训练/评估期间的指标记录

尽管 TensorBoard 提供丰富的可视化功能，但有效监控的根本在于训练和评估代码中的系统性记录。仅仅运行循环是不够的；你需要记录主要的性能数据，以了解训练是如何进展的，并在问题出现时进行诊断。这里说明如何在 PyTorch 训练和评估例程中直接实现基础的指标记录。

为什么要记录指标？

记录指标有几个重要目的：

1. 性能追踪： 观察损失和准确度（或其他相关指标）在不同训练轮次中的趋势，以判断模型是否有效学习。
2. 调试： 及早发现潜在问题。损失是否在下降？是否停滞不前？验证性能是否在改善或变差？记录指标中的异常情况常常指向一些根本问题，比如之前讨论过的学习率问题或过拟合。
3. 比较： 记录的指标允许在不同模型架构、超参数或训练运行之间进行客观比较。
4. 可视化的根本： 像 TensorBoard 这样的工具依赖这些记录的值来生成图表和仪表板。

要记录的指标

具体指标取决于你的任务，但常用指标包括：

• 损失： 这是你的优化器试图最小化的值。你几乎总是应该记录损失。追踪训练损失（在训练循环中基于训练数据计算）和验证损失（在评估循环中基于单独的验证数据集计算）很重要。比较这两者对于识别过拟合非常重要。
• 准确度： 对于分类任务，准确度（正确分类样本的比例）是一个标准且易于理解的指标。
• 其他任务特定指标： 根据问题类型，你可能记录精确度、召回率、F1分数（用于分类），平均绝对误差（MAE）或均方根误差（RMSE）（用于回归），交并比（IoU）（用于分割）等。

在训练循环中实现记录

在训练期间，你通常希望追踪每个训练轮次中的平均损失和准确度。为每个批次记录指标可能产生噪音，并且对整体趋势的指示性较差，尽管有时它对调试不稳定性有用。

下面是修改标准训练轮次函数以包含记录的方法：

import torch

# 假设模型、train_dataloader、loss_fn、optimizer 已定义

def train_one_epoch(model, train_dataloader, loss_fn, optimizer, device):
    model.train() # 设置模型为训练模式
    running_loss = 0.0
    correct_predictions = 0
    total_samples = 0

    for batch_idx, (inputs, labels) in enumerate(train_dataloader):
        inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

        # 1. 清零梯度
        optimizer.zero_grad()

        # 2. 前向传播
        outputs = model(inputs)

        # 3. 计算损失
        loss = loss_fn(outputs, labels)

        # 4. 反向传播
        loss.backward()

        # 5. 优化器步骤
        optimizer.step()

        # --- 记录步骤 ---
        # 累加损失（使用 .item() 获取 Python 数字）
        running_loss += loss.item() * inputs.size(0) # 按批次大小加权

        # 累加准确度（分类示例）
        _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
        total_samples += labels.size(0)
        correct_predictions += (predicted == labels).sum().item()
        # --- 记录步骤结束 ---

    # 计算当前轮次的平均损失和准确度
    epoch_loss = running_loss / total_samples
    epoch_acc = correct_predictions / total_samples

    print(f"Training Epoch: Loss: {epoch_loss:.4f}, Accuracy: {epoch_acc:.4f}")

    # 返回指标以供后续记录或分析
    return epoch_loss, epoch_acc

记录实现中的要点：

• 在轮次开始时初始化累加器（running_loss、correct_predictions、total_samples）。
• 在批次循环内部，计算损失和预测后，更新累加器。
  • 使用 loss.item() 获取当前批次损失张量的标量值，以防止计算图被保留。如果你想在最后平均之前得到总损失，则乘以 inputs.size(0)（批次大小）；否则，你可以平均批次损失，但如果最后一个批次较小，按批次大小加权会更准确。
  • 计算批次的准确度（或其他指标），并添加到累加总数中。在这里也使用 .item()。
• 循环结束后，通过将累加总数除以样本数量，计算整个轮次的平均损失和准确度。
• 打印或存储这些轮次级别的指标。

在评估循环中实现记录

在评估循环中进行记录是类似的，但存在重要区别：

• 它在 torch.no_grad() 下运行，以禁用梯度计算。
• 模型应处于评估模式（model.eval()），以禁用 dropout 并使用训练期间学习到的批归一化统计量。
• 没有反向传播或优化器步骤。

import torch

# 假设模型、val_dataloader、loss_fn 已定义

def evaluate_model(model, val_dataloader, loss_fn, device):
    model.eval() # 设置模型为评估模式
    running_loss = 0.0
    correct_predictions = 0
    total_samples = 0

    with torch.no_grad(): # 禁用梯度计算
        for inputs, labels in val_dataloader:
            inputs, labels = inputs.to(device), labels.to(device)

            # 前向传播
            outputs = model(inputs)

            # 计算损失
            loss = loss_fn(outputs, labels)

            # --- 记录步骤 ---
            running_loss += loss.item() * inputs.size(0)

            _, predicted = torch.max(outputs.data, 1)
            total_samples += labels.size(0)
            correct_predictions += (predicted == labels).sum().item()
            # --- 记录步骤结束 ---

    epoch_loss = running_loss / total_samples
    epoch_acc = correct_predictions / total_samples

    print(f"Validation: Loss: {epoch_loss:.4f}, Accuracy: {epoch_acc:.4f}")
    return epoch_loss, epoch_acc

存储和使用记录的指标

将指标打印到控制台对于即时反馈很有用。为了更系统的分析或可视化，你会希望存储它们。简单的 Python 列表或字典效果很好：

# --- 在你的主训练脚本中 ---
num_epochs = 10
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
# ... 初始化模型、数据、损失函数、优化器 ...

train_losses, train_accuracies = [], []
val_losses, val_accuracies = [], []

for epoch in range(num_epochs):
    print(f"--- Epoch {epoch+1}/{num_epochs} ---")
    train_loss, train_acc = train_one_epoch(model, train_dataloader, loss_fn, optimizer, device)
    val_loss, val_acc = evaluate_model(model, val_dataloader, loss_fn, device)

    # 存储指标
    train_losses.append(train_loss)
    train_accuracies.append(train_acc)
    val_losses.append(val_loss)
    val_accuracies.append(val_acc)

    # 可选：根据验证性能在此处保存模型检查点
    # 可选：将指标记录到 TensorBoard（使用上述存储的值）
    # writer.add_scalar('Loss/train', train_loss, epoch)
    # writer.add_scalar('Loss/validation', val_loss, epoch)
    # ... 等等。

print("Training finished.")
# 现在你可以分析这些列表：train_losses、val_losses 等。
# 例如，将它们保存到文件或绘制图表。

这种结构使你能够收集整个训练过程中的性能数据。这些存储的列表（train_losses、val_losses等）正是你可以输入到 Matplotlib 等绘图库或传递给 TensorBoard SummaryWriter（如前一节所述）以创建如下可视化图表的内容。

训练和验证损失曲线在10个轮次上绘制。观察这些趋势有助于诊断过拟合（验证损失增加而训练损失减少）或欠拟合（两种损失都保持高位）。

通过在训练和评估期间持续记录指标，你对模型的行为有很好的了解，从而能够就超参数调整、模型调整和调试策略做出明智的决定。