Pytorch 与 Tensorflow：深度学习的主要区别（1）

引言

目前，Python 深度学习领域已经涌现出多个由科技界巨头如 Google、Facebook 和 Uber 等公司公开发布的框架，这些框架旨在帮助开发者构建先进的计算架构。对于刚接触这一领域的你来说，深度学习是计算机科学中的一个分支，它通过模仿人脑结构的人工神经网络，赋予计算机以类似人类的智能，使其能够解决现实世界的问题。

这些工具极大地简化了神经网络的研究、开发和训练过程。本文将重点探讨两个广为人知的深度学习框架——PyTorch 和 TensorFlow——它们之间的主要相似点和不同点。尽管市面上有众多的深度学习框架，它们各自都有其独特的优势，但本文选择对比 PyTorch 和 TensorFlow，是因为这两大框架的对比特别引人入胜。

PyTorch 是什么？

PyTorch 是目前流行的深度学习框架之一，由 Facebook 团队开发，并在 2017 年作为开源项目在 GitHub 上发布。有关其开发过程的详细信息，可以参考名为 "PyTorch 中的自动微分" 的研究。值得注意的是，PyTorch 经过了彻底的重新设计和定制，以确保其运行速度和用户体验的原生性，它超越了仅仅是支持通用编程语言的接口层。

TensorFlow 是什么？

TensorFlow 是由 Google 的工程师团队设计的一个开源深度学习框架，最初发布于 2015 年。其详细的官方研究可以在一篇名为《TensorFlow：异构分布式系统上的先进机器学习技术》的文章中找到。

目前，各种组织、初创企业以及大型企业都在使用 TensorFlow 来实现流程自动化和新系统的开发。TensorFlow 因其在分布式学习、可扩展的运行和部署能力以及与包括 Android 设备在内的多种设备兼容方面的优势而广受推崇。

利弊分析

PyTorch 优点

• 代码风格与 Python 类似，易于理解和编写。
• 支持动态图，便于实时调整和优化模型。
• 编辑过程简洁迅速，提高开发效率。
• 拥有活跃的社区和详尽的文档支持。
• 是一款开源软件，可自由使用和修改。
• 已被广泛应用于众多项目中。

PyTorch 缺点

• 需要依赖第三方工具来进行模型的可视化。
• 在生产环境中部署时需要 API 服务器的支持。

TensorFlow 优点

• 提供了易于集成的高级 API，简化了开发流程。
• 通过 Tensorboard 实现了直观的训练过程可视化。
• TensorFlow 的服务功能使其非常适合在生产环境中使用。
• 对移动设备的支持简单易行。
• 同样是开源软件，拥有社区的广泛支持和完善的文档。

TensorFlow 缺点

• 使用静态图，可能在某些情况下不够灵活。
• 调试过程可能较为复杂，需要特定的方法。
• 快速的转型和迭代可能面临一些挑战。

五大差异

TensorFlow 和 PyTorch 最核心的区别在于它们的代码执行方式。这两个框架都采用了基础的张量（tensor）数据结构。在下面中，张量可以被看作是多维的数组。

动态图与静态图的界定

TensorFlow 框架由两个核心组件构成：

• 一个用于在多种硬件上执行计算图的运行环境。
• 一个用于生成这些计算图的库。

计算图是一种用于表达计算过程的有向图，它带来了多项优势。在数据结构中，图由边和顶点组成，顶点通过有向边两两相连。

在 TensorFlow 中，计算图是在代码执行过程中静态构建的。tf.Session 对象和 tf.Placeholder 用于在运行时接收外部数据，并且是与外部环境进行交互的关键。例如，下面这行代码就展示了这种用法。

TensorFlow 通过以下方式在代码执行前静态构建计算图。引入计算网络的主要优势在于它支持并行处理或基于依赖的任务调度，这有助于提高训练速度并优化训练效果。

PyTorch 同 TensorFlow 一样，由两个核心构建块组成：

• 计算图需要以动态和命令式编程的方式实时生成。
• 自动微分功能由自动微分系统（autograds）来完成。

下图展示了如何在不依赖特殊会话接口或占位符的情况下，实时修改和操作图中的节点。总体而言，PyTorch 框架在使用上显得更加自然，并且与 Python 语言的结合更为紧密。因此，相较于 TensorFlow 给人的全新语言的感觉，PyTorch 更像是 Python 语言的一个扩展框架。

选择不同的框架，其在软件层面上的差异会非常明显。TensorFlow 提供了一个名为 TensorFlow Fold 的包，它可以用来生成动态计算图；与此同时，PyTorch 已经原生支持了这一特性。

分布式训练

数据并行是 PyTorch 相对于 TensorFlow 的一大特色。PyTorch 通过运用 Python 的核心异步执行功能，增强了程序的执行效率。相比之下，TensorFlow 默认并不支持分布式训练，要实现这一点，需要进行大量的编码工作，并针对每个操作进行细致的设备配置。本质上，使用 TensorFlow 在 PyTorch 已经实现的功能上进行复制，需要付出更多的努力。以下是一个代码示例，演示了在 PyTorch 中为模型搭建分布式训练的简便性。