问题

深度学习方面的科研工作中的实验代码有什么规范和写作技巧?如何妥善管理实验数据?

回答
深度学习科研工作中的实验代码规范、写作技巧以及实验数据管理,是保障研究可复现性、效率和成果质量的关键。这不仅仅是写出能运行的代码,更是要构建一套科学严谨的实验体系。

一、 实验代码规范与写作技巧

一个清晰、规范、易于理解和维护的代码库,是深度学习科研的基石。这能让你在繁杂的实验中保持条理,也能让你的合作者甚至未来的你更容易地重现和理解实验。

1. 模块化与结构化

清晰的项目目录结构:
`data/`: 存放原始数据、预处理后的数据、数据集配置文件等。
`src/` (或 `experiments/`): 存放所有核心的Python脚本,如模型定义、训练脚本、评估脚本、数据加载器等。
`configs/`: 存放各种实验配置(超参数、模型结构、数据路径等),通常使用YAML或JSON格式。
`models/`: 存放模型定义文件,按模型类型或用途组织。
`utils/`: 存放通用的辅助函数,如日志记录、可视化、度量计算、进度条等。
`notebooks/`: 存放Jupyter Notebooks,用于数据探索、结果可视化、快速原型开发等。
`scripts/`: 存放 Shell 脚本,用于自动化执行训练、评估、数据下载等任务。
`results/`: 存放实验输出,如模型权重、日志文件、评估指标、可视化结果等。
`README.md`: 项目的入口,包含项目介绍、安装指南、使用方法、实验配置说明等。
`requirements.txt`: 列出项目所有依赖的Python库及其版本。
函数与类的封装: 将重复性的操作封装成函数,将相关的模型组件或逻辑封装成类。例如,数据预处理、模型前向传播、损失计算、评估指标计算等都应该有独立的函数或类。
遵循PEP 8规范: 这是Python社区公认的代码风格指南,包括缩进、命名约定、行长限制、导入顺序等。一致的风格能极大提高代码的可读性。

2. 代码可读性与注释

有意义的变量和函数命名: 使用清晰、描述性的名称,避免使用单字母或模糊的缩写(除非是约定俗成的,如 `x` 代表输入,`y` 代表目标)。例如,`learning_rate` 比 `lr` 更清晰,`train_step` 比 `ts` 更直观。
详细而恰当的注释:
Docstrings: 为每个模块、类、函数编写Docstring,解释其功能、参数、返回值以及可能抛出的异常。
行内注释: 对于一些复杂的逻辑、算法的关键步骤、或者不那么直观的代码块,添加行内注释解释其意图。避免注释冗余,不解释“是什么”,而解释“为什么”这么做。
代码逻辑清晰: 尽量保持函数短小精悍,每个函数只做一件事。避免过多的嵌套和复杂的控制流。
类型提示 (Type Hinting): 使用Python的类型提示(如 `def forward(self, x: torch.Tensor) > torch.Tensor:`)可以帮助IDE进行代码检查,减少类型错误,并提高代码的可读性。

3. 配置管理

使用配置文件: 将所有超参数、模型结构参数、数据路径、随机种子等配置信息统一放在配置文件中(如YAML, JSON)。避免硬编码这些值在脚本中。
优点: 易于修改和复现实验;便于跟踪不同配置的实验结果;允许用户无需修改代码即可运行不同实验。
常用库: `Hydra`, `OmegaConf`, `ConfigArgParse`。
参数解析: 使用 `argparse` 或其他库来解析命令行参数,允许用户在运行时覆盖配置文件中的某些参数,例如:`python train.py config configs/resnet18.yaml data_dir /path/to/data`。

4. 实验复现性

固定随机种子: 在代码的起始处固定所有可能产生随机性的操作的种子,包括NumPy、PyTorch、TensorFlow、Python的 `random` 模块等。
```python
import random
import numpy as np
import torch

def set_seed(seed):
random.seed(seed)
np.random.seed(seed)
if torch.cuda.is_available():
torch.manual_seed(seed)
torch.cuda.manual_seed_all(seed)
For reproducibility of CUDA operations, you might need to set these as well:
torch.backends.cudnn.deterministic = True
torch.backends.cudnn.benchmark = False

set_seed(42)
```
注意: `torch.backends.cudnn.deterministic = True` 会牺牲一些性能,但能保证在相同输入下,cuDNN 会给出确定性的结果。`torch.backends.cudnn.benchmark = False` 也会影响性能,通常在需要严格复现时开启。
记录实验环境: 记录运行代码时所使用的Python版本、依赖库版本(通过 `requirements.txt` 或 `conda env export`)、操作系统、GPU型号等信息。这有助于在不同环境中复现时排除因环境差异导致的问题。
版本控制: 使用Git进行代码版本控制,每次重要的改动或实验提交时都应打上标签(tag),并附上清晰的commit message。

