《Optimizer》
本文總結Pytorch中的Optimizer
Optimizer是深度學習模型訓練中非常重要的一個模塊，它決定參數參數更新的方向，快慢和大小，好的Optimizer算法和合適的參數使得模型收斂又快又準
但本文不會討論什麼任務用什麼Optimizer，及其參數設置，只是總結下Pytorch中的Optimizer

文章目錄

0 博客目錄

Pytorch模型訓練(0) - CPN源碼解析
 Pytorch模型訓練(1) - 模型定義
 Pytorch模型訓練(2) - 模型初始化
 Pytorch模型訓練(3) - 模型保存與加載
 Pytorch模型訓練(4) - Loss Function
Pytorch模型訓練(5) - Optimizer
Pytorch模型訓練(6) - 數據加載

1 torch.optim

Pytorch的torch.optim是包含各種優化器算法的包，支持通用優化器方法，接口通用性好，也方便集成更加複雜的算法

怎樣使用一個Optimizer ???
要使用Optimizer，我們首先要創建一個Optimizer對象，該對象會保持當前狀態，並根據計算梯度來更新參數

1.1 創建Optimizer

創建Optimizer時，需要爲其提供一些需要迭代的參數進行迭代，還可以指定一些可選的，特定的，用於優化的參數，如學習率，權重衰減等參數
Example：

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr = 0.01, momentum=0.9)
optimizer = optim.Adam([var1, var2], lr = 0.0001)

注意1：如果需要將模型移到GPU，可以通過".cuda"來實現

optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr = 0.01, momentum=0.9).cuda()
optimizer = optim.Adam([var1, var2], lr = 0.0001).cuda()

注意2：在訓練中，最好保持模型和優化在相同位置，即要在GPU，都在GPU

1.2 Optimizer參數

Optimizer支持特殊參數指定選項，這樣需要用一個字典（dict）類型的可迭代參數代替變量（Variable）可迭代參數；它們有各自的參數組，用"params"關鍵字將他們獨立開（包含屬於它的參數列表）
在需要不同層不同參數時，非常有用，如：

optim.SGD([
                {'params': model.base.parameters()},
                {'params': model.classifier.parameters(), 'lr': 1e-3}
            ], lr=1e-2, momentum=0.9)

也就是，classifier.parameters的學習率爲1e-3，base.parameters的學習率爲le-2，動量0.9適用所有參數

1.3 Optimizer迭代

迭代，更新參數，一般有下面2中方式：
方式1：

optimizer.step()

該方式能滿足大多需求，一般只要進行梯度需要，如backward()，這個step()函數就需要被召喚
Example：

for input, target in dataset:
    optimizer.zero_grad()
    output = model(input)
    loss = loss_fn(output, target)
    loss.backward()
    optimizer.step()

方式2：

optimizer.step(closure)

一些特殊算法，如共軛梯度（Conjugate Gradient）和 LBFGS 需要多次重新評估函數，所以需要傳入一個允許重新計算模型的閉包（closure），來清理梯度，計算loss並返回
Example：

for input, target in dataset:
    def closure():
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input)
        loss = loss_fn(output, target)
        loss.backward()
        return loss
    optimizer.step(closure)

2 Optimizer基類

torch.optim.Optimizer(params, defaults)

所有Optimizer的基類

參數：
1）params：可迭代對象，需要被優化的參數對象，一般爲張量（torch.Tensor）或字典（dict）
2）defaults：字典類型，一些優化選項，基本都有默認值

方法：
1）add_param_group(param_group)
增加需要優化的參數到param_groups，如在使用預訓練模型進行微調時，很有用，可以將凍結層參數添加到訓練中
2）load_state_dict(state_dict)
加載優化器參數
3）state_dict()
返回優化器狀態，字典類型，包括優化器狀態和參數組
4）step(closure)
單步更新
5）zero_grad()
清空優化器參數的梯度

3 Optimizer

torch.optim.Adadelta(params, lr=1.0, rho=0.9, eps=1e-06, weight_decay=0)


torch.optim.Adagrad(params, lr=0.01, lr_decay=0, weight_decay=0, initial_accumulator_value=0)


torch.optim.Adam(params, lr=0.001, betas=(0.9, 0.999), eps=1e-08, weight_decay=0, amsgrad=False)


torch.optim.SparseAdam(params, lr=0.001, betas=(0.9, 0.999), eps=1e-08)

torch.optim.Adamax(params, lr=0.002, betas=(0.9, 0.999), eps=1e-08, weight_decay=0)


torch.optim.ASGD(params, lr=0.01, lambd=0.0001, alpha=0.75, t0=1000000.0, weight_decay=0)


torch.optim.ASGD(params, lr=0.01, lambd=0.0001, alpha=0.75, t0=1000000.0, weight_decay=0)


torch.optim.RMSprop(params, lr=0.01, alpha=0.99, eps=1e-08, weight_decay=0, momentum=0, centered=False)


torch.optim.Rprop(params, lr=0.01, etas=(0.5, 1.2), step_sizes=(1e-06, 50))


torch.optim.SGD(params, lr=<required parameter>, momentum=0, dampening=0, weight_decay=0, nesterov=False)

