本教程已更新為可與PyTorch 1.2一起使用

顧名思義，PyTorch的主要接口是Python編程語(yǔ)言。盡管Python是合適于許多需要?jiǎng)討B(tài)性和易于迭代的場(chǎng)景，并且是首選的語(yǔ)言，但同樣的，在許多情況下，Python的這些屬性恰恰是不利的。后者通常適用的一種環(huán)境是要求生產(chǎn)-低延遲和嚴(yán)格部署。對(duì)于生產(chǎn)場(chǎng)景，即使只將C ++綁定到Java，Rust或Go之類的另一種語(yǔ)言中，它也是經(jīng)常選擇的語(yǔ)言。以下各段將概述PyTorch提供的從現(xiàn)有Python模型到可以完全從C ++加載和執(zhí)行的序列化表示形式的路徑，而無(wú)需依賴Python。

步驟1：將PyTorch模型轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本

PyTorch模型從Python到C ++的旅程由Torch Script啟動(dòng)，Torch Script是PyTorch模型的一種表示形式，可以由Torch Script編譯器理解，編譯和序列化。如果您是從使用vanilla“eager” API編寫(xiě)的現(xiàn)有PyTorch模型開(kāi)始的，則必須首先將模型轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本。在最常見(jiàn)的情況下（如下所述），這只需要花費(fèi)很少的功夫。如果您已經(jīng)有了Torch腳本模塊，則可以跳到本教程的下一部分。

有兩種將PyTorch模型轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本的方法。第一種稱為跟蹤，一種機(jī)制，其中通過(guò)使用示例輸入對(duì)模型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次評(píng)估，并記錄這些輸入在模型中的流量，從而捕獲模型的結(jié)構(gòu)。這適用于有限使用控制流的模型。第二種方法是在模型中添加顯式批注，以告知Torch Script編譯器可以根據(jù)Torch Script語(yǔ)言施加的約束直接解析和編譯模型代碼。

提示：您可以在官方 Torch腳本參考 中找到有關(guān)這兩種方法的完整文檔，以及使用方法的進(jìn)一步指導(dǎo)。

方法1：通過(guò)跟蹤轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本

要將PyTorch模型通過(guò)跟蹤轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本，必須將模型的實(shí)例以及示例輸入傳遞給 torch.jit.trace 函數(shù)。這將產(chǎn)生一個(gè) torch.jit.ScriptModule 對(duì)象，該對(duì)象的模型評(píng)估痕跡將嵌入模塊的 forward 方法中：

import torch
import torchvision
# 你模型的一個(gè)實(shí)例.
model = torchvision.models.resnet18()
# 您通常會(huì)提供給模型的forward()方法的示例輸入。
example = torch.rand(1, 3, 224, 224)
# 使用`torch.jit.trace `來(lái)通過(guò)跟蹤生成`torch.jit.ScriptModule`
traced_script_module = torch.jit.trace(model, example)

現(xiàn)在可以對(duì)跟蹤的 ScriptModule 進(jìn)行評(píng)估，使其與常規(guī)PyTorch模塊相同：

In[1]: output = traced_script_module(torch.ones(1, 3, 224, 224))
In[2]: output[0, :5]
Out[2]: tensor([-0.2698, -0.0381, 0.4023, -0.3010, -0.0448], grad_fn=<SliceBackward>)

方法2：通過(guò)注釋轉(zhuǎn)換為T(mén)orch腳本

在某些情況下，例如，如果模型采用特定形式的控制流，則可能需要直接在Torch腳本中編寫(xiě)模型并相應(yīng)地注釋模型。例如，假設(shè)您具有以下vanilla Pytorch模型：

import torch
class MyModule(torch.nn.Module):
 def __init__(self, N, M):
  super(MyModule, self).__init__()
  self.weight = torch.nn.Parameter(torch.rand(N, M))

 def forward(self, input):
  if input.sum() > 0:
   output = self.weight.mv(input)
  else:
   output = self.weight + input
  return output

