常用组件详解（十）：保存与加载模型、检查点机制的使用

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1.保存、加载模型

  torch.save()用于保存一个序列化对象到磁盘上，该序列化对象可以是任何类型的对象，包括模型、张量和字典等（内部使用pickle模块实现对象的序列化）。数据会被保存为.pt、.pth格式，可通过torch.load()从磁盘加载被保存的序列化对象，加载时会重新构造出原来的对象。
  torch.save()有两种保存模型的方式：

• 1.保存整个模型（继承了torch.nn.Module的类），不推荐使用。
  • torch.load()：利用pickle将保存的序列化对象反序列化，得到原始数据。可用于加载完整模型或状态字典。

#保存整个模型
torch.save(model, PATH)
#加载模型
model = torch.load(PATH)

• 2.仅保存模型的参数（状态字典state_dict），推荐使用。
  • torch.nn.Module.load_state_dict()：通过反序列化得到模型的state_dict()（状态字典）来加载模型，传入的参数是状态字典，而非.pt、.pth文件。

#只保存模型参数
torch.save(model.state_dict(), PATH)
#加载模型
model=Model()
model.load_state_dict(torch.load(PATH))

  在实际使用中推荐第二种方式，第一种方式往往容易产生各种错误：

• 设备错误。若在cuda:0上训练好一个模型并保存，则读取出来的模型也是默认在cuda:0上，如果训练过程的其他数据被放到了cuda:1上，那么就会发生错误：

RuntimeError: arguments are located on different GPUs at /opt/conda/conda-bld/pytorch_1503966894950/work/torch/lib/THC/generated/../generic/THCTensorMathPointwise.cu:215

此时需要将其他其他数据都保存在cuda:0上，或加载模型时指定使用cuda:1：

device = torch.device("cuda:1")
model = torch.load(PATH, map_location=device)

• 版本错误：比如使用pytorch1.0训练并保存CNN模型，再用pytorch1.1读取模型，则会出现错误：

AttributeError: 'Conv2d' object has no attribute 'padding_mode'

此时只能通过获取该模型的参数来加载新的模型：

#加载模型参数
model_state = torch.load(model_path).state_dict()
#初始化新模型并加载参数
model = Model()
model.load_state_dict(model_state)

2.torch.nn.Module.state_dict()

2.1基本使用

  torch.nn.Module.state_dict()用于返回模型的状态字典，其中保存了模型的可学习参数。其中，只有可学习参数的层（卷积层、全连接层等）和注册缓冲区（batchnorm’s running_mean）才会作为模型参数保存（优化器也有状态字典，也可进行保存）。
【例子】

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim# 定义模型
class TheModelClass(nn.Module):def __init__(self):super(TheModelClass, self).__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)self.pool = nn.MaxPool2d(2, 2)self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)self.fc2 = nn.Linear(120, 84)self.fc3 = nn.Linear(84, 10)def forward(self, x):x = self.pool(F.relu(self.conv1(x)))x = self.pool(F.relu(self.conv2(x)))x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)x = F.relu(self.fc1(x))x = F.relu(self.fc2(x))x = self.fc3(x)return x# 初始化模型
model = TheModelClass()# 初始化优化器
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.001, momentum=0.9)# 打印模型的状态字典
print("Model's state_dict:")
for param_tensor in model.state_dict():print(param_tensor, "\t", model.state_dict()[param_tensor].size())# 打印优化器的状态字典
print("Optimizer's state_dict:")
for var_name in optimizer.state_dict():print(var_name, "\t", optimizer.state_dict()[var_name])

  查看模型与优化器的状态字典：

2.2保存和加载状态字典

  通过torch.save()来保存模型的状态字典（state_dict），即只保存学习到的模型参数，并通过torch.nn.Module.load_state_dict()来加载并恢复模型参数。PyTorch中最常见的模型保存扩展名为.pt或.pth。

#保存模型状态字典
PATH = './test_state_dict.pth'
torch.save(model.state_dict(), PATH)
#根据状态字典加载模型
model = TheModelClass()
model.load_state_dict(torch.load(PATH))
model.eval()
#打印新模型的状态字典
print("Model's state_dict:")
for param_tensor in model.state_dict():print(param_tensor, "\t", model.state_dict()[param_tensor].size())

  注意，模型推理之前，需要调用model.eval()函数将dropout和batch normalization层设置为评估模式，否则会导致模型推理结果不一致。

3.创建Checkpoint

3.1基本使用

  模型检查点（checkpoint）是指模型训练过程中保存的模型状态，包括模型参数（权重与偏置）、优化器状态等其他相关的训练信息。通过保存检查点，可以实现在训练过程中定期保存模型的当前状态，以便在需要时恢复训练或用于模型评估和推理。模型检查点常见的保存信息如下：

• 1.模型权重：模型的状态字典。
• 2.优化器状态：优化器的状态字典。
• 3.训练状态：当前的训练轮数（epoch）、批次（batch）等。
• 4.其他数据：如学习率调度器的状态、自定义指标等。

例如：
【保存检查点】

#将模型参数和优化器状态的状态字典保存到检查点中
checkpoint = {'model_state_dict': model.state_dict(),'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),'loss': loss.item(),'epoch':epoch
}#保存检查点
torch.save(checkpoint, 'checkpoint.pth')

【加载检查点】

# 加载检查点
checkpoint = torch.load('checkpoint.pth')# 恢复模型和优化器状态
model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])# 恢复训练状态
epoch = checkpoint['epoch']
loss = checkpoint['loss']# 如果是恢复训练，可以从保存的epoch继续
for epoch in range(epoch, num_epochs):# 继续训练

3.2完整案例

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim# 假设有一个简单的模型
class SimpleModel(nn.Module):def __init__(self):super(SimpleModel, self).__init__()self.fc = nn.Linear(10, 1)def forward(self, x):return self.fc(x)model = SimpleModel()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)
loss_fn = nn.MSELoss()# 训练循环
num_epochs = 100
for epoch in range(num_epochs):# 假设有输入x和目标yx = torch.randn(64, 10)y = torch.randn(64, 1)optimizer.zero_grad()output = model(x)loss = loss_fn(output, y)loss.backward()optimizer.step()# 每10个epoch保存一次检查点if epoch % 10 == 0:checkpoint = {'model_state_dict': model.state_dict(),'optimizer_state_dict': optimizer.state_dict(),'epoch': epoch,'loss': loss.item()}torch.save(checkpoint, f'checkpoint_epoch_{epoch}.pth')# 加载检查点并继续训练
checkpoint = torch.load('checkpoint_epoch_10.pth')
model.load_state_dict(checkpoint['model_state_dict'])
optimizer.load_state_dict(checkpoint['optimizer_state_dict'])
start_epoch = checkpoint['epoch']
loss = checkpoint['loss']# 从第11个epoch开始继续训练
for epoch in range(start_epoch + 1, num_epochs):# 继续训练pass