用 Python 使用 Google Colab？岂止是炫酷

选自Medium 作者：Towards AI Team 机器之心编译

这篇文章教你如何使用 Google Colab，更好地利用免费资源。

Google Colab 是一个免费的 Jupyter 环境，用户可以用它创建 Jupyter notebook，在浏览器中编写和执行 Python 代码，以及其他基于 Python 的第三方工具和机器学习框架，如 Pandas、PyTorch、Tensorflow、Keras、Monk、OpenCV 等。

Google Colab 的好处在于，不需要任何配置就能直接上手使用，并提供免费的 GPU，你可以和任何人共享实时代码、数学公式、数据可视化结果、数据处理、数值模拟、机器学习模型等各种项目。

本文将介绍如何用 Python 使用 Google Colab，以及一些 Colab 使用技巧。

项目地址：https://github.com/towardsai/tutorials/tree/master/google_colab_tutorial

为什么大家都爱 Colab

Colab 的优点包括：

• 提供了免费的 Jupyter notebook 环境；

• 带有预安装的软件包；

• 完全托管在谷歌云上；

• 用户无需在服务器或工作站上进行设置；

• Notebook 会自动保存在用户的 Google Drive 中；

• 提供基于浏览器的 Jupyter notebook；

• 完全免费，且提供 GPU 和 TPU（Pro 用户可以使用更多资源，但需要付费）；

• 支持 Python 2 和 Python 3；

• 提供两种硬件加速器：GPU 和 TPU。

第一步：启动 Google Colab

我们可以使用 Colab 在 Web 浏览器上直接运行 Python 代码， 使用指南： https://mktg.best/d7b6u。

启动窗口随之打开，弹窗中提供了多项功能：

它提供了创建 notebook 以及从不同来源上传和选择的选项，比如 GitHub、Google Drive 或本地计算机。

从 GitHub 上传 Notebook

我们可以使用项目 URL，或者搜索组织和用户等方法，直接从 GitHub 上传 Python 代码。

使用 URL 的步骤上传项目的步骤如下图所示：

• 启动 Google Colab

• 从弹框中选择 GitHub 这一项。

输入 GitHub 项目 URL 并搜索以获取代码

将完整代码一键上传到 Google Colab notebook

同样地，用户可以通过按名称、日期、所有者或者修改日期过滤保存的 notebook，直接从 Google Drive 上传代码。

从 Kaggle 上传数据

从 Kaggle 生成 API Token

来自 Kaggle 的数据可以直接上传到 Colab，不过这需要 Kaggle 的 API Token 才能完成数据导入，步骤如下：

• 打开 Kaggle

• 转至「我的账户」

• 向下滚动到「API」部分

• 如果需要，先单击「Expire API Token」以删除先前的 token

• 点击「Create New API Token」，生成一个新的 token 并下载一个名为「kaggle.json」的 JSON 文件

• 「kaggle.json」文件包含用户名和密钥，如下所示：

从 Kaggle 上传数据的步骤

将「kaggle.json」文件保存在本地计算机上。

安装 Kaggle 软件包：

!pip install -q kaggle

导入包：

from google.colab import files

上传本地文件「kaggle.json」：

files.upload()

检查 Colab notebook 是否与 Kaggle 正确连接：

!kaggle datasets list

从 Kaggle 下载任意比赛数据：

!kaggle competitions download -c competitive-data-science-predict-future-sales

Kaggle 数据将在 Colab 中下载和上传，如下所示：

从 Google Drive 中读取文件

Colab 还提供从 Google Drive 读取数据的功能。

导入包

import globimport pandas as pdfrom google.colab import drive

挂载 Google Drive

drive.mount('/gdrive')

这一步要求填写 Google Drive 的授权码：

• 授权码输入框

• 单击链接并生成授权码

• 从 Google Drive 读取 CSV 文件

file_path = glob.glob("/gdrive/My Drive/***.csv")for file in file_path:df = pd.read_csv(file)print(df)

将运行时硬件加速器设置为 GPU

Google Colab 提供免费的 GPU 硬件加速器云服务。在机器学习和深度学习中需要同时处理多个计算，高性能 GPU 的价格很高，但非常重要。

GPU 通过并行化提供优秀的性能，可在一次调用中启动数百万个线程。尽管与 CPU 相比，GPU 的 clock speed 较低，且缺少多核管理功能，但 GPU 的表现通常比 CPU 好。

在 Colab 中设置 GPU 硬件加速器

设置步骤如下：

• 选择 Runtime → Change runtime type

• 在弹出窗口中选择「GPU」

检查 Colab 中 GPU 的详细信息

导入重要的包

import tensorflow as tffrom tensorflow.python.client import device_lib

检查 GPU 加速器

tf.test.gpu_device_name()

检查用于 GPU 的硬件

device_lib.list_local_devices()

使用 GPU 的代码示例

在未选择运行时 GPU 的情况下检查可用 GPU 的数量，使其设置为「None」。

import tensorflow as tfno_of_gpu = len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))print("Total GPUS:", no_of_gpu)

硬件加速器为 None，因此 GPU 数量的值为 0。

将运行时硬件加速器设置为 GPU：

import tensorflow as tfno_of_gpu =len(tf.config.experimental.list_physical_devices('GPU'))print("Total GPUS:", no_of_gpu)