因?yàn)榇四K的前向方法使用取決于輸入的控制流，所以它不適合跟蹤。相反，我們可以將其轉(zhuǎn)換為 ScriptModule 。為了將模塊轉(zhuǎn)換為 ScriptModule ，需要使用 torch.jit.script 編譯模塊，如下所示：

class MyModule(torch.nn.Module):
 def __init__(self, N, M):
  super(MyModule, self).__init__()
  self.weight = torch.nn.Parameter(torch.rand(N, M))

 def forward(self, input):
  if input.sum() > 0:
   output = self.weight.mv(input)
  else:
   output = self.weight + input
  return output

my_module = MyModule(10,20)
sm = torch.jit.script(my_module)

如果您需要在 nn.Module 中排除某些方法，因?yàn)樗鼈兪褂昧?nbsp;TorchScript 尚不支持的Python功能，則可以使用 @torch.jit.ignore 對(duì)其進(jìn)行注釋

my_module 是 ScriptModule 的實(shí)例，可以序列化。

步驟2：將腳本模塊序列化為文件

一旦有了ScriptModule（通過(guò)跟蹤或注釋PyTorch模型），您就可以將其序列化為文件了。稍后，您將可以使用C ++從此文件加載模塊并執(zhí)行它，而無(wú)需依賴Python。假設(shè)我們要序列化先前在跟蹤示例中顯示的 ResNet18 模型。要執(zhí)行此序列化，只需在模塊上調(diào)用 save 并傳遞一個(gè)文件名即可：

traced_script_module.save("traced_resnet_model.pt")

這將在您的工作目錄中生成 traced_resnet_model.pt 文件。如果您還想序列化 my_module ，請(qǐng)調(diào)用 my_module.save("my_module_model.pt") 我們現(xiàn)在已經(jīng)正式離開(kāi)Python領(lǐng)域，并準(zhǔn)備跨入C ++領(lǐng)域。

步驟3：在C ++中加載腳本模塊

要在C ++中加載序列化的PyTorch模型，您的應(yīng)用程序必須依賴于PyTorch C ++ API（也稱為L(zhǎng)ibTorch）。LibTorch發(fā)行版包含共享庫(kù)，頭文件和CMake構(gòu)建配置文件的集合。雖然CMake不是依賴LibTorch的要求，但它是推薦的方法，并且將來(lái)會(huì)得到很好的支持。 對(duì)于本教程，我們將使用CMake和LibTorch構(gòu)建一個(gè)最小的C ++應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序簡(jiǎn)單地加載并執(zhí)行序列化的PyTorch模型。

最小的C ++應(yīng)用程序

讓我們從討論加載模塊的代碼開(kāi)始。以下將已經(jīng)做：

include <torch/script.h> // One-stop header.

#include <iostream>
#include <memory>

int main(int argc, const char* argv[]) {
 if (argc != 2) {
 std::cerr << "usage: example-app <path-to-exported-script-module>\n";
 return -1;
 }


 torch::jit::script::Module module;
 try {
 // 使用以下命令從文件中反序列化腳本模塊: torch::jit::load().
 module = torch::jit::load(argv[1]);
 }
 catch (const c10::Error& e) {
 std::cerr << "error loading the model\n";
 return -1;
 }

 std::cout << "ok\n";
}

標(biāo)頭包含運(yùn)行示例所需的LibTorch庫(kù)中的所有相關(guān)包含。我們的應(yīng)用程序接受序列化的PyTorch ScriptModule的文件路徑作為其唯一的命令行參數(shù)，然后使用 torch::jit::load（） 函數(shù)繼續(xù)對(duì)該模塊進(jìn)行反序列化，該函數(shù)將此文件路徑作為輸入。作為返回，我們收到一個(gè) Torch::jit::script::Module 對(duì)象。我們將稍后討論如何執(zhí)行它。

取決于LibTorch和構(gòu)建應(yīng)用程序

假設(shè)我們將以上代碼存儲(chǔ)在名為 example-app.cpp 的文件中。最小的 CMakeLists.txt 可能看起來(lái)很簡(jiǎn)單：

cmake_minimum_required(VERSION 3.0 FATAL_ERROR)
project(custom_ops)

find_package(Torch REQUIRED)

add_executable(example-app example-app.cpp)
target_link_libraries(example-app "${TORCH_LIBRARIES}")
set_property(TARGET example-app PROPERTY CXX_STANDARD 11)

