import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from torch import optim
from torch.utils.data import DataLoader, DataLoader
import torchvision
import torchvision.transforms as transforms

# 學習率
lr = 0.15
# 優化算法參數
gamma = 0.8
# 每次小批次訓練個數
bs = 128
# 整體數據循環次數
epochs = 10

# 導入數據集
mnist = torchvision.datasets.FashionMNIST(
? ? root = './Datastes'
? ? , train = True
? ? , download = True
? ? , transform = transforms.ToTensor())
? ??
# 制作數據集
batchdata = DataLoader(mnist
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, batch_size = bs
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, shuffle = True
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?, drop_last = False)

for x, y in batchdata:
? ? print(x.shape)
? ? print(y.shape)
? ? break

# torch.Size([128, 1, 28, 28])
# torch.Size([128])

# 輸入的維度
input_ = mnist.data[0].numel()
# 784

# 輸出的維度
output_ = len(mnist.targets.unique())
# 10

# 定義神經網絡架構
class Model(nn.Module):
? ? def __init__(self, in_features, out_features):
? ? ? ? super().__init__()
? ? ? ? self.linear1 = nn.Linear(in_features, 128, bias = True)
? ? ? ? self.output = nn.Linear(128, out_features, bias = True)
? ??
? ? def forward(self, x):
? ? ? ? x = x.view(-1, 28*28)
? ? ? ? sigma1 = torch.relu(self.linear1(x))
? ? ? ? sigma2 = F.log_softmax(self.output(sigma1), dim = -1)
? ? ? ? return sigma2

# 封裝訓練模型的函數
def fit(net, batchdata, lr, gamma, epochs):
# 參數：模型架構、數據、學習率、優化算法參數、遍歷數據次數

? ? # 5.1 定義損失函數
? ? criterion = nn.NLLLoss()
? ? # 5.1 定義優化算法
? ? opt = optim.SGD(net.parameters(), lr = lr, momentum = gamma)
? ??
? ? # 監視進度：循環之前，一個樣本都沒有看過
? ? samples = 0
? ? # 監視準確度：循環之前，預測正確的個數為0
? ? corrects = 0
? ??
? ? # 全數據訓練幾次
? ? for epoch in range(epochs):
? ? ? ? # 對每個batch進行訓練
? ? ? ? for batch_idx, (x, y) in enumerate(batchdata):
? ? ? ? ? ? # 保險起見，將標簽轉為1維，與樣本對齊
? ? ? ? ? ? y = y.view(x.shape[0])
? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? # 5.2 正向傳播
? ? ? ? ? ? sigma = net.forward(x)
? ? ? ? ? ? # 5.3 計算損失
? ? ? ? ? ? loss = criterion(sigma, y)
? ? ? ? ? ? # 5.4 反向傳播
? ? ? ? ? ? loss.backward()
? ? ? ? ? ? # 5.5 更新梯度
? ? ? ? ? ? opt.step()
? ? ? ? ? ? # 5.6 梯度清零
? ? ? ? ? ? opt.zero_grad()
? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? # 監視進度：每訓練一個batch，模型見過的數據就會增加x.shape[0]
? ? ? ? ? ? samples += x.shape[0]
? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? # 求解準確度：全部判斷正確的樣本量/已經看過的總樣本量
? ? ? ? ? ? # 得到預測標簽
? ? ? ? ? ? yhat = torch.max(sigma, -1)[1]
? ? ? ? ? ? # 將正確的加起來
? ? ? ? ? ? corrects += torch.sum(yhat == y)
? ? ? ? ? ??
? ? ? ? ? ? # 每200個batch和最后結束時，打印模型的進度
? ? ? ? ? ? if (batch_idx + 1) % 200 == 0 or batch_idx == (len(batchdata) - 1):
? ? ? ? ? ? ? ? # 監督模型進度
? ? ? ? ? ? ? ? print("Epoch{}:[{}/{} {: .0f}%], Loss:{:.6f}, Accuracy:{:.6f}".format(
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? epoch + 1
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , samples
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , epochs*len(batchdata.dataset)
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , 100*samples/(epochs*len(batchdata.dataset))
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , loss.data.item()
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? , float(100.0*corrects/samples)))

# 設置隨機種子
torch.manual_seed(51)

# 實例化模型
net = Model(input_, output_)

# 訓練模型
fit(net, batchdata, lr, gamma, epochs)
# Epoch1:[25600/600000 ?4%], Loss:0.524430, Accuracy:69.570312
# Epoch1:[51200/600000 ?9%], Loss:0.363422, Accuracy:74.984375
# ......
# Epoch10:[600000/600000 ?100%], Loss:0.284664, Accuracy:85.771835