硬件加速器为 GPU，因此 GPU 数量值为 1。

在 GPU 上执行张量乘法：

try:with tf.device('/device:GPU:1'):tensor1 = tf.constant([[1.0, 2.0, 3.0], [4.0, 5.0, 6.0]])tensor2 = tf.constant([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0], [5.0, 6.0]])result = tf.matmul(tensor1, tensor2)print(result)except RuntimeError as exception:print(exception)

张量乘法结果。

将 GitHub repo 复制到 Google Drive

GitHub repo 代码可以复制和存储到 Google Drive 中，具体步骤如下：

挂载 Google Drive

from google.colab import drivedrive.mount('/content/gdrive')

进入 Google drive，创建目录「project」。

%cd gdrive/My Drive/mkdir project%cd project/

复制 GitHub repo，例如：

!git clone https://github.com/saniyaparveez/youtube_video_type_prediction.git

检查复制的项目

!ls

Colab 魔法

Colab 提供许多有趣的 trick，包括多个可以执行快速操作的命令，这些命令通常使用 % 作为前缀。

Colab 魔法命令列表

%lsmagic

本地目录

%ldir

获取 Notebook 历史

%history

CPU 时间

%time

系统运行多久？

!uptime

展示可用和已用的内存

!free -hprint("-"*100)

展示 CPU 产品规格

!lscpuprint("-"*70)

列出所有运行虚拟机进程

%%shecho "List all running VM processes."ps -efecho "Done"

在 HTML 中嵌入文本

%%htmlTowards AI is a great publication platformmarquee>

设计 HTML 格式

#@title Personal Details#@markdown Information.Name = 'Peter' #@param {type: "string"}Age = 25 #@param {type: "slider", min: 1, max: 100}zip = 1234 #@param {type: "number"}Date = '2020-01-26' #@param {type: "date"}Gender = "Male" #@param ['Male', 'Female', 'Other']#@markdown ---print("Submitting the form")print(string_type, slider_value, number, date, pick_me)print("Submitted")

在 Google Colab 中生成 HTML 格式。

单元格执行输出

绘图

Google Colab 还可用于数据可视化。以下代码和图展示了 Google Colab 对一个以上多项式的绘图，Y = X+X+X。

x = np.arange(-10,10)y = np.power(x,3)y1 = np.power(x,3) + np.power(x,2) + xplt.scatter(x,y1,c="red")plt.scatter(x,y)

以下代码和图用于生成热图：

import matplotlib.pyplot as pltimport numpy as npimport seaborn as snslength = 10data = 5 + np.random.randn(length, length)data += np.arange(length)data += np.reshape(np.arange(length), (length, 1))sns.heatmap(data)plt.show()

Google Colab 中的 TPU

Google Colab 使用 TPU（张量处理单元）进行 Tensorflow 图上的加速。TPU 是谷歌开发的、专为神经网络机器设计的 AI 加速器专用集成电路 (ASIC)。

TPU 具备优秀的 teraflop 配置、浮点运算性能等。每个 TPU 的计算能力达到每秒 180 万亿次浮点运算（180 teraflops），拥有 64 GB 的高带宽内存。

在 Colab 中设置 TPU

在 Google Colab 中设置 TPU 的步骤如下：

运行时菜单 → 更改运行时

选择 TPU 硬件加速器

确认在 TPU 硬件加速器上运行

这需要 TensorFlow 包。以下代码和实现可以确认 Colab 是否设置 TPU 加速器：

import tensorflow as tftry:tpu = tf.distribute.cluster_resolver.TPUClusterResolver()print('Running on TPU', tpu.cluster_spec().as_dict()['worker'])except ValueError:print('Exception')

如果 TPU 未设置成功，则代码会报错。

结论

Google Colab 是一种 Jupyter notebook 环境，通过执行基于 Python 的代码来构建机器学习或深度学习模型。Google Colab 完全免费（pro 版除外），并提供 GPU 和 TPU 硬件加速器，易于使用和共享。

本文列举了 Google Colab 的使用技巧，希望能够帮助大家更好地利用 Google Colab 资源。

资源

• Google colab 实现：https://colab.research.google.com/drive/1ymIYzFg4Q7iBjnTut31aBqPHgOpkjHYD?usp=sharing

• Github repository：https://github.com/towardsai/tutorials/tree/master/google_colab_tutorial

参考文献

[1] Google Colab, https://colab.research.google.com/

[2] Python 2 Deprecation, Google Colab, Google, https://research.google.com/colaboratory/faq.html#python-2-deprecation

[3] Machine Learning Algorithms for Beginners with Code Examples in Python, Pratik Shukla, Roberto Iriondo, Towards AI, https://towardsai.net/p/machine-learning/machine-learning-algorithms-for-beginners-with-python-code-examples-ml-19c6afd60daa

[4] Project Jupyter, https://jupyter.org/

[5] Google Colab, FAQ, https://research.google.com/colaboratory/faq.html

原文链接：https://medium.com/towards-artificial-intelligence/google-colab-101-tutorial-with-python-tips-tricks-and-faq-7689bd4d24b4

看到这还没来得及跑的同学，给个三连好吗？