5. 训练与评估脚本

训练脚本:
数据加载与预处理: 使用高效的数据加载器(如PyTorch的 `DataLoader`),并进行数据增强。
模型实例化: 清晰地实例化模型,加载预训练权重(如果需要)。
优化器与学习率调度器: 初始化优化器(如Adam, SGD)和学习率调度器(如StepLR, CosineAnnealingLR)。
训练循环: 包含前向传播、计算损失、反向传播、参数更新、学习率调整等步骤。
日志记录: 记录训练过程中的关键指标(如Epoch, Batch Loss, Accuracy, Learning Rate),并可以输出到控制台或日志文件。
模型保存: 在每个epoch结束或验证集性能提升时,保存模型检查点(checkpoint),包括模型权重、优化器状态、当前epoch等。
设备管理: 自动将模型和数据移动到GPU(如果可用)。
评估脚本:
加载模型: 加载训练好的模型权重。
加载测试数据: 使用独立的测试集。
推理: 在测试集上进行前向传播,获取预测结果。
计算评估指标: 计算常用的评估指标(如Accuracy, Precision, Recall, F1score, AUC, BLEU等)。
结果可视化: 生成混淆矩阵、ROC曲线等可视化图表。

6. 调试与性能优化

利用调试器: 使用pdb或IDE内置的调试器来逐步执行代码、检查变量值,找出错误。
断言 (Assertions): 在关键步骤添加断言,检查中间变量的形状、类型、值是否符合预期。
性能分析: 使用Python的 `cProfile` 或PyTorch的 `torch.profiler` 来分析代码瓶颈,找出耗时最多的部分。
Batch Size: 合理选择Batch Size,过大可能导致内存溢出,过小可能影响训练速度和稳定性。
混合精度训练 (Mixed Precision Training): 利用 `torch.cuda.amp` 或 TensorFlow 的 `tf.keras.mixed_precision` 来使用 FP16 精度进行训练,可以显著加速训练并减少显存占用。

二、 妥善管理实验数据

在深度学习研究中,数据是核心,妥善管理数据至关重要,它直接关系到实验的效率、结果的可靠性以及未来工作的可追溯性。

1. 数据组织与存储

清晰的目录结构:
`raw_data/`: 存放原始、未修改的数据库。
`processed_data/`: 存放经过预处理、清洗、划分(如训练集、验证集、测试集)的数据。
`dataset_configs/`: 存放描述数据集(如类别信息、文件列表)的配置文件。
数据版本控制:
大型数据集: 对于非常大的数据集,不建议直接将其存储在Git仓库中。可以考虑使用 Git LFS (Large File Storage),或者使用专门的数据版本控制工具,如 DVC (Data Version Control)。
DVC: DVC可以与Git协同工作,它会将数据文件的实际存储路径替换为指向数据存储(如S3, GCS, 本地文件系统)的链接文件。你可以通过 `dvc add data/my_dataset` 和 `dvc push` 来管理数据。这样做的好处是:
Git仓库保持轻量级。
可以跟踪数据的不同版本,并与代码版本关联。
方便团队成员拉取对应版本的数据。
数据分割: 严格按照训练集、验证集、测试集进行划分。确保测试集不被用于训练或模型选择。
数据格式: 尽量使用高效、易于读写的数据格式,如:
TFRecord (TensorFlow): 适合存储序列化数据,读写速度快。
LMDB (Lightning MemoryMapped Database): 适合存储大量小文件,提供内存映射访问,速度极快。
HDF5: 适合存储多维数组数据,支持压缩和分块读取。
Parquet: 适合存储结构化数据,与Pandas集成良好,支持列式存储,压缩效率高。
NumPy .npy/.npz: 适合存储NumPy数组,简单易用。

2. 元数据与数据集描述

数据集描述文件: 为每个数据集(或其不同版本)创建一个描述文件,记录:
数据来源(URL、文件路径)
数据量(样本数量、特征维度)
数据格式
预处理步骤(清洗、增强、归一化等)
划分方式(训练/验证/测试集比例、划分依据)
数据集的License或使用限制
数据标签: 标签文件应该与数据文件严格对应,并保持一致的命名或索引。

3. 数据加载与预处理流水线

高效的数据加载:
多进程/多线程加载: 使用 `DataLoader` 的 `num_workers` 参数,利用多CPU核心并行加载和预处理数据,避免GPU空闲等待。
预取(Prefetching): 在GPU训练当前batch时,CPU预加载下一个batch的数据。
内存映射(Memory Mapping): 对于大型数据集,使用内存映射可以避免将整个数据集加载到内存中,从而节省RAM。
数据增强:
GPU加速: 考虑使用GPU加速的数据增强库(如 `kornia` for PyTorch)来减少CPU开销。
概率性增强: 合理设置各种数据增强的概率,使其成为超参数进行调优。
数据验证: 在数据加载和预处理过程中,加入断言检查,确保数据在每个阶段的格式、形状、值域都是正确的。

