Pytorch介紹與安裝過程

更新時(shí)間：2025年06月03日 11:52:26 作者：AI風(fēng)老師

PyTorch因其直觀的設(shè)計(jì)、卓越的靈活性以及強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)計(jì)算圖功能,迅速在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界獲得了廣泛認(rèn)可,成為當(dāng)前深度學(xué)習(xí)研究和開發(fā)的主流工具之一,本文給大家介紹Pytorch介紹與安裝過程,感興趣的朋友一起看看吧

1、Pytorch介紹

PyTorch 是由 Facebook AI Research (FAIR) 團(tuán)隊(duì)開發(fā)并維護(hù)的一款開源深度學(xué)習(xí)框架，于 2016 年首次發(fā)布。它因其直觀的設(shè)計(jì)、卓越的靈活性以及強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)計(jì)算圖功能，迅速在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界獲得了廣泛認(rèn)可，成為當(dāng)前深度學(xué)習(xí)研究和開發(fā)的主流工具之一。

1.1、核心理念

PyTorch 最顯著的特點(diǎn)是其 “Pythonic” 的設(shè)計(jì)哲學(xué)和 動(dòng)態(tài)計(jì)算圖 (Dynamic Computational Graph) 機(jī)制。

Pythonic 設(shè)計(jì)： PyTorch 深度融入 Python 生態(tài)系統(tǒng)，其 API 設(shè)計(jì)自然、簡潔，非常符合 Python 程序員的思維習(xí)慣。你可以像操作普通的 Python 對(duì)象（如 NumPy 數(shù)組）一樣操作張量（Tensor），使用標(biāo)準(zhǔn)的 Python 控制流（如 if, for, while）來構(gòu)建模型結(jié)構(gòu)。這種無縫集成極大地降低了學(xué)習(xí)門檻，讓開發(fā)者能夠?qū)Ｗ⒂谀Ｐ驮O(shè)計(jì)和算法本身，而非框架的復(fù)雜性。
動(dòng)態(tài)計(jì)算圖 (Define-by-Run)： 這是 PyTorch 區(qū)別于早期靜態(tài)圖框架（如 TensorFlow 1.x）的關(guān)鍵。計(jì)算圖在代碼運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)構(gòu)建。每一步張量操作都會(huì)實(shí)時(shí)擴(kuò)展計(jì)算圖，并立即執(zhí)行。這種機(jī)制帶來了革命性的優(yōu)勢(shì)：
- 直觀的調(diào)試： 由于圖是動(dòng)態(tài)生成的，你可以像調(diào)試普通 Python 程序一樣，使用 print 語句、IDE 的斷點(diǎn)調(diào)試器逐行檢查張量的值和模型的行為，極大簡化了復(fù)雜模型和訓(xùn)練過程的調(diào)試。
- 無與倫比的靈活性： 動(dòng)態(tài)圖允許模型結(jié)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)或條件動(dòng)態(tài)改變（如 RNN 中可變長度序列處理、樹狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、條件計(jì)算）。這種靈活性對(duì)于前沿研究（如元學(xué)習(xí)、神經(jīng)架構(gòu)搜索）和構(gòu)建復(fù)雜模型至關(guān)重要。
- 更易理解的代碼： 模型定義和訓(xùn)練循環(huán)的代碼流程清晰、線性，更易于閱讀和理解。

