PyTorch和NumPy深度比较！！！-51CTO.COM

嗨，我是小壮！

太多人催着让更新pytorch的内容了，我们最近总结了不少东西。

包括实用的一些操作，还有一些总结性的内容。

很多人对pytorch和numpy的边界感是模糊的，咱们今儿就从几方面进行整理和详细的说明。

每块知识点从简单对比到实际代码的对比，值得收藏起来慢慢看~

所有的内容，咱们从下面几个要点进行了对比：

深度学习支持： PyTorch专注于深度学习任务，提供了动态计算图和内置的神经网络接口，而NumPy主要用于传统的科学计算，缺深度学习模块。
自动微分： PyTorch具有自动微分功能，使得在构建和训练神经网络时更加灵活，而NumPy需要手动计算导数。
GPU加速： PyTorch内置GPU支持，使得在GPU上进行张量计算和模型训练更为便捷，而NumPy需要额外的库（如CuPy）才能实现GPU加速。
模型部署： PyTorch提供了TorchScript和ONNX等工具，便于模型导出和部署，而NumPy通常需要额外的库和手动工作来实现模型的导出和部署。

总之，最显著的一点，就是NumPy主要负责数据的计算，而PyTorch更适用于深度学习任务，提供了更丰富的工具和接口。

具体分为 6 大部分，涉及到：

张量计算
自动微分
深度学习支持
GPU加速
模型部署
代码风格

来吧，一起看看~

一、张量计算

NumPy：主要用于数组操作，不提供专门的张量计算功能。NumPy数组是静态的，不支持自动微分。
PyTorch：提供了动态计算图和自动微分，使其更适合深度学习任务。PyTorch的张量计算功能更灵活，可以轻松构建神经网络模型。

张量计算是PyTorch和NumPy的一个关键方面，因为两者都涉及对多维数组（张量）进行操作。

1. 张量的创建

NumPy:

import numpy as np

# 创建NumPy数组
np_array = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 查看数组属性
print("NumPy Array:")
print(np_array)
print("Shape:", np_array.shape)

PyTorch:

import torch

# 创建PyTorch张量
torch_tensor = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])

# 查看张量属性
print("PyTorch Tensor:")
print(torch_tensor)
print("Shape:", torch_tensor.shape)

2. 张量的运算

NumPy:

# NumPy数组运算
np_array1 = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
np_array2 = np.array([[7, 8, 9], [10, 11, 12]])

result_np = np_array1 + np_array2  # 或者使用 np.add(np_array1, np_array2)
print("NumPy Array Addition:")
print(result_np)

PyTorch:

# PyTorch张量运算
torch_tensor1 = torch.tensor([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
torch_tensor2 = torch.tensor([[7, 8, 9], [10, 11, 12]])

result_torch = torch_tensor1 + torch_tensor2  # 或者使用 torch.add(torch_tensor1, torch_tensor2)
print("PyTorch Tensor Addition:")
print(result_torch)

3. 自动微分

NumPy:

# NumPy不支持自动微分，需要手动计算导数
x_np = np.array([2.0], dtype=float)
y_np = x_np**2
dy_dx_np = 2 * x_np
print("NumPy Manual Differentiation:")
print("Input:", x_np)
print("Output:", y_np)
print("Derivative:", dy_dx_np)

PyTorch:

# PyTorch支持自动微分
x_torch = torch.tensor([2.0], requires_grad=True)
y_torch = x_torch**2
y_torch.backward()
dy_dx_torch = x_torch.grad
print("PyTorch Autograd:")
print("Input:", x_torch)
print("Output:", y_torch)
print("Derivative:", dy_dx_torch)

4. GPU加速

NumPy:

# NumPy需要额外的库（如CuPy）才能实现GPU加速

PyTorch:

# PyTorch内置GPU支持
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
torch_tensor = torch_tensor.to(device)

5. 模型构建

NumPy:

# NumPy通常用于传统的科学计算，没有专门的深度学习模块

PyTorch:

# PyTorch提供了高级的神经网络构建接口
import torch.nn as nn

class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(3, 1)

    def forward(self, x):
        return self.fc(x)

model = SimpleModel()