4. 实验结果与数据关联

日志记录: 实验过程中产生的日志(如训练损失、验证损失、准确率、学习率等)应该妥善保存。
可视化工具: 使用 TensorBoard, Weights & Biases (W&B), MLflow 等实验跟踪工具。它们不仅能记录指标,还能:
可视化训练过程(损失曲线、精度曲线)。
记录模型架构、超参数、代码版本。
管理不同实验的 runs。
存储模型检查点和预测结果。
提供方便的团队协作功能。
独立日志文件: 即使不使用实验跟踪工具,也应为每个实验生成独立的日志文件,并与实验代码、配置、模型权重等关联起来。
模型与数据的对应: 确保训练的模型能够清楚地知道它是基于哪个数据集的哪个版本训练出来的,以及使用了哪些预处理和增强策略。实验跟踪工具通常能很好地解决这个问题。
结果存储: 将实验结果(如评估指标、可视化图表、预测结果)存放在与代码和数据相匹配的目录结构中,并用清晰的文件名命名,例如:`results/model_v1/epoch_10/eval_metrics.json`。

5. 备份与归档

定期备份: 对重要的原始数据、处理后的数据集、代码仓库、实验结果等进行定期备份,并将备份存储在安全的地方(如云存储、独立的硬盘)。
数据归档: 当一个项目完成或进入维护阶段时,将所有相关数据、代码、实验记录打包归档,并说明如何访问和使用。

总结一下,一个好的深度学习科研工作,不仅在于算法的创新和模型的优越,更在于严谨的工程实践。 从代码的模块化、可读性,到配置的灵活管理,再到数据的组织、版本控制和高效加载,每一个环节都至关重要。将这些规范和技巧融入日常的研究习惯,能极大地提升科研效率和成果的可信度。

网友意见

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我没用什么工具,自己迭代下来一套流程,至今还是很方便的。

想法超简单,就是给每个实验创建一个「箱子」,把所有相关的尽可能存进去,评估的时候再从箱子里把模型结构、文件拿出来,这样就能保证实验结果好找、好复现。

具体操作起来就会有很多箱子,存成这个样子:

       我的主目录   /bert_base(每个结构上的大变动都单独变成大箱子)     /2021080801(具体的实验,用日期+编号或者参数设置命名都可以)     /202108080X   /sentence_bert     /20210809X     

在启动每个小任务时,具体流程是:

  1. 给每个实验单独创建文件夹
  2. 把模型代码(模型结构、训练、预处理)和超参数、数据路径保存到该文件夹
  3. 把模型存储到该文件夹
  4. 把训练log存储到该文件夹

做NLP的同学基本现在都是bert,直接把我的自动化脚本贴出来:

这个是train.sh,启动命令是 sh train.sh gpu_id modelname

       gpu=$1 model_name=$2 pretrained_model=/home/pretrained_model data_dir=/home/data  # 检查输入的实验模型名称是否为空 if [ ! "$model_name" ]; then     echo "modelname is none"     exit 1 fi  # 创建实验文件夹 if [ ! -d "$model_name" ]; then     mkdir $model_name fi  # 检查实验是否已存在 if [ -n "`find $model_name -maxdepth 1 -name '*.bin'`" ]; then     echo "model exists"     exit 1 fi  # 备份实验代码 cp main.py $model_name/ cp prepro.py $model_name/ cp model.py $model_name/ cp train.sh $model_name/  echo "use gpu: $gpu"  export CUDA_VISIBLE_DEVICES=$gpu; nohup python -u main.py      --model_type=bert      --data_dir=$data_dir      --input_train_file=train.tsv      --input_eval_file=$data_dir/dev.txt     --output_eval_file=$model_name/dev_eval.txt       --model_name_or_path=$pretrained_model      --task_name=cls      --output_dir=$model_name      --max_seq_length=20      --do_train      --do_eval      --evaluate_during_training      --per_gpu_train_batch_size=512      --per_gpu_eval_batch_size=512      --learning_rate=2e-5      --weight_decay=0.01      --warmup_steps=10000      --num_train_epochs=2      --logging_steps=5000      --save_steps=5000      --ouput_path=$model_name      --do_lower_case      --fp16      > $model_name/log.txt 2>&1 & # 保存log  echo "$model_name/log.txt"     

这个是eval.sh,启动命令是 sh eval.sh gpu_id modelname

       gpu=$1 model_name=$2 data_dir=/home/data  # 检查输入的实验模型名称是否为空 if [ ! "$model_name" ]; then     echo "modelname is none"     exit 1 fi  # 检查实验模型是否存在 if [ ! -d "$model_name" ]; then     echo "$model_name do not exist"     exit 1 fi  # 把训练时的模型文件拷贝出来(防止现在代码有变动) cp $model_name/main.py ./ cp $model_name/prepro.py ./ cp $model_name/model.py ./  echo "use gpu: $gpu"  export CUDA_VISIBLE_DEVICES=$gpu; python main.py      --model_type=bert      --do_eval      --input_eval_file=$data_dir/test.tsv      --output_eval_file=$model_name/test_eval.txt      --data_dir=$data_dir      --model_name_or_path=$model_name      --task_name=cls      --output_dir=$model_name      --max_seq_length=20      --per_gpu_eval_batch_size=512      --ouput_path=$model_name      --fp16      

如果要更大批量的预测训练,再用shell把这些脚本包一下就好了,shell太香

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