[人工智能]PyTorch Dataloader源码分析(一)

torch.utils.data.Dataloader是PyTorch数据加载工具的核心类。在网络脚本中使用流程一般如下：

train_loader = torch.utils.data.Dataloader(...)
for input, target in train_loader:
    # 前向计算
    output = model(input)
    # 计算损失
    loss = loss_fn(output, target)
    # 反向传播
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    # 梯度更新
    optimizer.step()

从使用方式可以看出，Dataloder本质上是将数据抽象成可迭代的python对象使用，除此之外还支持：

• map风格和iterable风格的数据集
• 自定义数据加载顺序
• 自动批处理
• 单/多进程数据加载
• 自动内存锁页

上述功能选项在Dataloder构造参数中配置：

DataLoader(dataset, batch_size=1, shuffle=False, sampler=None,
           batch_sampler=None, num_workers=0, collate_fn=None,
           pin_memory=False, drop_last=False, timeout=0,
           worker_init_fn=None, *, prefetch_factor=2,
           persistent_workers=False)

下面分为几个章节分别探究Dataloder的代码结构和上述功能的具体实现。

一、Dataloader整体架构

根据上述Dataloader的使用方式来看，Dataloader应该是一个iterrable（可迭代对象），内部需要维护一个iterator（迭代器）。python中for循环访问可迭代对象的内部流程如下：

1. 调用可迭代对象的__iter__方法，拿到迭代器对象
2. 调用迭代器的__next__方法，遍历内部数据
3. 循环步骤2，直到迭代器内部数据流访问完成，捕获异常

对应下图，for循环先通过Dataloader类的__iter__方法拿到迭代器，即_SingleProcessDataLoaderIter类或_MultiProcessDataLoaderIter类，之后每次循环都会调用迭代器的__next__方法获取input和target数据（具体如何获得数据后面会介绍），直到全部数据访问完退出for循环。

Dataloader类的工作比较简单，对用户参数做个检查，再创建出xxxDataLoaderIter迭代器需要的一些类（例如Sampler和BatchSampler）以及xxxDataLoaderIter迭代器，剩下对数据集的访问工作就全权委托xxxDataLoaderIter迭代器去做了。
在具体介绍xxxDataLoaderIter迭代器之前，先简单了解下其依赖的组件及大致工作流程。
xxxDataLoaderIter主要用到的组件有：

• Dataset类
• Sampler && BatchSampler类
• Fetcher类
• collate_fn函数
• pin_memory函数

每次for循环调用next(xxxDataLoaderIter)，都由上述组件相互配合完成对具体数据的访问。大致流程如下：

BatchSampler类每次产生一堆index下标，Fetcher类通过index下标将数据从Dataset类中取出来，然后通过collate_fn函数将取出来的数据整理成Tensor，如果开启了pin memory功能，还会将对应的pageble Tensor转换成pinned Tensor然后输出。
以上就是xxxDataLoaderIter迭代器的大致工作流程，至于每个组件的功能实现以及具体的_SingleProcessDataLoaderIter迭代器和_MultiProcessDataLoaderIter迭代器的工作原理，请看后续章节分析。