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# 01 | PyTorch：网红中的顶流明星
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你好，我是方远。
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从这节课开始，我们正式进入PyTorch基础篇的学习。
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在基础篇中，我们带你了解PyTorch的发展趋势与框架安装方法，然后重点为你讲解NumPy和 Tensor的常用知识点。
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掌握这些基础知识与技巧，能够让你使用 PyTorch 框架的时候更高效，也是从头开始学习机器学习与深度学习迈出的第一步。磨刀不误砍柴工，所以通过这个模块，我们的目标是做好学习的准备工作。
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今天这节课，我们先从PyTorch的安装和常用编程工具说起，先让你对PyTorch用到的语言、工具、技术做到心里有数，以便更好地开启后面的学习之旅。
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## PyTorch登场
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为什么选择 PyTorch 框架，我在开篇词就已经说过了。从19年起，无论是学术界还是工程界 PyTorch 已经霸占了半壁江山，可以说 PyTorch 已经是现阶段的主流框架了。
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这里的Py我们不陌生，它就是Python，那Torch是什么？从字面翻译过来是一个“火炬”。
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什么是火炬呢？其实这跟TensorFlow中的Tensor是一个意思，我们可以把它看成是**能在GPU中计算的矩阵**。
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那PyTorch框架具体是怎么用的呢？说白了就是一个计算的工具。借助它，我们就能用计算机完成复杂的计算流程。
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但是我们都知道，机器跟人类的“语言”并不相通，想要让机器替我们完成对数据的复杂计算，就得先把数据翻译成机器能够理解的内容。无论是图像数据、文本数据还是数值数据，都要转换成矩阵才能进行后续的变化和运算。
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搞定了读入数据这一步，我们就要靠PyTorch搞定后面各种复杂的计算功能。这些所有的计算功能，包括了从前向传播到反向传播，甚至还会涉及其它非常复杂的计算，而这些计算统统要交给 PyTorch 框架实现。
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PyTorch会把我们需要计算的矩阵传入到GPU（或CPU）当中，在GPU（或CPU）中实现各种我们所需的计算功能。**因为GPU做矩阵运算比较快，所以在神经网络中的计算一般都首选使用GPU，但对于学习来说，我们用CPU就可以了**。
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而我们要做的就是，设计好整个任务的流程、整个网络架构，这样PyTorch才能顺畅地完成后面的计算流程，从而帮我们正确地计算。
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## 安装PyTorch及其使用环境
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在 PyTorch 安装之前，还有安装 Python3 以及 pip 这些最基础的操作，这些你在网上随便搜一下就能找到，相信你可以独立完成。
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这里我直接从安装 PyTorch开始说，PyTorch 安装起来非常非常简单，方法也有很多，这里我们先看看最简单的方法：使用 pip 安装。
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### 使用pip安装PyTorch
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CPU版本安装：
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```plain
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# Linux
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pip install torch==1.9.0+cpu torchvision==0.10.0+cpu torchaudio==0.9.0 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html
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# Mac & Windows
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pip install torch torchvision torchaudio
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```
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GPU版本安装：（默认CUDA 11.1 版本）
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```plain
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# Linux & Windows
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pip install torch==1.9.0+cu111 torchvision==0.10.0+cu111 torchaudio==0.9.0 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html
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```
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我们只需要将上面的命令复制到计算机的命令行当中，即可实现快速安装。
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这里有两个版本，一个GPU版本，一个CPU版本。建议你最好选择安装GPU版本，也就是说我们的硬件设备中最好有英伟达独立显卡。用GPU训练深度学习模型是非常快速的，所以在实际项目中都是使用GPU来训练模型。
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但是如果说大家手里没有供开发使用的英伟达GPU显卡的话，那么安装CPU版本也是可以的，在学习过程中，CPU也足够让我们的小实验运行起来。
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另外，安装GPU版本前，需要安装对应版本的CUDA工具包。我们可以到[英伟达官网](https://developer.nvidia.com/cuda-downloads)，选择相应操作系统的CUDA工具包，进行下载与安装。硬件设备中无英伟达显卡的，可以略过这部分。
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目前 PyTorch 的稳定版本是 1.9.0，后续如果 PyTorch 的版本升级更新了，我们再将命令中的版本号稍作修改就可以了。
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### 其它方法安装PyTorch
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[这里](https://pytorch.org/get-started/locally/)是PyTorch的官网，在页面如下图所示的位置，我们可以看到有一些配置选项和安装命令。