1.2、核心組件與功能

PyTorch 提供了一套完整的工具鏈來支持深度學(xué)習(xí)工作流：

強(qiáng)大的張量庫： torch.Tensor 是其核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，支持高效的 CPU 和 GPU 加速計(jì)算。它提供了豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算（線性代數(shù)、隨機(jī)數(shù)生成等），并高度兼容 NumPy（通過 .numpy() 和 torch.from_numpy() 輕松轉(zhuǎn)換）。
自動(dòng)微分引擎 (Autograd)： torch.autograd 模塊是 PyTorch 的基石。它通過在動(dòng)態(tài)計(jì)算圖上自動(dòng)追蹤張量操作，實(shí)現(xiàn)反向傳播時(shí)梯度的自動(dòng)計(jì)算。只需在張量上設(shè)置 .requires_grad=True，框架就會(huì)記錄所有相關(guān)操作，并在調(diào)用 .backward() 時(shí)自動(dòng)計(jì)算梯度。這極大地簡化了梯度計(jì)算，讓開發(fā)者無需手動(dòng)推導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的反向傳播。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊 (torch.nn)： 該模塊提供了構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的所有基礎(chǔ)構(gòu)件：
- 層 (Layers)： 預(yù)定義了各種層（如 Linear, Conv2d, RNN, LSTM, Transformer, Dropout, BatchNorm 等）。
- 損失函數(shù) (Loss Functions)： 如 MSE, CrossEntropyLoss 等。
- 優(yōu)化器 (Optimizers)： 如 SGD, Adam, RMSprop 等，用于更新模型參數(shù)以最小化損失。
- 容器 (Containers)： nn.Module 是構(gòu)建所有模型的基類。通過繼承它并定義 forward 方法，可以輕松組合各種層來創(chuàng)建復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。nn.Module 還自動(dòng)管理參數(shù)、設(shè)備移動(dòng)（CPU/GPU）、序列化等。
數(shù)據(jù)加載與處理 (torch.utils.data)：
- Dataset 類： 定義如何訪問單個(gè)樣本。
- DataLoader： 負(fù)責(zé)高效地批量加載數(shù)據(jù)、打亂順序、多進(jìn)程預(yù)讀取等，是訓(xùn)練循環(huán)中數(shù)據(jù)供給的核心。
- Transforms： 提供豐富的圖像和數(shù)據(jù)處理工具（如裁剪、旋轉(zhuǎn)、歸一化），用于數(shù)據(jù)增強(qiáng)和預(yù)處理。
GPU 加速： PyTorch 天然支持 CUDA。只需將張量或模型移動(dòng)到 GPU 設(shè)備（.to(‘cuda’)），即可利用 NVIDIA GPU 強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，顯著加速模型訓(xùn)練和推理。
分布式訓(xùn)練： torch.distributed 模塊提供了強(qiáng)大的工具（如 DistributedDataParallel - DDP），支持在多 GPU、多節(jié)點(diǎn)集群上進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)并行和模型并行訓(xùn)練，極大縮短大型模型的訓(xùn)練時(shí)間。
TorchScript 和 TorchDynamo (PyTorch 2.x)： 為了滿足生產(chǎn)環(huán)境對(duì)性能、部署和脫離 Python 環(huán)境運(yùn)行的需求，PyTorch 提供了：
- TorchScript： 一種將 PyTorch 模型（代碼）轉(zhuǎn)換為可優(yōu)化、可序列化的中間表示的方法，可以在 C++ 等環(huán)境中高效運(yùn)行。
- TorchDynamo (PyTorch 2.0+): 一個(gè)創(chuàng)新的即時(shí)（JIT）編譯器框架，結(jié)合了 torch.compile() API，能夠在不顯著改變用戶代碼的情況下，自動(dòng)加速模型訓(xùn)練和推理，性能提升顯著。
豐富的生態(tài)系統(tǒng)：
- 領(lǐng)域庫： TorchVision (CV), TorchText (NLP), TorchAudio (音頻) 提供了各自領(lǐng)域常用的數(shù)據(jù)集、模型架構(gòu)和轉(zhuǎn)換工具。
- Hugging Face Transformers： PyTorch 是該流行庫的首選后端，提供了大量預(yù)訓(xùn)練的語言模型（如 BERT, GPT）。
- PyTorch Lightning： 一個(gè)輕量級(jí)封裝庫，將研究代碼與工程代碼解耦，簡化了訓(xùn)練流程（如多 GPU、混合精度訓(xùn)練、日志記錄），加速研究向生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化。
- ONNX 支持： 方便模型導(dǎo)出到其他支持 ONNX 格式的推理引擎部署。
- 部署工具： TorchServe, LibTorch (C++ API) 等支持模型在各種環(huán)境下的部署。

1.3、適用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)總結(jié)

研究與原型開發(fā)： 動(dòng)態(tài)圖的靈活性和易調(diào)試性使其成為學(xué)術(shù)研究和快速實(shí)驗(yàn)新想法的理想平臺(tái)。大量前沿論文的官方實(shí)現(xiàn)都基于 PyTorch。
教學(xué)與學(xué)習(xí)： Pythonic 的設(shè)計(jì)和直觀的調(diào)試使其成為學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)的絕佳工具。
計(jì)算機(jī)視覺 (CV)： 在圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)、分割等任務(wù)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
自然語言處理 (NLP)： 是 Transformer 等現(xiàn)代 NLP 模型實(shí)現(xiàn)和預(yù)訓(xùn)練模型庫（如 Hugging Face）的主要支撐。
強(qiáng)化學(xué)習(xí)、生成模型等： 其靈活性同樣適用于這些新興且結(jié)構(gòu)多變的領(lǐng)域。
生產(chǎn)部署： 隨著 TorchScript、TorchDynamo (torch.compile()) 以及部署工具鏈的成熟，PyTorch 在生產(chǎn)環(huán)境中的應(yīng)用也日益廣泛。

