聊聊pytorch中Optimizer与optimizer.step()的用法

当我们想指定每一层的学习率时：

optim.SGD([
                    {'params': model.base.parameters()},
                    {'params': model.classifier.parameters(), 'lr': 1e-3}
                ], lr=1e-2, momentum=0.9)

这意味着model.base的参数将会使用1e-2的学习率，model.classifier的参数将会使用1e-3的学习率，并且0.9的momentum将会被用于所有的参数。

进行单次优化

所有的optimizer都实现了step()方法，这个方法会更新所有的参数。它能按两种方式来使用：

optimizer.step()

这是大多数optimizer所支持的简化版本。一旦梯度被如backward()之类的函数计算好后，我们就可以调用这个函数。

例子

for input, target in dataset:
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input)
        loss = loss_fn(output, target)
        loss.backward()
        optimizer.step()         
optimizer.step(closure)

一些优化算法例如Conjugate Gradient和LBFGS需要重复多次计算函数，因此你需要传入一个闭包去允许它们重新计算你的模型。这个闭包应当清空梯度，计算损失，然后返回。

例子：

for input, target in dataset:
    def closure():
        optimizer.zero_grad()
        output = model(input)
        loss = loss_fn(output, target)
        loss.backward()
        return loss
    optimizer.step(closure)

补充：Pytorch optimizer.step() 和loss.backward()和scheduler.step()的关系与区别

首先需要明确optimzier优化器的作用, 形象地来说，优化器就是需要根据网络反向传播的梯度信息来更新网络的参数，以起到降低loss函数计算值的作用，这也是机器学习里面最一般的方法论。

从优化器的作用出发，要使得优化器能够起作用，需要主要两个东西：

1. 优化器需要知道当前的网络或者别的什么模型的参数空间

这也就是为什么在训练文件中，正式开始训练之前需要将网络的参数放到优化器里面，比如使用pytorch的话总会出现类似如下的代码：

optimizer_G = Adam(model_G.parameters(), lr=train_c.lr_G)   # lr 使用的是初始lr
optimizer_D = Adam(model_D.parameters(), lr=train_c.lr_D)

2. 需要知道反向传播的梯度信息

我们还是从代码入手，如下所示是Pytorch 中SGD优化算法的step()函数具体写法，具体SGD的写法放在参考部分。

def step(self, closure=None):
            """Performs a single optimization step.
            Arguments:
                closure (callable, optional): A closure that reevaluates the model
                    and returns the loss.
            """
            loss = None
            if closure is not None:
                loss = closure()
     
            for group in self.param_groups:
                weight_decay = group['weight_decay']
                momentum = group['momentum']
                dampening = group['dampening']
                nesterov = group['nesterov']
     
                for p in group['params']:
                    if p.grad is None:
                        continue
                    d_p = p.grad.data
                    if weight_decay != 0:
                        d_p.add_(weight_decay, p.data)
                    if momentum != 0:
                        param_state = self.state[p]
                        if 'momentum_buffer' not in param_state:
                            buf = param_state['momentum_buffer'] = d_p.clone()
                        else:
                            buf = param_state['momentum_buffer']
                            buf.mul_(momentum).add_(1 - dampening, d_p)
                        if nesterov:
                            d_p = d_p.add(momentum, buf)
                        else:
                            d_p = buf     
                    p.data.add_(-group['lr'], d_p)     
            return loss

从上面的代码可以看到step这个函数使用的是参数空间(param_groups)中的grad,也就是当前参数空间对应的梯度，这也就解释了为什么optimzier使用之前需要zero清零一下，因为如果不清零，那么使用的这个grad就得同上一个mini-batch有关，这不是我们需要的结果。

再回过头来看，我们知道optimizer更新参数空间需要基于反向梯度，因此，当调用optimizer.step()的时候应当是loss.backward()的时候，这也就是经常会碰到，如下情况

total_loss.backward()
optimizer_G.step()

loss.backward()在前，然后跟一个step。

那么为什么optimizer.step()需要放在每一个batch训练中，而不是epoch训练中，这是因为现在的mini-batch训练模式是假定每一个训练集就只有mini-batch这样大，因此实际上可以将每一次mini-batch看做是一次训练，一次训练更新一次参数空间，因而optimizer.step()放在这里。

scheduler.step()按照Pytorch的定义是用来更新优化器的学习率的，一般是按照epoch为单位进行更换，即多少个epoch后更换一次学习率，因而scheduler.step()放在epoch这个大循环下。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持猪先飞。