Pytorch建模过程中的DataLoader与Dataset示例详解

时间:2023-02-02 奥辰人气:0

处理数据样本的代码会因为处理过程繁杂而变得混乱且难以维护，在理想情况下，我们希望数据预处理过程代码与我们的模型训练代码分离，以获得更好的可读性和模块化，为此，PyTorch提供了torch.utils.data.DataLoader 和 torch.utils.data.Dataset两个类用于数据处理。其中torch.utils.data.DataLoader用于将数据集进行打包封装成一个可迭代对象，torch.utils.data.Dataset存储有一些常用的数据集示例以及相关标签。

同时PyTorch针对不同的专业领域，也提供有不同的模块，例如 TorchText（自然语言处理）, TorchVision（计算机视觉）, TorchAudio（音频），这些模块中也都包含一些真实数据集示例。例如TorchVision模块中提供了CIFAR, COCO, FashionMNIST 数据集。

1 定义数据集

pytorch中提供两种风格的数据集定义方式：

字典映射风格。之所以称为映射风格，是因为在后续加载数据迭代时，pytorch将自动使用迭代索引作为key，通过字典索引的方式获取value，本质就是将数据集定义为一个字典，使用这种风格时，需要继承Dataset类。

In [54]:

from torch.utils.data import Dataset
from torch.utils.data import DataLoader

In [56]:

dataset = {0: '张三', 1:'李四', 2:'王五', 3:'赵六', 4:'陈七'}
dataloader = DataLoader(dataset, batch_size=2)
for i, value in enumerate(dataloader):
    print(i, value)

0 ['张三', '李四']
1 ['王五', '赵六']
2 ['陈七']

迭代器风格。在自定义数据集类中，实现__iter__和__next__方法，即定义为迭代器，在后续加载数据迭代时，pytorch将依次获取value，使用这种风格时，需要继承IterableDataset类。这种方法在数据量巨大，无法一下全部加载到内存时非常实用。

In [57]:

from torch.utils.data import DataLoader
from torch.utils.data import IterableDataset

In [58]:

dataset = [i for i in range(10)]
dataloader = DataLoader(dataset=dataset, batch_size=3, shuffle=True) 
for i, item in enumerate(dataloader): # 迭代输出
    print(i, item)

0 tensor([3, 1, 2])
1 tensor([9, 7, 5])
2 tensor([0, 8, 4])
3 tensor([6])

如下所示，我们有一个蚂蚁蜜蜂图像分类数据集，目录结构如下所示，下面我们结合这个数据集，分别介绍如何使用这两个类定义真实数据集。

data
└── hymenoptera_data
    ├── train
    │   ├── ants
    │   │   ├── 0013035.jpg
    │   │   ……
    │   └── bees
    │       ├── 1092977343_cb42b38d62.jpg
    │       ……
    └── val
        ├── ants
        │   ├── 10308379_1b6c72e180.jpg
        │   ……
        └── bees
            ├── 1032546534_06907fe3b3.jpg
            ……

1.2 Dataset类

自定义一个Dataset类，继承torch.utils.data.Dataset，且必须实现下面三个方法：

Dataset类里面的__init__函数初始化一些参数，如读取外部数据源文件。
Dataset类里面的__getitem__函数，映射取值是调用的方法，获取单个的数据，训练迭代时将会调用这个方法。
Dataset类里面的__len__函数获取数据的总量。

In [211]:

import os
import pandas as pd
from PIL import Image
from torchvision.transforms import ToTensor, Lambda
from torchvision import transforms
import torchvision
class AntBeeDataset(Dataset):
    # 把图片所在的文件夹路径分成两个部分，一部分是根目录，一部分是标签目录，这是因为标签目录的名称我们需要用到
    def __init__(self, root_dir, transform=None, target_transform=None):
        """
        root_dir：存放数据的根目录，即：data/hymenoptera_data
        transform: 对图像数据进行处理，例如，将图片转换为Tensor、图片的维度可能不一致需要进行resize
        target_transform：对标签数据进行处理，例如，将文本标签转换为数值
        """
        self.root_dir = root_dir
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform
        
        # 获取文件夹下所有图片的名称和对应的标签
        self.img_lst = []
        for label in ['ants', 'bees']:
            path = os.path.join(root_dir, label)
            for img_name in os.listdir(path):
                self.img_lst.append((os.path.join(root_dir, label, img_name), label))
        
    def __getitem__(self, idx):
        img_path, label = self.img_lst[idx]
        img = Image.open(img_path).convert('RGB')
        
        if self.transform:
            img = self.transform(img)
        if self.target_transform:
            label = self.target_transform(label)
        # 这个地方要注意，我们在计算loss的时候用交叉熵nn.CrossEntropyLoss()
        # 交叉熵的输入有两个，一个是模型的输出outputs，一个是标签targets，注意targets是一维tensor
        # 例如batchsize如果是2，ants的targets的应该[0,0]，而不是[[0][0]]
        # 因此label要返回0，而不是[0]
        return img, label

    def __len__(self):
        return len(self.img_lst)