1.4、優(yōu)勢(shì)總結(jié)

易用性與靈活性： Pythonic 設(shè)計(jì) + 動(dòng)態(tài)圖，開發(fā)調(diào)試效率高。
強(qiáng)大的社區(qū)與生態(tài)： 擁有龐大且活躍的開發(fā)者社區(qū)，豐富的庫、模型、教程和資源。
卓越的研究支持： 是學(xué)術(shù)界的寵兒，最新研究成果往往首選 PyTorch 實(shí)現(xiàn)。
成熟的工業(yè)應(yīng)用： 從研究到生產(chǎn)的路徑日益順暢，被眾多科技巨頭采用。
持續(xù)創(chuàng)新： 開發(fā)團(tuán)隊(duì)（Meta 和開源社區(qū)）積極推動(dòng)，不斷引入新特性（如 PyTorch 2.x 的編譯加速）。

2、安裝Pytorch

2.1、通過官網(wǎng)安裝

ubuntu系統(tǒng)安裝cuda驅(qū)動(dòng)、cudatoolkit、cuDNN教程見：

1、安裝cuda驅(qū)動(dòng)，cuda toolkit和cuDNN

查看cuda版本：

(llm) wangqiang@wangqiang:~$ nvcc -V
nvcc: NVIDIA (R) Cuda compiler driver
Copyright (c) 2005-2025 NVIDIA Corporation
Built on Wed_Jan_15_19:20:09_PST_2025
Cuda compilation tools, release 12.8, V12.8.61
Build cuda_12.8.r12.8/compiler.35404655_0

最新的pytorch只支持pip安裝，去官網(wǎng)Get Started查看PyTorch的安裝需求和安裝命令。

ubuntu系統(tǒng)安裝pytorch 12.8：

pip3 install torch torchvision torchaudio --index-url https://download.pytorch.org/whl/cu128

查看安裝的pytorch版本：

方式1：

import torch
print(torch.__version__)

方式2：

終端中運(yùn)行：

(llm) wangqiang@wangqiang:~$ pip show torch
Name: torch
Version: 2.7.0+cu128
Summary: Tensors and Dynamic neural networks in Python with strong GPU acceleration
Home-page: https://pytorch.org/
Author: PyTorch Team
Author-email: packages@pytorch.org
License: BSD-3-Clause
Location: /home/wangqiang/anaconda3/envs/llm/lib/python3.12/site-packages
Requires: filelock, fsspec, jinja2, networkx, nvidia-cublas-cu12, nvidia-cuda-cupti-cu12, nvidia-cuda-nvrtc-cu12, nvidia-cuda-runtime-cu12, nvidia-cudnn-cu12, nvidia-cufft-cu12, nvidia-cufile-cu12, nvidia-curand-cu12, nvidia-cusolver-cu12, nvidia-cusparse-cu12, nvidia-cusparselt-cu12, nvidia-nccl-cu12, nvidia-nvjitlink-cu12, nvidia-nvtx-cu12, setuptools, sympy, triton, typing-extensions
Required-by: torchaudio, torchvision

卸載pytorch

sudo  pip uninstall torch torchvision torchaudio
# 刪除緩存和配置文件：
rm -rf ~/.cache/torch
rm -rf ~/.local/bin/torch_shm_manager

2.2、從源碼安裝

如果需要從源代碼安裝PyTorch，或者想要嘗試最新的開發(fā)版本，可以使用以下命令：

git clone --recursive https://github.com/pytorch/pytorch
cd pytorch
python setup.py install

2.3、通過pip安裝

pip install torch torchvision torchaudio

默認(rèn)安裝的是 CPU 版本（不包含 GPU 支持），除非在系統(tǒng)環(huán)境已經(jīng)明確配置了 CUDA 并且 PyPI 源中存在對(duì)應(yīng)的 GPU 版本。安裝的版本是 PyPI 上的最新穩(wěn)定版（可能不是與電腦硬件或Python 版本完全兼容的版本）。