建立示例應(yīng)用程序的最后一件事是LibTorch發(fā)行版。您可以隨時(shí)從PyTorch網(wǎng)站的 下載頁(yè)面 上獲取最新的穩(wěn)定版本。如果下載并解壓縮最新的歸檔文件，則應(yīng)收到具有以下目錄結(jié)構(gòu)的文件夾：

libtorch/
 bin/
 include/
 lib/
 share/

find_package(Torch)

提示;在Windows上，調(diào)試和發(fā)行版本不兼容ABI。 如果您打算以調(diào)試模式構(gòu)建項(xiàng)目，請(qǐng)嘗試使用LibTorch的調(diào)試版本。

最后一步是構(gòu)建應(yīng)用程序。為此，假定示例目錄的布局如下：

example-app/
 CMakeLists.txt
 example-app.cpp

現(xiàn)在，我們可以運(yùn)行以下命令從 example-app/ 文件夾中構(gòu)建應(yīng)用程序：

mkdir build
cd build
cmake -DCMAKE_PREFIX_PATH=/path/to/libtorch ..
make

/path/to/libtorch 應(yīng)該是解壓縮的LibTorch發(fā)行版的完整路徑。如果一切順利，它將看起來(lái)像這樣：

root@4b5a67132e81:/example-app# mkdir build
root@4b5a67132e81:/example-app# cd build
root@4b5a67132e81:/example-app/build# cmake -DCMAKE_PREFIX_PATH=/path/to/libtorch ..
-- The C compiler identification is GNU 5.4.0
-- The CXX compiler identification is GNU 5.4.0
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc
-- Check for working C compiler: /usr/bin/cc -- works
-- Detecting C compiler ABI info
-- Detecting C compiler ABI info - done
-- Detecting C compile features
-- Detecting C compile features - done
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++
-- Check for working CXX compiler: /usr/bin/c++ -- works
-- Detecting CXX compiler ABI info
-- Detecting CXX compiler ABI info - done
-- Detecting CXX compile features
-- Detecting CXX compile features - done
-- Looking for pthread.h
-- Looking for pthread.h - found
-- Looking for pthread_create
-- Looking for pthread_create - not found
-- Looking for pthread_create in pthreads
-- Looking for pthread_create in pthreads - not found
-- Looking for pthread_create in pthread
-- Looking for pthread_create in pthread - found
-- Found Threads: TRUE
-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: /example-app/build
root@4b5a67132e81:/example-app/build# make
Scanning dependencies of target example-app
[ 50%] Building CXX object CMakeFiles/example-app.dir/example-app.cpp.o
[100%] Linking CXX executable example-app
[100%] Built target example-app

如果我們提供了我們之前創(chuàng)建的到示例應(yīng)用程序二進(jìn)制文件的跟蹤ResNet18模型 traced_resnet_model.pt 的路徑，則應(yīng)該以友好的“ ok”作為獎(jiǎng)勵(lì)。 請(qǐng)注意，如果嘗試使用 my_module_model.pt 運(yùn)行此示例，則會(huì)收到一條錯(cuò)誤消息，提示您輸入的形狀不兼容。 my_module_model.pt 需要1D而不是4D。

root@4b5a67132e81:/example-app/build# ./example-app <path_to_model>/traced_resnet_model.pt
ok

步驟4：在C ++中執(zhí)行腳本模塊

成功用C ++加載了序列化的ResNet18之后，我們現(xiàn)在只需執(zhí)行幾行代碼即可！讓我們將這些行添加到C ++應(yīng)用程序的 main() 函數(shù)中：

// 創(chuàng)建輸入向量
std::vector<torch::jit::IValue> inputs;
inputs.push_back(torch::ones({1, 3, 224, 224}));