In [310]:

train_transform = transforms.Compose([
    
    transforms.RandomResizedCrop(224),  # 将给定图像随机裁剪为不同的大小和宽高比，然后缩放所裁剪得到的图像为制定的大小
    transforms.RandomHorizontalFlip(),  # 以给定的概率随机水平旋转给定的PIL的图像，默认为0.5
    transforms.ToTensor(),
    transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ])

# 验证集并不需要做与训练集相同的处理，所有，通常使用更加简单的transformer
val_transform = transforms.Compose([
        transforms.Resize(256),
        transforms.CenterCrop(224),
        transforms.ToTensor(),
        transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])
    ])

# 根据标签目录的名称来确定图片是哪一类，如果是"ants"，标签设置为0，如果是"bees"，标签设置为1
target_transform = transforms.Lambda(lambda y: 0 if y == "ants" else 1)

In [311]:

train_dataset = AntBeeDataset('data/hymenoptera_data/train', transform=train_transform, target_transform=target_transform)
val_dataset = AntBeeDataset('data/hymenoptera_data/val', transform=val_transform, target_transform=target_transform)

1.2 Dataset数据集常用操作

1. 查看数据集大小：

In [221]:

len(train_dataset), len(val_dataset)

Out[221]:

(245, 153)

2. 合并数据集

In [222]:

dataset = train_dataset + val_dataset

In [223]:

len(dataset)

Out[223]:

3. 划分训练集、测试集

In [224]:

from torch.utils.data import random_split
# random_split 不能直接使用百分比划分，必须指定具体数字
train_size = int( len(dataset) * 0.8)
test_size = len(dataset) - train_size

In [225]:

train_dataset, val_dataset = random_split(dataset, [train_size, test_size])

In [226]:

len(train_dataset), len(val_dataset)

Out[226]:

(318, 80)

1.3 IterableDataset类

使用迭代器风格时，必须继承IterableDataset类，且实现下面两个方法：

__init__，函数初始化一些参数，如读取外部数据源文件，在数据量过大时，通常只是获取操作句柄、数据库连接。
__iter__，获取迭代器。

虽然只需要实现这两个方法，但是通常还需要在迭代过程中对数据进行处理。IterableDataset类实现自定义数据集，本质就是创建一个数据集类，且实现__iter__返回一个迭代器。一下提供两种方法通过IterableDataset类自定义数据集：

方法一：

In [289]:

class AntBeeIterableDataset(IterableDataset):
    # 把图片所在的文件夹路径分成两个部分，一部分是根目录，一部分是标签目录，这是因为标签目录的名称我们需要用到
    def __init__(self, root_dir, transform=None, target_transform=None):
        """
        root_dir：存放数据的根目录，即：data/hymenoptera_data
        transform: 对图像数据进行处理，例如，将图片转换为Tensor、图片的维度可能不一致需要进行resize
        target_transform：对标签数据进行处理，例如，将文本标签转换为数值
        """
        self.root_dir = root_dir
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform
        
        # 获取文件夹下所有图片的名称和对应的标签
        self.img_lst = []
        for label in ['ants', 'bees']:
            path = os.path.join(root_dir, label)
            for img_name in os.listdir(path):
                self.img_lst.append((os.path.join(root_dir, label, img_name), label))
                
    def __iter__(self):
        for img_path, label in self.img_lst:
            img = Image.open(img_path).convert('RGB')
            if self.transform:
                img = self.transform(img)
            if self.target_transform:
                label = self.target_transform(label)
            yield img, label

方法二：

In [285]:

class AntBeeIterableDataset(IterableDataset):
    # 把图片所在的文件夹路径分成两个部分，一部分是根目录，一部分是标签目录，这是因为标签目录的名称我们需要用到
    def __init__(self, root_dir, transform=None, target_transform=None):
        """
        root_dir：存放数据的根目录，即：data/hymenoptera_data
        transform: 对图像数据进行处理，例如，将图片转换为Tensor、图片的维度可能不一致需要进行resize
        target_transform：对标签数据进行处理，例如，将文本标签转换为数值
        """
        self.root_dir = root_dir
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform
        
        # 获取文件夹下所有图片的名称和对应的标签
        self.img_lst = []
        for label in ['ants', 'bees']:
            path = os.path.join(root_dir, label)
            for img_name in os.listdir(path):
                self.img_lst.append((os.path.join(root_dir, label, img_name), label))
        self.index = 0
                
    def __iter__(self):
        return self
    
    def __next__(self):
        try:
            img_path, label = self.img_lst[self.index]
            self.index += 1
            img = Image.open(img_path).convert('RGB')
            if self.transform:
                img = self.transform(img)
            if self.target_transform:
                label = self.target_transform(label)
            return img, label
        except IndexError:
            raise StopIteration()

In [290]:

train_dataset = AntBeeIterableDataset('data/hymenoptera_data/train', transform=train_transform, target_transform=target_transform)
val_dataset = AntBeeIterableDataset('data/hymenoptera_data/val', transform=val_transform, target_transform=target_transform)

在处理大数据集时，IterableDataset会比Dataset更有优势，例如数据存储在文件或者数据库中，只需要在自定义的IterableDataset之类中获取文件操作句柄或者数据库连接和游标惊喜迭代，每次只返回一条数据即可。我们把上文中蚂蚁蜜蜂数据集的所有图片、标签这里后写入hymenoptera_data.txt中，内容如下所示，假设有数亿行，那么，就不能直接将数据加载到内存了：

data/hymenoptera_data/train/ants/2288481644_83ff7e4572.jpg, ants
data/hymenoptera_data/train/ants/2278278459_6b99605e50.jpg, ants
data/hymenoptera_data/train/ants/543417860_b14237f569.jpg, ants
...
...

