PyTorch Ignite Concepts

孟宝亮2022-05-30机器学习799

Ignite 是一个可以帮助我们在 PyTorch 中训练和评估神经网络的高级库。简单来讲，使用该训练库可以让我们的训练代码更加简洁，灵活。工具的安装命令如下：

pip install pytorch-ignite

Ignite 中主要有以下 4 个重要概念：

  1. Engine
  2. Events And Handler
  3. state
  4. Metrics

1. Engine

我们在编写训练函数时，经常需要编写一个循环嵌套，外层控制 epoch，内层循环控制 iteration。Engine 就是对循环的抽象。例如：

from ignite.engine import Engine
from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.data import TensorDataset
import torch


def train_step(engine, batch_data):
    # 参数是由 Engine 传递进来
    # engine 为调用 train_step 函数的 Engine 对象
    # batch_data 为 DataLoader 加载的 batch 数据
    print(engine)
    print(batch_data)
    print('-' * 55)

    y_true = [0, 0]
    y_pred = [1, 0]
    loss = torch.randint(0, 10, size=(1,))

    # 单次迭代之后，返回结果，可以以任何的格式返回任意多的数据
    return {'y_true': y_true, 'y_pred': y_pred, 'loss': loss}


if __name__ == '__main__':

    # 初始化 Engine 对象，并设置循环执行的函数
    trainer = Engine(train_step)
    # run 函数需要传递两个参数
    # 1. 数据加载器 DataLoader 对象
    # 2. 训练轮数 epoch 值

    # 构建数据加载器
    train_data = TensorDataset(torch.randn(10, 1), torch.randint(0, 2, size=(10,)))
    train_data = DataLoader(train_data, batch_size=2, shuffle=True)
    # 执行 max_epochs 数量的 train_step
    # 注意: 并不是执行 max_epochs 次 train_step 函数
    # 函数 train_step 的执行次数 = max_epochs * 每一轮的 iteration
    trainer.run(train_data, max_epochs=2)

2. Events And Handler

Ignite 提供了非常好用的事件机制。所谓事件机制就是在恰当的时间执行某个函数。例如：我们在训练过程中，其实就会存在 6 个比较重要的时间点，如下所示：

  1. 训练开始前
  2. 训练结束后
  3. 每一个 epoch 开始前
  4. 每一个 epoch 结束后
  5. 每一个 iteration 开始前
  6. 每一个 iteration 结束后

如果我们想在某个时间点执行某个函数，比如在每一个 iteration 结束后，打印下损失值。就可以先编写一个对应的功能函数，并将其按照事件类型注册到 engine 内部。注册事件有两种方式：

  1. 装饰器方式
  2. 函数调用方式

下面演示了装饰器方式：

from ignite.engine import Engine
from ignite.engine import Events


def train_step(engine, batch_data):
    return 0.1314


# 初始化训练器
trainer = Engine(train_step)

# 表示将 train_start 函数注册到 trainer
# 并设置 Events.STARTED 时刻执行该函数
# engine 为调用该事件的 Engine 对象
@trainer.on(Events.STARTED)
def train_start(engine):
    print('训练开始前')

@trainer.on(Events.COMPLETED)
def train_end(engine):
    print('训练结束后')


def event_filter(engine, epoch_idx):
    # epoch_idx 表示 epoch 数量
    # 我们可以在指定 epoch 时做某些操作

    return epoch_idx in [1, 3, 5, 7]

# 在满足 event_filter 条件的 epoch 开始执行下面的操作
# 所以 event_filter 就是一个自定义的触发条件
@trainer.on(Events.EPOCH_STARTED(event_filter=event_filter))
def epoch_start(engine):
    print('EPOCH 开始前 event_filter')


# 第 once epoch 结束后执行一次，后续不再执行
@trainer.on(Events.EPOCH_COMPLETED(once=3))
def epoch_start(engine):
    print('EPOCH 结束后 once=3')


@trainer.on(Events.ITERATION_STARTED)
def iteration_start(engine):
    print('ITERATION 开始前')


# 每 every 个 epoch 后执行该事件函数
@trainer.on(Events.ITERATION_COMPLETED(every=2))
def iteration_start(engine):
    print('ITERATION 结束后 every=2')


if __name__ == '__main__':