這些Optimizer部分，我羅列的比較簡單，因爲在應用層，無非是他們的參數，而這些參數就關乎算法原理，不是本文重點，有興趣可以參見梯度下降算法原理的博客

4 學習率調節

這些優化器中往往需要多個參數，共同控制才能達到優化目的，但大多數參數都有默認參考值，這些值都是大牛們經過多方驗證得出的，所以我們在訓練模型時，需要手動設置的參數並不多
其中最需要我們手動調節的就是學習率，關於學習率衰減理論部分可參見個人博客；而Pytorch中怎麼調用呢？

torch.optim.lr_scheduler

提供了基於epochs調節學習率的方法；主要有以下幾種：

torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda, last_epoch=-1)

torch.optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size, gamma=0.1, last_epoch=-1)

torch.optim.lr_scheduler.MultiStepLR(optimizer, milestones, gamma=0.1, last_epoch=-1)

torch.optim.lr_scheduler.ExponentialLR(optimizer, gamma, last_epoch=-1)

torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max, eta_min=0, last_epoch=-1)

torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(optimizer, mode='min', factor=0.1, patience=10, verbose=False, threshold=0.0001, threshold_mode='rel', cooldown=0, min_lr=0, eps=1e-08)

Example：

optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1, momentum=0.9)
scheduler = ReduceLROnPlateau(optimizer, 'min')
for epoch in range(10):
train(...)
val_loss = validate(...)
# Note that step should be called after validate()
 scheduler.step(val_loss)

5 CPN Optimizer

1）實例化Adam優化器

optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(),
                            lr = cfg.lr,
                            weight_decay=cfg.weight_decay)

2）若resume，加載優化器狀態

if args.resume:
    if isfile(args.resume):
        print("=> loading checkpoint '{}'".format(args.resume))
        checkpoint = torch.load(args.resume)
        pretrained_dict = checkpoint['state_dict']
        model.load_state_dict(pretrained_dict)
        args.start_epoch = checkpoint['epoch']
        
        optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer'])
        
        print("=> loaded checkpoint '{}' (epoch {})"
              .format(args.resume, checkpoint['epoch']))
        logger = Logger(join(args.checkpoint, 'log.txt'), resume=True)
    else:
        print("=> no checkpoint found at '{}'".format(args.resume))
else:        
    logger = Logger(join(args.checkpoint, 'log.txt'))
    logger.set_names(['Epoch', 'LR', 'Train Loss'])

3）訓練時（學習率調節，train，優化器迭代，模型保存）

    for epoch in range(args.start_epoch, args.epochs):
    
    	#調節學習率
        lr = adjust_learning_rate(optimizer, epoch, cfg.lr_dec_epoch, cfg.lr_gamma)
        print('\nEpoch: %d | LR: %.8f' % (epoch + 1, lr)) 

        # train for one epoch
        #將優化器給train函數
        train_loss = train(train_loader, model, [criterion1, criterion2], optimizer)
        print('train_loss: ',train_loss)

        # append logger file
        logger.append([epoch + 1, lr, train_loss])

		#保存模型，也保存優化器狀態
        save_model({
            'epoch': epoch + 1,
            'state_dict': model.state_dict(),
            'optimizer' : optimizer.state_dict(),
        }, checkpoint=args.checkpoint)

細節1：學習率調節函數adjust_learning_rate

def adjust_learning_rate(optimizer, epoch, schedule, gamma):
    """Sets the learning rate to the initial LR decayed by schedule"""
    if epoch in schedule:
        for param_group in optimizer.param_groups:
            param_group['lr'] *= gamma
    return optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']

細節2：train函數，優化器迭代

    # compute gradient and do Optimization step
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

Pytorch模型訓練(5) - Optimizer

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1 torch.optim

1.1 創建Optimizer

1.2 Optimizer參數

1.3 Optimizer迭代

2 Optimizer基類

3 Optimizer

4 學習率調節

5 CPN Optimizer

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