="dataset", train=True, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)
test_data = torchvision.datasets.CIFAR10(root="dataset", train=False, transform=torchvision.transforms.ToTensor(), download=True)

# 获得数据集的长度 len(), 即length
train_data_size = len(train_data)
test_data_size = len(test_data)

# 格式化字符串, format() 中的数据会替换 {}
print("训练数据集及的长度为: {}".format(train_data_size))
print("测试数据集及的长度为: {}".format(test_data_size))

# 利用DataLoader 来加载数据
train_dataloader = DataLoader(train_data, batch_size=64)
test_dataloader = DataLoader(test_data, batch_size=64)

# 创建网络模型
class Model(nn.Module):
    def __init__(self) -> None:
        super().__init__()
        self.model = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 32, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(32, 32, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Conv2d(32, 64, 5, 1, 2),
            nn.MaxPool2d(2),
            nn.Flatten(),
            nn.Linear(64*4*4, 64),
            nn.Linear(64, 10)
        )


    def forward(self, input):
        input = self.model(input)
        return input

model = Model()
model = model.to(device)                    # 在 GPU 上进行训练

# 创建损失函数
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss()
loss_fn = loss_fn.to(device)                # 在 GPU 上进行训练

# 优化器
learning_rate = 1e-2        # 1e-2 = 1 * (10)^(-2) = 1 / 100 = 0.01
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr = learning_rate)

# 设置训练网络的一些参数
total_train_step = 0                        # 记录训练的次数
total_test_step = 0                         # 记录测试的次数
epoch = 10                                  # 训练的轮数

# 添加tensorboard
writer = SummaryWriter("logs_train")
start_time = time.time()                    # 开始训练的时间
for i in range(epoch):
    print("------第 {} 轮训练开始------".format(i+1))

    # 训练步骤开始
    for data in train_dataloader:
        imgs, targets = data
        imgs = imgs.to(device)
        targets = targets.to(device)
        outputs = model(imgs)               # 将训练的数据放入
        loss = loss_fn(outputs, targets)    # 得到损失值

        optimizer.zero_grad()               # 优化过程中首先要使用优化器进行梯度清零
        loss.backward()                     # 调用得到的损失，利用反向传播，得到每一个参数节点的梯度
        optimizer.step()                    # 对参数进行优化
        total_train_step += 1               # 上面就是进行了一次训练，训练次数 +1

        # 只有训练步骤是100 倍数的时候才打印数据，可以减少一些没有用的数据，方便我们找到其他数据
        if total_train_step % 100 == 0:
            end_time = time.time()          # 训练结束时间
            print("训练时间: {}".format(end_time - start_time))
            print("训练次数: {}, Loss: {}".format(total_train_step, loss))
            writer.add_scalar("train_loss", loss.item(), total_train_step)


    # 如何知道模型有没有训练好，即有咩有达到自己想要的需求
    # 我们可以在每次训练完一轮后，进行一次测试，在测试数据集上跑一遍，以测试数据集上的损失或正确率评估我们的模型有没有训练好

    # 顾名思义，下面的代码没有梯度，即我们不会利用进行调优
    total_test_loss = 0
    total_accuracy = 0                                      # 准确率
    with torch.no_grad():
        for data in test_dataloader:                        # 测试数据集中取数据
            imgs, targets = data
            imgs = imgs.to(device)
            targets = targets.to(device)
            outputs = model(imgs)
            loss = loss_fn(outputs, targets)                # 这里的 loss 只是一部分数据(data) 在网络模型上的损失
            total_test_loss = total_test_loss + loss        # 整个测试集的loss
            accuracy = (outputs.argmax(1) == targets).sum() # 分类正确个数
            total_accuracy += accuracy                      # 相加

    print("整体测试集上的loss: {}".format(total_test_loss))
    print("整体测试集上的正确率: {}".format(total_accuracy / test_data_size))
    writer.add_scalar("test_loss", total_test_loss)
    writer.add_scalar("test_accuracy", total_accuracy / test_data_size, total_test_step)
    total_test_loss += 1                                    # 测试完了之后要 +1

    torch.save(model, "model_{}.pth".format(i))
    print("模型已保存")

writer.close()

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Pw65Px5W-1645015877614)(C:\Users\14158\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1644999041019.png)]$

【注】对于网络模型和损失函数，直接调用 .cuda() 或者 .to() 即可。但是数据和标注需要返回变量

为了方便记忆，最好都返回变量

使用Google colab进行训练

附：一些和GPU有关的基本操作汇总

# 1，查看gpu信息
if_cuda = torch.cuda.is_available()
print("if_cuda=",if_cuda)

# GPU 的数量
gpu_count = torch.cuda.device_count()
print("gpu_count=",gpu_count)

# 2，将张量在gpu和cpu间移动
tensor = torch.rand((100,100))
tensor_gpu = tensor.to("cuda:0") # 或者 tensor_gpu = tensor.cuda()
print(tensor_gpu.device)
print(tensor_gpu.is_cuda)

tensor_cpu = tensor_gpu.to("cpu") # 或者 tensor_cpu = tensor_gpu.cpu() 
print(tensor_cpu.device)

# 3，将模型中的全部张量移动到gpu上
net = nn.Linear(2,1)
print(next(net.parameters()).is_cuda)
net.to("cuda:0") # 将模型中的全部参数张量依次到GPU上，注意，无需重新赋值为 net = net.to("cuda:0")
print(next(net.parameters()).is_cuda)
print(next(net.parameters()).device)

# 4，创建支持多个gpu数据并行的模型
linear = nn.Linear(2,1)
print(next(linear.parameters()).device)

model = nn.DataParallel(linear)
print(model.device_ids)
print(next(model.module.parameters()).device) 

#注意保存参数时要指定保存model.module的参数
torch.save(model.module.state_dict(), "./data/model_parameter.pkl") 

linear = nn.Linear(2,1)
linear.load_state_dict(torch.load("./data/model_parameter.pkl")) 

# 5，清空cuda缓存
# 该方在cuda超内存时十分有用
torch.cuda.empty_cache()

总结

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Pytorch 使用GPU训练

方法一 .cuda()

方法二 .to(device)

附：一些和GPU有关的基本操作汇总

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