5.5. 读写文件
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到目前为止，我们讨论了如何处理数据，以及如何构建、训练和测试深度学习模型。然而，有时我们对所学的模型足够满意，我们希望保存训练的模型以备将来在各种环境中使用（甚至可能在部署中进行预测）。此外，当运行一个耗时较长的训练过程时，最佳的做法是定期保存中间结果（检查点），以确保在服务器电源被不小心断掉时不会损失几天的计算结果。因此，现在是时候学习如何加载和存储权重向量和整个模型。本节将讨论这些问题。

5.5.1. 加载和保存张量

对于单个张量，我们可以直接调用load和save函数分别读写它们。这两个函数都要求我们提供一个名称，save要求将要保存的变量作为输入。

mxnetpytorchtensorflow
from mxnet import np, npx
from mxnet.gluon import nn

npx.set_np()

x = np.arange(4)
npx.save('x-file', x)

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F

x = torch.arange(4)
torch.save(x, 'x-file')

import numpy as np
import tensorflow as tf

x = tf.range(4)
np.save('x-file.npy', x)

我们现在可以将存储在文件中的数据读回内存。

mxnetpytorchtensorflow
x2 = npx.load('x-file')
x2

[array([0., 1., 2., 3.])]

x2 = torch.load('x-file')
x2

tensor([0, 1, 2, 3])

x2 = np.load('x-file.npy', allow_pickle=True)
x2

array([0, 1, 2, 3], dtype=int32)

我们可以存储一个张量列表，然后把它们读回内存。

mxnetpytorchtensorflow
y = np.zeros(4)
npx.save('x-files', [x, y])
x2, y2 = npx.load('x-files')
(x2, y2)

(array([0., 1., 2., 3.]), array([0., 0., 0., 0.]))

y = torch.zeros(4)
torch.save([x, y], 'x-files')
x2, y2 = torch.load('x-files')
(x2, y2)

(tensor([0, 1, 2, 3]), tensor([0., 0., 0., 0.]))

y = tf.zeros(4)
np.save('xy-files.npy', [x, y])
x2, y2 = np.load('xy-files.npy', allow_pickle=True)
(x2, y2)

(array([0., 1., 2., 3.]), array([0., 0., 0., 0.]))

我们甚至可以写入或读取从字符串映射到张量的字典。当我们要读取或写入模型中的所有权重时，这很方便。

mxnetpytorchtensorflow
mydict = {'x': x, 'y': y}
npx.save('mydict', mydict)
mydict2 = npx.load('mydict')
mydict2

{'x': array([0., 1., 2., 3.]), 'y': array([0., 0., 0., 0.])}

mydict = {'x': x, 'y': y}
torch.save(mydict, 'mydict')
mydict2 = torch.load('mydict')
mydict2

{'x': tensor([0, 1, 2, 3]), 'y': tensor([0., 0., 0., 0.])}

mydict = {'x': x, 'y': y}
np.save('mydict.npy', mydict)
mydict2 = np.load('mydict.npy', allow_pickle=True)
mydict2

array({'x': <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=int32, numpy=array([0, 1, 2, 3], dtype=int32)>, 'y': <tf.Tensor: shape=(4,), dtype=float32, numpy=array([0., 0., 0., 0.], dtype=float32)>},
      dtype=object)

5.5.2. 加载和保存模型参数

保存单个权重向量（或其他张量）确实是有用的，但是如果我们想保存整个模型，并在以后加载它们，单独保存每个向量则会变得很麻烦。毕竟，我们可能有数百个参数散布在各处。因此，深度学习框架提供了内置函数来保存和加载整个网络。需要注意的一个重要细节是，这将保存模型的参数而不是保存整个模型。例如，如果我们有一个3层多层感知机，我们需要单独指定结构。因为模型本身可以包含任意代码，所以模型本身难以序列化。因此，为了恢复模型，我们需要用代码生成结构，然后从磁盘加载参数。让我们从熟悉的多层感知机开始尝试一下。

mxnetpytorchtensorflow
class MLP(nn.Block):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(MLP, self).__init__(**kwargs)
        self.hidden = nn.Dense(256, activation='relu')
        self.output = nn.Dense(10)

    def forward(self, x):
        return self.output(self.hidden(x))

net = MLP()
net.initialize()
X = np.random.uniform(size=(2, 20))
Y = net(X)

class MLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.hidden = nn.Linear(20, 256)
        self.output = nn.Linear(256, 10)

    def forward(self, x):
        return self.output(F.relu(self.hidden(x)))

net = MLP()
X = torch.randn(size=(2, 20))
Y = net(X)

class MLP(tf.keras.Model):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.flatten = tf.keras.layers.Flatten()
        self.hidden = tf.keras.layers.Dense(units=256, activation=tf.nn.relu)
        self.out = tf.keras.layers.Dense(units=10)

    def call(self, inputs):
        x = self.flatten(inputs)
        x = self.hidden(x)
        return self.out(x)

net = MLP()
X = tf.random.uniform((2, 20))
Y = net(X)

接下来，我们将模型的参数存储为一个叫做“mlp.params”的文件。

mxnetpytorchtensorflow
net.save_parameters('mlp.params')

torch.save(net.state_dict(), 'mlp.params')

net.save_weights('mlp.params')

为了恢复模型，我们实例化了原始多层感知机模型的一个备份。我们没有随机初始化模型参数，而是直接读取文件中存储的参数。

mxnetpytorchtensorflow
clone = MLP()
clone.load_parameters('mlp.params')

clone = MLP()
clone.load_state_dict(torch.load('mlp.params'))
clone.eval()

MLP(
  (hidden): Linear(in_features=20, out_features=256, bias=True)
  (output): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)

clone = MLP()
clone.load_weights('mlp.params')

<tensorflow.python.training.tracking.util.CheckpointLoadStatus at 0x7f22741f9550>

由于两个实例具有相同的模型参数，在输入相同的X时，两个实例的计算结果应该相同。让我们来验证一下。

mxnetpytorchtensorflow
Y_clone = clone(X)
Y_clone == Y

array([[ True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,
         True],
       [ True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,
         True]])

Y_clone = clone(X)
Y_clone == Y

tensor([[True, True, True, True, True, True, True, True, True, True],
        [True, True, True, True, True, True, True, True, True, True]])

Y_clone = clone(X)
Y_clone == Y

<tf.Tensor: shape=(2, 10), dtype=bool, numpy=
array([[ True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,
         True],
       [ True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,  True,
         True]])>

5.5.3. 小结

  • save和load函数可用于张量对象的文件读写。

  • 我们可以通过参数字典保存和加载网络的全部参数。

  • 保存结构必须在代码中完成，而不是在参数中完成。

5.5.4. 练习

  1. 即使不需要将经过训练的模型部署到不同的设备上，存储模型参数还有什么实际的好处？

  2. 假设我们只想复用网络的一部分，以将其合并到不同的网络结构中。比如说，如果你想在一个新的网络中使用之前网络的前两层，你该怎么做？

  3. 如何同时保存网络结构和参数？你会对结构加上什么限制？

mxnetpytorchtensorflow

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