可以参考一下方式定义IterableDataset子类：

In [299]:

class AntBeeIterableDataset(IterableDataset):
    # 把图片所在的文件夹路径分成两个部分，一部分是根目录，一部分是标签目录，这是因为标签目录的名称我们需要用到
    def __init__(self, filepath, transform=None, target_transform=None):
        """
        filepath：hymenoptera_data.txt完整路径
        transform: 对图像数据进行处理，例如，将图片转换为Tensor、图片的维度可能不一致需要进行resize
        target_transform：对标签数据进行处理，例如，将文本标签转换为数值
        """
        self.filepath = filepath
        self.transform = transform
        self.target_transform = target_transform

                
    def __iter__(self):
        with open(self.filepath, 'r') as f:
            for line in f:
                img_path, label = line.replace('\n', '').split(', ')
                img = Image.open(img_path).convert('RGB')
                if self.transform:
                    img = self.transform(img)
                if self.target_transform:
                    label = self.target_transform(label)
                yield img, label

In [307]:

train_dataset = AntBeeIterableDataset('hymenoptera_data.txt', transform=train_transform, target_transform=target_transform)

注意，IterableDataset方法在处理大数据集时确实比Dataset更有优势，但是，IterableDataset在迭代过程中，样本输出顺序是固定的，在使用DataLoader进行加载时，无法使用shuffle进行打乱，同时，因为在IterableDataset中并未强制限定必须实现__len__()方法（很多时候确实也没法获取数据总量），不能通过len()方法获取数据总量。

2 DataLoad

DataLoader的功能是构建可迭代的数据装载器，在训练的时候，每一个for循环，每一次Iteration，就是从DataLoader中获取一个batch_size大小的数据，节省内存的同时，它还可以实现多进程、数据打乱等处理。我们通过一张图来了解DataLoader数据读取机制：

首先，在for循环中使用了DataLoader，进入DataLoader后，首先根据是否使用多进程DataLoaderIter，做出判断之后单线程还是多线程，接着使用Sampler得索引Index，然后将索引给到DatasetFetcher，在这里面调用Dataset，根据索引，通过getitem得到实际的数据和标签，得到一个batch size大小的数据后，通过collate_fn函数整理成一个Batch Data的形式输入到模型去训练。

在pytorch建模的数据处理、加载流程中，DataLoader应该算是最核心的一步操作DataLoader有很多参数，这里我们列出常用的几个：

dataset：表示Dataset类，它决定了数据从哪读取以及如何读取；
batch_size：表示批大小；
num_works：表示是否多进程读取数据；
shuffle：表示每个epoch是否乱序；
drop_last：表示当样本数不能被batch_size整除时，是否舍弃最后一批数据；
num_workers：启动多少个进程来加载数据。

我们重点说说多进程模式下使用DataLoader，在多进程模式下，每次 DataLoader 创建 iterator 时（遍历DataLoader时，例如，当调用时enumerate(dataloader)），都会创建 num_workers 工作进程。dataset, collate_fn, worker_init_fn 都会被传到每个worker中，每个worker都用独立的进程。

对于映射风格的数据集，即Dataset子类，主线程会用Sampler（采样器）产生indice，并将它们送到进程里。因此，shuffle是在主线程做的

对于迭代器风格的数据集，即IterableDataset子类，因为每个进程都有相同的data复制样本，并在各个进程里进行不同的操作，以防止每个进程输出的数据是重复的，所以一般用 torch.utils.data.get_worker_info() 来进行辅助处理。

这里，torch.utils.data.get_worker_info() 返回worker进程的一些信息（id, dataset, num_workers, seed），如果在主线程跑的话返回None

注意，通常不建议在多进程加载中返回CUDA张量，因为在使用CUDA和在多处理中共享CUDA张量时存在许多微妙之处（文档中提出：只要接收过程保留张量的副本，就需要发送过程来保留原始张量）。建议采用 pin_memory=True ，以将数据快速传输到支持CUDA的GPU。简而言之，不建议在使用多线程的情况下返回CUDA的tensor。

In [313]:

dataload = DataLoader(train_dataset, batch_size=2)

In [315]:

img, label = next(iter(dataload))

In [316]:

img.shape, label

Out[316]:

(torch.Size([2, 3, 224, 224]), tensor([0, 0]))

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