为深度学习创建PyTorch张量 - 最佳选项

正如我们所看到的，PyTorch张量是torch.Tensor​ PyTorch类的实例。张量的抽象概念与PyTorch张量之间的区别在于，PyTorch张量为我们提供了一个可以在代码中操作的具体实现。

在上一篇文章中，我们看到了如何使用数据（如Python列表、序列和NumPy ndarrays）在PyTorch中创建张量。给定一个numpy.ndarray​，我们发现有四种方法可以创建一个torch.Tensor​对象。

这里是一个快速回顾：

> data = np.array([1,2,3])
> type(data)
numpy.ndarray> o1 = torch.Tensor(data)
> o2 = torch.tensor(data)
> o3 = torch.as_tensor(data)
> o4 = torch.from_numpy(data)

> print(o1)
tensor([1., 2., 3.])

> print(o2)
tensor([1, 2, 3], dtype=torch.int32)

> print(o3)
tensor([1, 2, 3], dtype=torch.int32)

> print(o4)
tensor([1, 2, 3], dtype=torch.int32)

我们在这篇文章中的任务是探索这些选项之间的区别，并为我们创建张量的需求提出最佳选项。

不同系统上的Numpy dtype​行为

根据你的机器和操作系统，你的dtype​可能与这里和视频中显示的不同。

Numpy根据它是在32位还是64位系统上运行来设置其默认dtype​，并且在Windows系统上的行为也有所不同。

这个链接提供了关于在Windows系统上看到的差异的更多信息。受影响的方法是：tensor​、as_tensor​和from_numpy​。

感谢hivemind的David找出了这一点！

张量创建操作：有什么区别？

让我们开始并找出这些差异都是关于什么的。

大写/小写：torch.Tensor()​与torch.tensor()​

注意第一个选项torch.Tensor()​有一个大写的T​，而第二个选项torch.tensor()​有一个小写的t​。这个区别是怎么回事？

第一个选项带有大写的T​是torch.Tensor​类的构造函数，第二个选项是我们所说的_工厂函数_，它构建torch.Tensor​对象并返回给调用者。

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你可以将torch.tensor()​函数视为一个工厂，它根据一些参数输入构建张量。工厂函数是一种创建对象的软件设计模式。如果你想了解更多，可以查看这里。

好的，这就是大写T​和小写t​之间的区别，但在这两种方式中，哪一种更好？答案是使用任何一个都可以。然而，工厂函数torch.tensor()​有更好的文档和更多的配置选项，所以它目前是胜出的选择。

默认dtype​与推断的dtype​

好吧，在我们从使用列表中删除torch.Tensor()​构造函数之前，让我们回顾一下我们在打印的张量输出中观察到的区别。

区别在于每个张量的dtype​。让我们看看：

> print(o1.dtype)
torch.float32> print(o2.dtype)
torch.int32> print(o3.dtype)
torch.int32> print(o4.dtype)
torch.int32

这里的区别在于，torch.Tensor()​构造函数在构建张量时使用默认的dtype​。我们可以使用torch.get_default_dtype()​方法验证默认的dtype​：

> torch.get_default_dtype()
torch.float32

通过代码验证，我们可以这样做：

> o1.dtype == torch.get_default_dtype()
True

其他调用根据传入的数据选择dtype​。这被称为类型推断。dtype​是根据传入的数据推断的。请注意，也可以通过将dtype​作为参数指定，为这些调用显式设置dtype​：

> torch.tensor(data, dtype=torch.float32)
> torch.as_tensor(data, dtype=torch.float32)

使用torch.Tensor()​，我们无法向构造函数传递dtype​。这是torch.Tensor()​构造函数缺乏配置选项的一个例子。这是选择torch.tensor()​工厂函数来创建张量的另一个原因。

让我们看看这些替代创建方法之间的最后一个隐藏区别。

为了性能共享内存：复制与共享

第三个区别隐藏在幕后。为了揭示这个区别，我们需要在用ndarray​创建我们的张量后，改变原始输入数据在numpy.ndarray​中。

让我们这样做，看看我们得到什么：

> print('old:', data)
old: [1 2 3]> data[0] = 0> print('new:', data)
new: [0 2 3]> print(o1)
tensor([1., 2., 3.])> print(o2)
tensor([1, 2, 3], dtype=torch.int32)> print(o3)
tensor([0, 2, 3], dtype=torch.int32)> print(o4)
tensor([0, 2, 3], dtype=torch.int32)

注意，最初我们有data[0]=1​，还要注意我们只改变了原始numpy.ndarray​中的数据。注意我们没有明确地对我们的张量（o1​，o2​，o3​，o4​）进行任何更改。

然而，在设置data[0]=0​之后，我们可以看到我们的一些张量发生了变化。前两个o1​和o2​仍然在索引0​处有原始值1​，而后两个o3​和o4​在索引0​处有新值0​。

这是因为torch.Tensor()​和torch.tensor()​在输入数据时_复制_它们，而torch.as_tensor()​和torch.from_numpy()​在内存中与原始输入对象_共享_它们的输入数据。

共享数据	复制数据
torch.as_tensor()	torch.tensor()
torch.from_numpy()	torch.Tensor()

这种共享只是意味着内存中的实际数据存在于一个地方。因此，对底层数据发生的任何更改都将反映在两个对象中，即torch.Tensor​和numpy.ndarray​。

共享数据比复制数据更有效，使用的内存更少，因为数据不会写入内存中的两个位置。

如果我们有一个torch.Tensor​，我们想将其转换为numpy.ndarray​，我们可以这样做：

> print(o3.numpy())
[0 2 3]> print(o4.numpy())
[0 2 3]

这给出了：

> print(type(o3.numpy()))
<class 'numpy.ndarray'>> print(type(o4.numpy()))
<class 'numpy.ndarray'>

这确立了torch.as_tensor()​和torch.from_numpy()​都与它们的输入数据共享内存。然而，我们应该使用哪一个，它们之间有什么区别？

​torch.from_numpy()​函数只接受numpy.ndarray​，而torch.as_tensor()​函数接受各种数组式对象，包括其他PyTorch张量。因此，torch.as_tensor()​是在内存共享游戏中的胜出选择。

那为什么要这么多种函数呢？

在PyTorch中创建张量的最佳选项

鉴于所有这些细节，这两个是最佳选项：

• ​torch.tensor()​
• ​torch.as_tensor()​

​torch.tensor()​调用是主要的选择，而torch.as_tensor()​应该在调整我们的代码以提高性能时使用。

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关于内存共享（在可能的地方工作）的一些注意事项：

1. 由于numpy.ndarray​对象分配在CPU上，当使用GPU时，as_tensor()​函数必须将数据从CPU复制到GPU。
2. ​as_tensor()​的内存共享不适用于内置的Python数据结构，如列表。
3. ​as_tensor()​调用需要开发人员了解共享功能。这是必要的，这样我们就不会在不知不觉中对底层数据进行了不想要的更改，而没有意识到更改会影响到多个对象。
4. 如果numpy.ndarray​对象和张量对象之间有很多来回操作，as_tensor()​的性能提升将更大。然而，如果只是一个单一的加载操作，从性能角度来看不应该有太大影响。

总结

此时，我们应该对PyTorch的tensor​创建选项有了更好的理解。我们学习了工厂函数，并且看到了内存_共享与复制_如何影响性能和程序行为。下次见！