这些示例突显了PyTorch在深度学习任务中的优势，特别是在自动微分和GPU加速方面。然而，在传统科学计算任务中，NumPy仍然是一种非常强大和广泛使用的工具。

二、自动微分

NumPy：不具备自动微分功能，需要手动计算导数。
PyTorch：提供了动态计算图和自动微分，使得在神经网络中反向传播更加容易和直观。

自动微分允许计算图中的变量自动计算梯度。在这方面，PyTorch和NumPy有着显著的差异。

大家可以从基本操作方面进行对比，numpy只能是手动微分。

1. 自动微分

NumPy： NumPy不具备内建的自动微分功能。如果想要计算梯度，需要手动进行导数计算或者使用数值方法，例如有限差分。
PyTorch： PyTorch使用动态计算图来实现自动微分。每当执行一个操作时，PyTorch会在后台构建计算图，并且可以通过反向传播来自动计算梯度。

2. NumPy中的手动微分

import numpy as np

# NumPy中的手动微分
x_np = np.array([2.0], dtype=float)
y_np = x_np**2
dy_dx_np = 2 * x_np
print("NumPy Manual Differentiation:")
print("Input:", x_np)
print("Output:", y_np)
print("Derivative:", dy_dx_np)

在NumPy中，需要手动计算导数。上述示例演示了对函数 y=x^2 进行手动微分的过程。

3. PyTorch中的自动微分

import torch

# PyTorch中的自动微分
x_torch = torch.tensor([2.0], requires_grad=True)
y_torch = x_torch**2
y_torch.backward()
dy_dx_torch = x_torch.grad
print("PyTorch Autograd:")
print("Input:", x_torch)
print("Output:", y_torch)
print("Derivative:", dy_dx_torch)

在PyTorch中，只需将requires_grad设置为True，然后执行前向计算和backward()即可自动计算梯度。grad属性保存了计算得到的梯度。

4. 动态计算图

NumPy： NumPy使用静态计算图，因为它在计算之前需要完全定义好操作。
PyTorch： PyTorch使用动态计算图，这意味着计算图是在运行时构建的，可以根据需要进行灵活的更改。

5. 更复杂的示例 - 梯度下降

# PyTorch中使用梯度下降
learning_rate = 0.1
num_iterations = 100

x_torch = torch.tensor([2.0], requires_grad=True)

for _ in range(num_iterations):
    y_torch = x_torch**2
    y_torch.backward()
    
    # 使用梯度下降更新参数
    x_torch.data = x_torch.data - learning_rate * x_torch.grad.data
    
    # 梯度清零
    x_torch.grad.zero_()

print("Final Result after Gradient Descent:", x_torch.data)

这个示例演示了如何使用梯度下降优化一个简单的函数（y=x^2）的参数。PyTorch通过自动微分提供了方便的方式来计算和应用梯度。在每次迭代中，backward()计算梯度，然后通过梯度下降更新参数。

三、深度学习支持

NumPy：主要用于传统的科学计算，没有专门的深度学习模块。
PyTorch：专注于深度学习任务，提供了高级的神经网络构建和训练接口，如torch.nn和torch.optim等。

PyTorch专注于深度学习任务，提供了高级的神经网络构建和训练接口，而NumPy则更适用于传统的科学计算。

1. 神经网络构建

NumPy主要用于数组操作和科学计算，没有内建的深度学习模块。构建神经网络需要手动实现网络层和激活函数。 PyTorch提供了torch.nn模块，其中包含了各种预定义的网络层和激活函数。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义神经网络
class SimpleNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleNet, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(10, 5)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.fc2 = nn.Linear(5, 1)

    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.fc2(x)
        return x

# 创建模型实例
model = SimpleNet()

2. 损失函数和优化器

NumPy中，需要手动实现损失函数和优化器。通常需要使用梯度下降等优化算法。PyTorch提供了各种内建的损失函数和优化器，使得训练过程更加简单。

以下是一个简单的训练过程的例子：

import torch.optim as optim

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

# 训练过程
for epoch in range(num_epochs):
    # 前向传播
    outputs = model(inputs)
    loss = criterion(outputs, targets)

    # 反向传播和优化
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

3. 自动微分和反向传播

NumPy不支持自动微分和反向传播。需要手动计算梯度并实现反向传播过程。PyTorch的动态计算图和自动微分使得反向传播变得简单。在上述示例中，通过loss.backward()即可自动计算梯度并进行反向传播。

4. GPU加速

NumPy需要额外的库（如CuPy）才能实现GPU加速。PyTorch内置GPU支持，可以直接在GPU上执行张量计算和模型训练。以下是将模型移动到GPU的例子：

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
model.to(device)

5. 模型保存和加载

NumPy：保存和加载模型需要手动实现，通常使用NumPy的np.save和np.load。
PyTorch： PyTorch提供了方便的模型保存和加载接口。以下是一个保存和加载模型的例子：