// 執(zhí)行模型并將輸出轉(zhuǎn)化為張量
at::Tensor output = module.forward(inputs).toTensor();
std::cout << output.slice(/*dim=*/1, /*start=*/0, /*end=*/5) << '\n';

前兩行設(shè)置了我們模型的輸入。我們創(chuàng)建一個(gè) torch::jit::IValue 的向量（類型為type-erased的值 Script::Module 方法接受并返回），并添加單個(gè)輸入。要?jiǎng)?chuàng)建輸入張量，我們使用 torch::ones() ，等效于C ++ API中的 torch.ones 。然后，我們運(yùn)行 script::Module 的 forward 方法，并向其傳遞我們創(chuàng)建的輸入向量。作為回報(bào)，我們得到一個(gè)新的IValue，通過(guò)調(diào)用 toTensor() 將其轉(zhuǎn)換為張量。

提示：要總體上了解有關(guān)torch::ones和PyTorch C ++ API之類的功能的更多信息，請(qǐng)參閱其文檔，網(wǎng)址為https://pytorch.org/cppdocs。

PyTorch C ++ API提供了與Python API幾乎相同的功能奇偶校驗(yàn)，使您可以像在Python中一樣進(jìn)一步操縱和處理張量。

在最后一行中，我們打印輸出的前五個(gè)條目。由于在本教程前面的部分中，我們向Python中的模型提供了相同的輸入，因此理想情況下，我們應(yīng)該看到相同的輸出。讓我們通過(guò)重新編譯我們的應(yīng)用程序并以相同的序列化模型運(yùn)行它來(lái)進(jìn)行嘗試：

root@4b5a67132e81:/example-app/build# make
Scanning dependencies of target example-app
[ 50%] Building CXX object CMakeFiles/example-app.dir/example-app.cpp.o
[100%] Linking CXX executable example-app
[100%] Built target example-app
root@4b5a67132e81:/example-app/build# ./example-app traced_resnet_model.pt
-0.2698 -0.0381 0.4023 -0.3010 -0.0448
[ Variable[CPUFloatType]{1,5} ]

作為參考，Python以前的輸出為：

tensor([-0.2698, -0.0381, 0.4023, -0.3010, -0.0448], grad_fn=<SliceBackward>)

看來(lái)匹配得很好！

提示：要將模型移至GPU內(nèi)存，可以編寫(xiě)model.to（at::kCUDA）;。通過(guò)調(diào)用tensor.to（at::kCUDA），確保模型的輸入也位于CUDA內(nèi)存中，

這將在CUDA內(nèi)存中返回新的張量。

步驟5：獲取幫助并探索API

本教程有望使您對(duì)PyTorch模型從Python到C ++的路徑有一個(gè)大致的了解。使用本教程中描述的概念，您應(yīng)該能夠從vanilla, “eager” PyTorch模型，到Python中的已編譯 ScriptModule ，再到磁盤(pán)上的序列化文件，以及–結(jié)束循環(huán)–到可執(zhí)行腳本： C ++中的模塊。

當(dāng)然，有許多我們沒(méi)有介紹的概念。例如，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己想要使用以C ++或CUDA實(shí)現(xiàn)的自定義運(yùn)算符擴(kuò)展 ScriptModule ，并在加載到純C ++生產(chǎn)環(huán)境中的ScriptModule中執(zhí)行此自定義運(yùn)算符。好消息是：這是可能的，并且得到了很好的支持！現(xiàn)在，您可以瀏覽 此文件夾 中的示例，我們將很快提供一個(gè)教程。 目前，以下鏈接通?？赡軙?huì)有所幫助：

Torch Script參考：https://pytorch.org/docs/master/jit.html
PyTorch C ++ API文檔：https://pytorch.org/cppdocs/
PyTorch Python API文檔：https://pytorch.org/docs/

與往常一樣，如果您遇到任何問(wèn)題或疑問(wèn)，可以使用我們的 論壇 或 GitHub issues 進(jìn)行聯(lián)系

總結(jié)

以上所述是小編給大家介紹的在C++中加載TorchScript模型的方法，希望對(duì)大家有所幫助！

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