    # 我们这里为了对事件机制举例就不传入实际的数据
    # 此时，需要设置 epoch_length 值
    # 否则 Engine 不知道每个 epoch 循环多少次
    trainer.run(max_epochs=9, epoch_length=4)
  1. 每个输出：”ITERATION 结束后” 之前会执行 2 次 “ITERATION 开始前”，表示每迭代 2 次执行一次该事件
  2. 在第 3 个 epoch 结束输出了 “EPOCH 结束后 once=3” ，此后再也没有输出，表示该事件只会触发一次
  3. 在第 [1, 3, 5 ,7] epoch 输出 “EPOCH 开始前 event_filter”，表示自定义的事件在合适的时间发挥了作用
训练开始前
EPOCH 开始前 event_filter
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
EPOCH 开始前 event_filter
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
EPOCH 结束后 once=3
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
EPOCH 开始前 event_filter
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
EPOCH 开始前 event_filter
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
ITERATION 开始前
ITERATION 开始前
ITERATION 结束后 every=2
训练结束后

下面演示函数的方式:

if __name__ == '__main__':

    # 初始化训练器
    trainer = Engine(train_step)
    # 第一个参数为事件名称
    # 第二个参数为事件函数
    # 第三个参数为传递给事件函数的参数
    trainer.add_event_handler(Events.EPOCH_STARTED, lambda engine, data: print(data), [10, 20, 30])


    # 我们这里为了对事件机制举例就不传入实际的数据
    # 此时，需要设置 epoch_length 值
    # 否则 Engine 不知道每个 epoch 循环多少次
    trainer.run(max_epochs=9, epoch_length=4)

3. State

在 Engine 中存储了一些有用的信息，在我们训练过程中是需要的，下面为示例代码:

from ignite.engine import Engine
from ignite.engine import Events


def train_step(engine, batch_data):
    return {'y_pred': [1, 0], 'y_true': [0, 1], 'loss': 0.1314}


def iteration_start(engine):
    print('最大训练轮数:', trainer.state.max_epochs)
    print('当前训练轮数:', trainer.state.epoch)
    print('当前迭代次数:', trainer.state.iteration)
    print('轮次迭代次数:', trainer.state.epoch_length)
    print('当前迭代输出:', trainer.state.output)
    print('-' * 64)


if __name__ == '__main__':

    trainer = Engine(train_step)
    trainer.add_event_handler(Events.ITERATION_COMPLETED, iteration_start)
    trainer.run(max_epochs=2, epoch_length=2)

程序输出结果：

最大训练轮数: 2
当前训练轮数: 1
当前迭代次数: 1
轮次迭代次数: 2
当前迭代输出: {'y_pred': [1, 0], 'y_true': [0, 1], 'loss': 0.1314}
----------------------------------------------------------------
最大训练轮数: 2
当前训练轮数: 1
当前迭代次数: 2
轮次迭代次数: 2
当前迭代输出: {'y_pred': [1, 0], 'y_true': [0, 1], 'loss': 0.1314}
----------------------------------------------------------------
最大训练轮数: 2
当前训练轮数: 2
当前迭代次数: 3
轮次迭代次数: 2
当前迭代输出: {'y_pred': [1, 0], 'y_true': [0, 1], 'loss': 0.1314}
----------------------------------------------------------------
最大训练轮数: 2
当前训练轮数: 2
当前迭代次数: 4
轮次迭代次数: 2
当前迭代输出: {'y_pred': [1, 0], 'y_true': [0, 1], 'loss': 0.1314}
----------------------------------------------------------------

4. Metrics

我们可以在 trainer 的 EPOCH_COMPLETED 事件函数中，来 run evaluator 来获得评估结果，并打印。

from ignite.metrics import Loss
from ignite.metrics import Accuracy
from ignite.engine import Engine
from ignite.engine import Events
import torch
import torch.nn as nn


def evaluation_step(engine, batch_data):
    # model.eval()
    # with torch.no_grad():
    #     pass

    y_pred = torch.tensor([[0.2, 0.8], [0.6, 0.4]])
    y_true = torch.tensor([1, 1])

    # 注意: 需要返回 tensor 类型
    return y_pred, y_true


def print_metric_result(engine):
    print('y_pred:', engine.state.output)
    print('y_loss:', engine.state.metrics['loss'])
    print('y_accu:', engine.state.metrics['accu'])


if __name__ == '__main__':

    evaluator = Engine(evaluation_step)

    # 构建评估指标
    loss = Loss(nn.CrossEntropyLoss())
    accu = Accuracy()
    # 将评估指标添加到评估器中
    # 第二个参数获取评估结果时，通过 engine.state.metric['accuracy'] 来获取结果
    # 注意: evaluation_step 负责返回 Accuracy 需要的数据
    loss.attach(evaluator, 'loss')
    accu.attach(evaluator, 'accu')

    evaluator.add_event_handler(Events.EPOCH_COMPLETED, print_metric_result)
    evaluator.run(epoch_length=2)

程序输出结果：

y_pred: (tensor([[0.2000, 0.8000],
        [0.6000, 0.4000]]), tensor([1, 1]))
y_loss: 0.6178134083747864
y_accu: 0.5
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