pytorch之zero_grad()与batch_size

本文深入探讨PyTorch框架中zero_grad()函数的使用技巧,特别是在目标检测模型训练中如何通过调整其调用时机来变相提高batch_size,以适应显卡性能不足但又需要高batch_size的场景。文章还强调了在调整zero_grad()使用策略时,相应地调整学习率的重要性。
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zero_grad()函数用于每次计算完一个batch样本后的梯度清零(原因在于pytorch中的梯度反馈在节点上是累加的)

pytorch每计算一次backward会把结果累加给计算图,当我们的batch size为10时,即每处理十个样本并累加了他们的梯度值后再释放显存,相比于batchsize为2时的方差和均值显然是更精确的,但同样的,内存需要存储十个计算图,对卡的性能也提出了更高要求。

那么我们可以通过每计算完多个batch样本后再进行一次zero_grad()清零,就是一种变相提高batch_size的方法,对于显卡不行但是batch_size可能需要设高的领域比较适合,比如目标检测模型的训练。

 

要注意一点是,学习率也要相应增大。

 

 

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<think>我们注意到用户的问题提到了“step.zero_grad()”,但根据引用和PyTorch文档,标准的优化器只有`zero_grad()`和`step()`方法,没有`step.zero_grad()`这样的方法。因此,我们推断用户可能是将`optimizer.zero_grad()`和`optimizer.step()`两个方法混淆了,或者打字错误。下面我们将重点介绍这两个方法,并澄清可能的误解。 根据引用[3]和[5],优化器的`zero_grad()`用于清除梯度,`step()`用于更新参数。下面详细说明: ### 1. `optimizer.zero_grad()` - **作用**:清除所有被优化参数(即通过`optimizer = optim.SGD(model.parameters(), ...)`传入的参数)的梯度。 - **原理**:遍历优化器管理的所有参数,将每个参数的梯度(`p.grad`)从计算图中分离(`detach_()`),然后将其置零(`zero_()`)[^3][^5]。 - **必要性**:在PyTorch中,梯度是累积的。如果不清零,下一次计算的梯度会当前梯度累加,导致错误[^1][^3]。 - **代码示例**: ```python optimizer.zero_grad() # 清除历史梯度 ``` ### 2. `optimizer.step()` - **作用**:根据计算出的梯度更新模型参数。对于SGD,更新公式为:$$\theta_{t+1} = \theta_t - \eta \cdot \nabla \theta_t$$其中$\eta$为学习率,$\nabla \theta_t$为梯度[^3][^5]。 - **原理**:优化器根据梯度下降算法(或其他优化算法)执行参数更新。该方法必须在梯度计算(`loss.backward()`)之后调用[^3][^4]。 - **示例**: ```python loss.backward() # 计算梯度 optimizer.step() # 更新参数 ``` ### 3. 标准训练步骤 典型的训练循环如下: ```python for inputs, labels in dataloader: # 步骤1: 清除梯度 optimizer.zero_grad() # 步骤2: 前向传播 outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) # 步骤3: 反向传播(计算梯度) loss.backward() # 步骤4: 更新参数 optimizer.step() ``` ### 4. 关于`step.zero_grad()`的澄清 - PyTorch优化器**没有**名为`step.zero_grad()`的方法。用户可能混淆了: - `optimizer.zero_grad()`:梯度清零 - `optimizer.step()`:参数更新 - 如果用户看到类似`step.zero_grad()`的写法,可能是代码错误或自定义优化器方法(非标准)。建议检查代码来源。 ### 5. 梯度不清零的后果 - 如果忘记调用`optimizer.zero_grad()`,梯度会累积。例如: - 第一次迭代:梯度 = $g_1$ - 第二次迭代:梯度 = $g_1 + g_2$ - 这会导致参数更新错误,通常表现为训练震荡或发散[^1][^3]。 ### 6. 梯度累积技巧(特殊场景) 某些场景(如显存不足)需要累积梯度:多次前向传播后更新一次参数。此时需**手动控制清零时机**: ```python batch_size = 4 accum_steps = 4 # 累积4步 for i, (inputs, labels) in enumerate(dataloader): outputs = model(inputs) loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() # 累积梯度,不立即清零 if (i+1) % accum_steps == 0: optimizer.step() # 更新参数 optimizer.zero_grad() # 清零累积的梯度 ``` ### 7. `model.zero_grad()` vs `optimizer.zero_grad()` - **相同点**:在优化器仅管理单个模型参数时,两者效果相同[^2][^4]。 - **区别**: - `model.zero_grad()`:清除该模型所有参数的梯度。 - `optimizer.zero_grad()`:清除该优化器管理的所有参数的梯度(可能是多个模型的参数)[^2]。 - **建议**:使用`optimizer.zero_grad()`更通用,尤其涉及多模型训练时[^2]。 > **总结**: > - `zero_grad()`:**清除历史梯度**,避免梯度累积。 > - `step()`:**更新参数**,需在梯度计算后调用。 > - 两者是独立步骤,不可混淆或省略。 §§相关问题§§ 1. 为什么PyTorch默认设计为梯度累积而不是自动清零? 2. 如何实现多个优化器分别管理不同模型部分的训练? 3. 分布式训练中`zero_grad()`和`step()`有什么特殊注意事项? 4. 自定义优化器时如何重写`zero_grad()`方法? </think>### PyTorch 优化器的 `zero_grad()` 和 `step()` 方法详解 #### 1. `optimizer.zero_grad()` 方法 **作用**:清除模型中所有可训练参数的梯度值。 **原理**: - 遍历优化器管理的所有参数(`param_groups`) - 对每个参数的梯度执行: 1. `detach_()`:断开梯度计算图的连接 2. `zero_()`:将梯度值设为 0 **必要性**: - PyTorch 默认会**累积梯度**。如果不手动清零,每次反向传播的梯度将历史梯度累加,导致错误更新[^3][^5] - 公式表示: $$ \nabla W_{t+1} = \nabla W_t + \nabla W_{new} \quad (\text{未清零}) $$ $$ \nabla W_{t+1} = \nabla W_{new} \quad (\text{清零后}) $$ **示例代码**: ```python # 标准训练循环片段 optimizer.zero_grad() # 清除历史梯度 outputs = model(inputs) # 前向传播 loss = criterion(outputs, labels) loss.backward() # 反向传播(计算梯度) optimizer.step() # 参数更新 ``` #### 2. `optimizer.step()` 方法 **作用**:根据当前梯度更新模型参数 **原理**: - 实现优化算法(如 SGD)的参数更新规则 - 对于标准 SGD: $$ W_{t+1} = W_t - \eta \cdot \nabla W_t $$ 其中 $\eta$ 是学习率,$\nabla W_t$ 是当前梯度 **执行时机**: - 必须在 `loss.backward()` 之后调用 - 必须在梯度计算完成后执行[^4] #### 3. 关键区别协作 | 方法 | 作用 | 调用顺序 | 是否必需 | |------|------|----------|---------| | `zero_grad()` | 梯度归零 | `backward()` 之前 | 是(除非梯度累积) | | `step()` | 参数更新 | `backward()` 之后 | 是 | **协作流程**: ```mermaid graph LR A[zero_grad] --> B[Forward] --> C[Loss计算] --> D[Backward] --> E[step] ``` #### 4. `model.zero_grad()` vs `optimizer.zero_grad()` - **相同点**:都能清除梯度 - **区别**: - `model.zero_grad()`:清除特定模型所有参数的梯度 - `optimizer.zero_grad()`:清除优化器绑定参数的梯度 - **推荐**: - 单一模型训练:两者等效[^2] - 多模型/多优化器场景:优先使用 `optimizer.zero_grad()`[^2][^4] #### 5. 特殊场景:梯度累积 当显存不足时,可通过多次前向传播后更新参数: ```python accum_steps = 4 # 累积4个batch for i, data in enumerate(dataloader): loss = compute_loss(data) loss.backward() # 累积梯度 if (i+1) % accum_steps == 0: optimizer.step() # 更新参数 optimizer.zero_grad() # 清零累积梯度 ``` #### 6. 常见错误 1. **忘记 `zero_grad()`** → 梯度累积导致训练发散[^3] 2. **错误调用顺序** ```python loss.backward() optimizer.zero_grad() # 错误!清除了刚计算的梯度 optimizer.step() # 用零梯度更新参数 ``` 3. **多优化器未分别清零** ```python # 正确做法 opt1.zero_grad() opt2.zero_grad() ``` > **最佳实践**:始终坚持 `zero_grad() → forward → backward → step` 的标准顺序[^1][^4]
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