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我们可以根据页面上的指引，依次选择PyTorch的版本、你的操作系统、安装方式、编程语言以及计算平台，然后根据最下方的执行命令进行安装即可。
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值得注意的是，**Mac的操作系统只能安装CPU版本**。我尝试下来最简单的方式，还是使用pip来安装。
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### 验证是否安装成功
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你在终端中输入“python”，就可以进入到Python交互模式。
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首先输入如下代码，如果没有报错，就意味着PyTorch已经顺利安装了。
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```python
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import torch
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```
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接下来，输入下面的代码，如果输出结果是“True”，意味着你可以使用 GPU。 这行代码的意思是检测GPU是否可用。
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```python
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torch.cuda.is_available()
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```
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这里你也许会有疑问，为什么我安装的明明是 GPU 版本，但是代码却返回了“False”，显示GPU不可用呢？
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对于这个问题，我们依次按照下面的步骤进行检查。
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1.检查计算机上是否有支持CUDA的GPU。
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首先查看电脑的显卡型号以及是否有独立显卡，如果没有以“NVIDIAN”名称开头的独立显卡，则不能支持CUDA，因此GPU不可用。
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然后，你可以在[这个页面](https://developer.nvidia.com/zh-cn/cuda-gpus#compute)查询GPU是否支持CUDA。如果你的GPU型号在页面的列表中，则表示你的计算机搭载了能够利用 CUDA 加速应用的现代 GPU，否则GPU也不可用。
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若GPU支持CUDA，你还需要确保已经完成了上面介绍过的CUDA工具包的安装。
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2.检查显卡驱动版本。
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在终端中输入“nvidia-smi”命令，会显示出显卡驱动的版本和CUDA的版本，如下图所示。
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如果显卡驱动的版本过低，与CUDA版本不匹配，那么GPU也不可用，需要根据显卡的型号更新显卡驱动。
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我用表格的方式，帮你梳理了CUDA版本与GPU驱动版本的对应关系，你可以根据自己计算机驱动的情况对照查看。例如，CUDA 11.1支持的 Linux驱动程序是450.80.02以上。
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我们可以在[这里](https://www.nvidia.com/Download/index.aspx?lang=cn)下载并安装显卡驱动程序。
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3.检查PyTorch版本和CUDA版本是否匹配？
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PyTorch版本同样与CUDA版本有对应关系，我们可以在[这个页面](https://pytorch.org/get-started/previous-versions/)查看它们之间的对应关系。如果两者版本不匹配，可以重新安装对应版本的PyTorch，或者升级CUDA工具包。
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### 使用Docker
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通过Docker使用PyTorch也非常简单，连安装都不需要，但是前提是你需要熟悉有关Docker的知识。
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如果你会熟练地使用Docker，我推荐后面这个网页链接供你参考，[这里](https://hub.docker.com/r/pytorch/pytorch/tags)有很多的PyTorch的Docker镜像，你可以找到自己需要的镜像，然后拉取一个镜像到你的服务器或者本地，直接启动就可以了，无需额外的环境配置。
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## 常用编程工具
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在使用PyTorch进行编程之前，我们先来看看几个常用的编程工具，但是并不要求你必须使用它们，你可以根据自己的喜好自由选择。
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### Sublime Text
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Sublime Text是一个非常轻量且强大的文本编辑工具，内置了很多快捷的功能，对于我们开发来说非常便捷。
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例如，它可以自动为项目中的类、方法和函数生成索引，让我们可以跟踪代码。具体就是通过它的goto anything功能，根据一些关键字，查找到项目中的对应的代码行。另外，它能支持的插件功能也很丰富。
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### PyCharm
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PyCharm 作为一款针对 Python 的编辑器，配置简单、功能强大，使用起来省时省心，对初学者十分友好。它拥有一般 IDE 所具备的功能，比如：语法高亮、项目管理、代码跳转、代码补全、调试、单元测试、版本控制等等。
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### Vim
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Vim是Linux系统中的文本编辑工具，非常方便快捷，并且很强大。我们在项目中经常用到它。
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在我们的项目中，经常是需要登录到服务器上进行开发的，服务器一般都是Linux系统，不会有Sublime Text与PyCharm，所以，我们用Vim打开代码，直接去进行编辑就可以了。
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对于没有接触过Linux，或者一直习惯使用IDE来编程开发的同学，初步接触的时候，可能觉得Vim不是很方便，但实际上，Vim包含了丰富的快捷键，对于Shell与Python的开发来说非常高效。