# 保存模型
torch.save(model.state_dict(), 'model.pth')

# 加载模型
model.load_state_dict(torch.load('model.pth'))

四、GPU加速

NumPy：原生NumPy不支持GPU加速，但可以通过一些扩展库如CuPy来实现。
PyTorch：内置GPU支持，可以直接在GPU上执行张量计算，提高深度学习模型的训练速度。

GPU加速是在深度学习中提高计算速度的重要因素之一。在这方面，PyTorch和NumPy有一些显著的差异。

以下是关于GPU加速的详细阐述和代码比较：

1. GPU加速概念

NumPy： NumPy本身不支持GPU加速。如果需要在GPU上执行操作，可能需要使用额外的库，如CuPy，来替代NumPy数组。
PyTorch： PyTorch内置了对CUDA（NVIDIA GPU加速）的支持，可以直接在GPU上执行张量计算和模型训练。

2. 在PyTorch中使用GPU

import torch

# 检查GPU是否可用
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 创建张量并将其移动到GPU
tensor_on_cpu = torch.tensor([1, 2, 3])
tensor_on_gpu = tensor_on_cpu.to(device)

上述代码演示了如何检查GPU是否可用，并将PyTorch张量移动到GPU上。这是使用PyTorch进行GPU加速的基本步骤。

3. 在NumPy中使用GPU（使用CuPy）

import cupy as np  # 使用CuPy代替NumPy

# 创建CuPy数组
array_on_gpu = np.array([1, 2, 3])

在NumPy的情况下，可以通过使用CuPy来实现GPU加速。CuPy提供了与NumPy相似的接口，但在GPU上执行相应的操作。

4. PyTorch中的GPU加速训练

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim

# 创建模型和数据
model = nn.Linear(5, 1)
data = torch.randn((100, 5)).to(device)
target = torch.randn((100, 1)).to(device)

# 将模型和数据移动到GPU
model.to(device)

# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01)

# 在GPU上进行训练
for epoch in range(num_epochs):
    outputs = model(data)
    loss = criterion(outputs, target)
    
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()

上述代码演示了如何在PyTorch中进行GPU加速的训练。在这个例子中，模型、输入数据和目标数据都被移动到GPU上。

5. NumPy与PyTorch GPU加速性能比较

在涉及大规模数据和复杂模型的深度学习任务中，PyTorch的GPU加速通常更为方便且性能更好。这主要是因为PyTorch在设计时就考虑了深度学习任务的需求，而NumPy更专注于通用科学计算。

五、模型部署

NumPy：针对模型的部署可能需要将代码转换为其他框架或使用专门的工具。
PyTorch：提供了一些工具（如TorchScript），可以将模型导出为可在不同环境中运行的形式，便于部署。

模型部署是将训练好的深度学习模型应用于实际生产环境的过程。在这方面，PyTorch和NumPy有一些区别，尤其是在模型导出和部署上。

以下是关于模型部署的详细阐述和代码比较：

1. PyTorch中的模型保存和加载

在PyTorch中，可以使用torch.save和torch.load来保存和加载整个模型或者模型的参数。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义一个简单的模型
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()

# 保存整个模型
torch.save(model, 'model.pth')

# 或者只保存模型的参数
torch.save(model.state_dict(), 'model_params.pth')

# 加载模型
loaded_model = torch.load('model.pth')
loaded_model_params = SimpleModel()
loaded_model_params.load_state_dict(torch.load('model_params.pth'))

2. NumPy中的模型保存和加载

在NumPy中，可以使用numpy.save和numpy.load来保存和加载NumPy数组，但对于模型保存，通常需要使用其他库，如Joblib。

import numpy as np
from sklearn.externals import joblib

# 使用Joblib保存和加载模型
model = ...  # 的模型
joblib.dump(model, 'model.joblib')

loaded_model = joblib.load('model.joblib')

3. TorchScript

PyTorch引入了TorchScript，它允许将PyTorch模型导出为一种中间表示形式，可以在不同的环境中运行。这对于模型的部署提供了更灵活的选择。

import torch

# 定义并导出模型为TorchScript
class SimpleModel(torch.jit.ScriptModule):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc = torch.nn.Linear(10, 1)

    @torch.jit.script_method
    def forward(self, x):
        return self.fc(x)

model = SimpleModel()
traced_model = torch.jit.trace(model, torch.rand(1, 10))

