torch.utils.data.DataLoader是Pytorch中数据读取的一个重要接口,其在dataloader.py中定义,基本上只要是用oytorch来训练模型基本都会用到该接口,该接口主要用来将自定义的数据读取接口的输出或者PyTorch已有的数据读取接口的输入按照batch size封装成Tensor,后续只需要再包装成Variable即可作为模型的输入,主要包括DataLoader和DataLoaderIter两个类。

    dataloader.py脚本的的github地址:https://github.com/pytorch/pytorch/blob/master/torch/utils/data/dataloader.py

    DataLoader类源码如下。先看看__init__中的几个重要的输入:1、dataset,这个就是PyTorch已有的数据读取接口(比如torchvision.datasets.ImageFolder)或者自定义的数据接口的输出,该输出要么是torch.utils.data.Dataset类的对象,要么是继承自torch.utils.data.Dataset类的自定义类的对象。2、batch_size,根据具体情况设置即可。3、shuffle,一般在训练数据中会采用。4、collate_fn,是用来处理不同情况下的输入dataset的封装,一般采用默认即可,除非你自定义的数据读取输出非常少见。5、batch_sampler,从注释可以看出,其和batch_size、shuffle等参数是互斥的,一般采用默认。6、sampler,从代码可以看出,其和shuffle是互斥的,一般默认即可。7、num_workers,从注释可以看出这个参数必须大于等于0,0的话表示数据导入在主进程中进行,其他大于0的数表示通过多个进程来导入数据,可以加快数据导入速度。8、pin_memory,注释写得很清楚了: pin_memory (bool, optional): If True, the data loader will copy tensors into CUDA pinned memory before returning them. 也就是一个数据拷贝的问题。9、timeout,是用来设置数据读取的超时时间的,但超过这个时间还没读取到数据的话就会报错。

  在__init__中,RandomSampler类表示随机采样且不重复,所以起到的就是shuffle的作用。BatchSampler类则是把batch size个RandomSampler类对象封装成一个,这样就实现了随机选取一个batch的目的。这两个采样类都是定义在sampler.py脚本中,地址:https://github.com/pytorch/pytorch/blob/master/torch/utils/data/sampler.py。以上这些都是初始化的时候进行的。当代码运行到要从torch.utils.data.DataLoader类生成的对象中取数据的时候,比如:
train_data=torch.utils.data.DataLoader(...)
for i, (input, target) in enumerate(train_data):
...
就会调用DataLoader类的__iter__方法,__iter__方法就一行代码:return DataLoaderIter(self),输入正是DataLoader类的属性。因此当调用__iter__方法的时候就牵扯到另外一个类:DataLoaderIter

  DataLoaderIter类源码如下。self.index_queue = multiprocessing.SimpleQueue()中的multiprocessing是Python中的多进程管理包,而threading则是Python中的多线程管理包,二者很大一部分的接口用法类似。还是照例先看看__init__,前面部分都是一些赋值操作,比较特殊的是self.sample_iter = iter(self.batch_sampler),得到的self.sample_iter可以通过next(self.sample_iter)来获取batch size个数据的index。self.rcvd_idx表示读取到的一个batch数据的index,初始化为0,该值在迭代读取数据的时候会用到。if self.num_workers语句是针对多进程或单进程的情况进行初始化,如果不是设置为多进程读取数据,那么就不需要这些初始化操作,后面会介绍单进程数据读取。在if语句中通过multiprocessing.SimpleQueue()类创建了一个简单的队列对象。multiprocessing.Process类就是构造进程的类,这里根据设定的进程数来启动,然后赋值给self.workers。接下来的一个for循环就通过调用start方法依次启动self.workers中的进程。接下来关于self.pin_memory的判断语句,该判断语句内部主要是实现了多线程操作。self.pin_memory的含义在前面已经介绍过了,当为True的时候,就会把数据拷到CUDA中。self.data_queue = queue.Queue()是通过Python的queue模块初始化得到一个先进先出的队列(queue模块也可以初始化得到先进后出的队列,需要用queue.LifoQueue()初始化),queue模块主要应用在多线程读取数据中。在threading.Thread的args参数中,第一个参数in_data就是一个进程的数据,一个进程中不同线程的数据也是通过队列来维护的,这里采用的是Python的queue模块来初始化得到一个队列:queue.Queue()。初始化结束后,就会调用__next__方法,接下来介绍。
总的来说,如果设置为多进程读取数据,那么就会采用队列的方式来读,如果不是采用多进程来读取数据,那就采用普通方式来读。