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但是Vim的缺点正如刚才所说，你需要去学习它的使用方法，有一点点门槛，但是只要你学会了，我保证你将对它爱不释手（这里也推荐有需要的同学去看看隔壁的[《Vim 实用技巧必知必会》](https://time.geekbang.org/column/intro/100055801)专栏）。
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### Jupyter Notebook&Lab
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Jupyter Notebook 是一个开源的Web应用，这也是我最想推荐给你的一个工具。它能够让你创建和分享包含可执行代码、可视化结构和文字说明的文档。
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**在后面的课程，如果涉及图片生成或结果展示，我们也会使用到 Jupyter Notebook，这里推荐你先安装好**。
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简而言之，Jupyter Notebook是以网页的形式打开，可以在网页页面中直接编写代码和运行代码，代码的运行结果也会直接在代码块下显示。比如在编程过程中需要编写说明文档，可以在同一个页面中直接编写，便于及时说明、解释。
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而 Jupyter Lab 可以看做是 Jupyter Notebook 的终极进化版，它不但包含了Jupyter Notebook所有功能，并且集成了操作终端、打开交互模式、查看csv文件及图片等功能。
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Jupyter Notebook在我们的深度学习领域非常活跃。在实验测试阶段，相比用py文件来直接编程，还是Jupyter Notebook方便一些。在项目结束之后如果要书写项目报告，我觉得用Jupyter也比较合适。
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#### 使用pip安装Jupyter
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通过pip安装 Jupyter Notebook的命令如下。
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pip install jupyter
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```
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通过pip安装Jupyter Lab的命令如下。
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```plain
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pip install jupyterlab
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```
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#### 启动Jupyter
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完成安装，就可以启动了。我们直接在终端中，执行下面的命令，就可以启动 Jupyter Notebook。
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```shell
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jupyter notebook
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```
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启动 Jupyter Lab需要在终端执行如下命令。
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```plain
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jupyter lab
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```
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不管在macOS系统里，还是在Windows系统，通过以上任意一种方式启动成功之后，浏览器都会自动打开Jupyter Notebook或者Jupyter Lab的开发环境（你可以回顾下“Jupyter Notebook & Lab”那个例子里的界面）。
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#### 运行Jupyter Notebook
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进入到 Jupyter Notebook 的界面，我们尝试新建一个Python的Notebook。具体操作方法如下图所示。点击“New”下拉菜单，然后点击“Python 3”选项，来创建一个新的Python Notebook。
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上面我们已经讲过了 PyTorch 的安装方法，我们可以执行下面这段代码，来看看 PyTorch 是否已经安装成功。
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```python
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import torch
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torch.__version__
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```
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点击运行按钮，我们可以看到代码执行的结果，输出了当前安装的 PyTorch 的版本，即PyTorch 1.9.0 的GPU版本。这说明 PyTorch 框架已经安装成功。
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## 小结
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恭喜你完成了这节课的学习。
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今天，我们一起了解了PyTorch 框架的用途，简单来说就是能利用GPU帮我们搞定深度学习中一系列复杂运算的框架。
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想要用好这个工具，我们就得设计好整个任务的流程、整个网络架构，这样PyTorch才能实现各种各样复杂的计算功能。
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之后我们学习了PyTorch 框架的安装方法，我还给你推荐了一些深度学习编程的常用工具。**其中我最推荐的工具就是 Jupyter Notebook，这个工具在深度学习领域里常常会用到，后面课程里涉及图片生成或者结果展示的环节，我们也会用到它**。
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课程的准备工作就是这些，让我们一起动手，配置好环境，并选择一个你觉得顺手的开发工具，正式开始PyTorch的探索之旅吧！
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千里之行，始于足下。我在下节课等你，如果你有什么问题，也可以通过留言区和我交流。
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我是方远，我们下一讲见！
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