# 保存TorchScript模型
traced_model.save("traced_model.pt")

# 加载TorchScript模型
loaded_model = torch.jit.load("traced_model.pt")

4. ONNX

ONNX（Open Neural Network Exchange）是一种开放标准，允许在不同深度学习框架之间共享模型。PyTorch可以将模型导出为ONNX格式。

import torch
import torch.onnx

# 定义并导出模型为ONNX
class SimpleModel(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc = torch.nn.Linear(10, 1)

    def forward(self, x):
        return self.fc(x)

model = SimpleModel()
dummy_input = torch.randn(1, 10)

# 导出模型为ONNX
torch.onnx.export(model, dummy_input, "model.onnx", verbose=True)

# 可以使用ONNX Runtime或其他支持ONNX的库来部署模型

5. 部署时的注意事项

依赖项：确保部署环境中安装了正确的依赖项，包括PyTorch或NumPy。
硬件兼容性：确保部署环境的硬件兼容于模型。例如，如果模型在GPU上训练，确保部署环境中有相应的GPU。
推理速度：对于大规模部署，考虑使用模型量化、剪枝等技术以减小模型大小和提高推理速度。

总之，PyTorch提供了更多用于模型导出和部署的工具和库，使得在不同环境中更容易进行部署。NumPy在这方面相对更为基础，通常需要额外的工作来实现模型的导出和部署。

六、代码风格

NumPy：通常使用面向过程的编程风格。
PyTorch：更加面向对象，利用PyTorch的torch.nn模块进行模型构建。

代码风格是编写可读性强、易于维护的代码的一种约定。在深度学习中，PyTorch和NumPy在代码风格上有一些区别。以下是关于代码风格的详细阐述和比较：

1. 代码布局

NumPy： NumPy通常使用面向过程的编程风格。代码布局可能更接近传统的科学计算脚本，其中数组操作和数学运算在主程序中展开。

import numpy as np

# NumPy数组操作
array_a = np.array([1, 2, 3])
array_b = np.array([4, 5, 6])
result = array_a + array_b
print(result)

PyTorch： PyTorch更加面向对象，尤其是在构建神经网络时，使用torch.nn模块。代码通常包含模型定义、训练循环和评估等阶段。

import torch
import torch.nn as nn

# PyTorch神经网络
class SimpleNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleNet, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(3, 1)

    def forward(self, x):
        return self.fc(x)

# 使用模型
model = SimpleNet()
input_data = torch.randn((10, 3))
output = model(input_data)
print(output)

2. 变量和张量命名

NumPy：变量命名通常采用小写字母和下划线，例如array_a。
PyTorch：张量和模型参数通常采用驼峰式命名，例如inputData或modelParameters。

3. 自动微分和梯度更新

NumPy： NumPy不支持自动微分和梯度更新。在手动计算导数时，变量和操作通常都在同一个块中。
PyTorch： PyTorch的自动微分使得梯度更新更为直观，通常涉及backward()和优化器的使用。

import torch

# PyTorch自动微分
x = torch.tensor([2.0], requires_grad=True)
y = x**2
y.backward()
print(x.grad)

4. 异常处理

NumPy：异常处理可能采用传统的try和except语句。

import numpy as np

# NumPy异常处理
try:
    result = np.divide(1, 0)
except ZeroDivisionError as e:
    print("Error:", e)

PyTorch： PyTorch通常使用torch.nn.Module中的异常来处理模型参数等问题。

import torch
import torch.nn as nn

# PyTorch异常处理
class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModel, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(3, 1)

model = MyModel()

try:
    output = model(torch.tensor([1, 2, 3]))
except nn.modules.module.ModuleAttributeError as e:
    print("Error:", e)

5. 代码注释

NumPy：注释通常用于解释复杂的算法或特殊的操作。
PyTorch：由于深度学习中涉及许多独特的操作，注释用于解释模型结构、训练步骤以及梯度更新等。

import torch
import torch.nn as nn

# PyTorch代码注释
class SimpleNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        """
        构造函数，定义神经网络结构。
        """
        super(SimpleNet, self).__init__()
        self.fc = nn.Linear(3, 1)

    def forward(self, x):
        """
        前向传播函数，定义数据如何在网络中传播。
        """
        return self.fc(x)

# 使用模型
model = SimpleNet()
input_data = torch.randn((10, 3))
output = model(input_data)

总体而言，NumPy和PyTorch在代码风格上有些许不同，因为它们分别用于传统的科学计算和深度学习。