Pytorch lr_scheduler 调整学习率

背景

在运行 VGG 代码的时候有这么几行代码：

# 定义模型进行训练
model = VGG16()
# model.load_state_dict(torch.load('./my-VGG16.pth'))
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=0.01, weight_decay=5e-3)
loss_func = nn.CrossEntropyLoss()
scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=5, gamma=0.4, last_epoch=-1) # todo 了解这个操作！

定义优化器，损失函数我都知道要做，但是突然出现一个 scheduler 我就看不懂是什么了。

这里来了解一下

在PyTorch中，lr_scheduler 是用于调整学习率（Learning Rate）的一个模块，它可以在训练过程中动态地改变学习率，有助于改善模型的训练效果，避免陷入局部最优解，或者加速收敛过程。StepLR 是 lr_scheduler 模块中的一个类，它按照固定的步长（step_size）来降低学习率。

在你给出的代码片段中：

python复制代码

scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, step_size=5, gamma=0.4, last_epoch=-1)

optimizer：这是你需要调整学习率的优化器对象。在你的例子中，它是通过 optim.SGD 创建的，用于VGG16模型的参数优化。
step_size：这个参数定义了学习率更新的周期。在你的例子中，step_size=5 意味着每经过5个epoch（训练周期），学习率就会更新一次。
gamma：这个参数定义了学习率更新的乘法因子。在你的例子中，gamma=0.4 意味着每次学习率更新时，新的学习率将是旧学习率的0.4倍。这有助于在训练过程中逐渐减小学习率，以便在接近最优解时进行更细致的调整。
last_epoch：这个参数用于指示在调用 scheduler.step() 之前，已经模拟了多少个epoch的更新。在初次设置时，如果希望从头开始计算（即从epoch 0开始），通常将其设置为 -1。这样，第一次调用 scheduler.step() 时，将认为是从epoch 0结束后的状态开始，从而按照 step_size 的设置来更新学习率。

在训练循环中，你需要在每个epoch结束后调用 scheduler.step() 来更新学习率。例如：

for epoch in range(num_epochs):  
    # 训练代码...  
    # 在每个epoch结束后更新学习率  
    scheduler.step()

通过这种方式，你可以根据训练过程的需要，灵活地调整学习率，以期获得更好的训练效果。

实际调用：

# 定义训练步骤
total_times = 40
total = 0
accuracy_rate = []
device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

for epoch in range(total_times):
    model.train()
    model.to(device)
    running_loss = 0.0
    total_correct = 0
    total_trainset = 0
    print("epoch: ",epoch)
    for i, (data,labels) in enumerate(train_loader):
        data = data.to(device)
        outputs = model(data).to(device)
        labels = labels.to(device)
        loss = loss_func(outputs,labels).to(device)
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()
        running_loss += loss.item()
        _,pred = outputs.max(1)
        correct = (pred == labels).sum().item()
        total_correct += correct
        total_trainset += data.shape[0]
        if i % 100 == 0 and i > 0:
            print(f"正在进行第{i}次训练, running_loss={running_loss}".format(i, running_loss))
            running_loss = 0.0
    test()
    scheduler.step()

其他调整学习率的方法

在PyTorch中，除了StepLR之外，还有多种其他方法用于调整学习率。这些方法可以帮助在训练过程中更灵活地控制学习率，以适应不同的训练需求和数据集特性。以下是一些常见的PyTorch学习率调整方法：

MultiStepLR：
- 功能：按给定间隔调整学习率。
- 主要参数：
  - milestones：一个列表，包含需要调整学习率的epoch数。在每个milestones指定的epoch结束时，学习率会按照给定的gamma进行调整。
  - gamma：调整系数，与StepLR中的gamma相同，用于计算新的学习率。
- 使用场景：当你知道在特定的epoch点需要调整学习率时，可以使用此方法。
ExponentialLR：
- 功能：按指数衰减调整学习率。
- 主要参数：
  - gamma：指数的底，通常设置为小于1的数（如0.9），用于计算学习率的衰减。
- 使用场景：当希望学习率随着训练的进行逐渐减小，且减小速度呈指数级变化时，可以使用此方法。
CosineAnnealingLR：
- 功能：余弦周期调整学习率。
- 主要参数：
  - T_max：下降周期，表示余弦周期的一半。学习率会在每个T_max周期内按照余弦函数变化。
  - eta_min：学习率下限，学习率变化过程中不会低于此值。
- 使用场景：当希望学习率在一个周期内先下降后上升，模拟退火过程时，可以使用此方法。
ReduceLROnPlateau：
- 功能：监控某个指标（如loss或accuracy），当指标不再改善时调整学习率。
- 主要参数：
  - mode：'min'或'max'，表示监控的指标是应该最小化还是最大化。
  - factor：调整系数，用于计算新的学习率。
  - patience：“耐心”参数，表示在调整学习率之前，指标可以接受连续多少次不改善。
  - cooldown：“冷却时间”，在调整学习率后，暂停监控一段时间。
  - min_lr：学习率下限。
- 使用场景：当你想根据模型的实际表现（而非固定的epoch数）来调整学习率时，可以使用此方法。
LambdaLR
- 功能：使用自定义的lambda函数来调整学习率。
- 主要参数：
  - lr_lambda：一个函数或函数列表，用于计算新的学习率。如果传入函数列表，则列表中的每个函数都会独立地应用于每个参数组的学习率。
- 使用场景：当需要实现更复杂的学习率调整策略时，可以使用此方法。
WarmupLR（注意：这不是PyTorch官方直接提供的一个类，但可以通过自定义实现）：
- 功能：在训练初期逐渐增加学习率，以达到预热模型的效果。
- 实现方式：可以通过自定义一个lr_scheduler或使用LambdaLR结合预热函数来实现。
- 使用场景：当模型在训练初期容易因为学习率过大而不稳定时，可以使用此方法。

这些学习率调整方法各有特点，适用于不同的训练场景和需求。在实际应用中，可以根据数据集的特性、模型的复杂度以及训练目标来选择合适的调整方法。