  DataLoaderIter类的__next__方法如下,包含3个if语句和1个while语句。
第一个if语句是用来处理self.num_workers等于0的情况,也就是不采用多进程进行数据读取,可以看出在这个if语句中先通过indices = next(self.sample_iter)获取长度为batch size的列表:indices,这个列表的每个值表示一个batch中每个数据的index,每执行一次next操作都会读取一批长度为batch size的indices列表。然后通过self.collate_fn函数将batch size个tuple(每个tuple长度为2,其中第一个值是数据,Tensor类型,第二个值是标签,int类型)封装成一个list,这个list长度为2,两个值都是Tensor,一个是batch size个数据组成的FloatTensor,另一个是batch size个标签组成的LongTensor。所以简单讲self.collate_fn函数就是将batch size个分散的Tensor封装成一个Tensor。batch = pin_memory_batch(batch)中pin_memory_batch函数的作用就是将输入batch的每个Tensor都拷贝到CUDA中,该函数后面会详细介绍。
第二个if语句是判断当前想要读取的batch的index(self.rcvd_idx)是否之前已经读出来过(已读出来的index和batch数据保存在self.reorder_dict字典中,可以结合最后的while语句一起看,因为self.reorder_dict字典的更新是在最后的while语句中),如果之前已经读取过了,就根据这个index从reorder_dict字典中弹出对应的数据。最后返回batch数据的时候是 return self._process_next_batch(batch),该方法后面会详细介绍。主要做是获取下一个batch的数据index信息。
第三个if语句,self.batches_outstanding的值在前面初始中调用self._put_indices()方法时修改了,所以假设你的进程数self.num_workers设置为3,那么这里self.batches_outstanding就是3*2=6,可具体看self._put_indices()方法。
最后的while循环就是真正用来从队列中读取数据的操作,最主要的就是idx, batch = self._get_batch(),通过调用_get_batch()方法来读取,后面有介绍,简单讲就是调用了队列的get方法得到下一个batch的数据,得到的batch一般是长度为2的列表,列表的两个值都是Tensor,分别表示数据(是一个batch的)和标签。_get_batch()方法除了返回batch数据外,还得到另一个输出:idx,这个输出表示batch的index,这个if idx != self.rcvd_idx条件语句表示如果你读取到的batch的index不等于当前想要的index:selg,rcvd_idx,那么就将读取到的数据保存在字典self.reorder_dict中:self.reorder_dict[idx] = batch,然后继续读取数据,直到读取到的数据的index等于self.rcvd_idx。

  DataloaderIter类的_get_batch方法。主要根据是否设置了超时时间来操作,如果超过指定的超时时间后没有从队列中读到数据就报错,如果不设置超时时间且一致没有从队列中读到数据,那么就会一直卡着且不报错,这部分是PyTorch后来修的一个bug。

  DataLoaderIter类的_process_next_batch方法。首先对self.rcvd_idx进行加一,也就是更新下下一个要读取的batch数据的index。然后调用_put_indices()方法获取下一个batch的每个数据的index。

  DataLoaderIter类的_put_indices方法。该方法主要实现从self.sample_iter中读取下一个batch数据中每个数据的index:indices = next(self.sample_iter, None),注意这里的index和前面idx是不一样的,这里的index是一个batch中每个数据的index,idx是一个batch的index;然后将读取到的index通过调用queue对象的put方法压到队列self.index_queue中:self.index_queue.put((self.send_idx, indices))