import math import random import copy import numpy...

创建于:2025年3月5日

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问题

import math
import random
import copy
import numpy as np

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torch.nn.functional as F

import chess
import chess.pgn

from tqdm import tqdm # 可视化进度

###############################################################################

A. 棋盘环境 (python-chess) & 基础辅助函数

###############################################################################

class ChessEnv:
"""
基于 python-chess 管理国际象棋对局:
- reset() 重置
- step(move_uci) 走一步
- get_legal_moves() 获取所有合法走子(uci字符串)
- current_player() 返回 1(白)或 -1(黑)
- copy() / fen() / is_game_over() / get_result() ...
"""
def init(self):
self.board = chess.Board()

text
def reset(self): self.board.reset() def step(self, move_uci): """ 执行走子; 返回 (done, winner). winner=1表示白胜, -1黑胜,0和棋(或对局未结束). """ move = chess.Move.from_uci(move_uci) if move in self.board.legal_moves: self.board.push(move) done = self.board.is_game_over() winner = 0 if done: # '1-0' '0-1' '1/2-1/2' result = self.board.result() if result == '1-0': winner = 1 elif result == '0-1': winner = -1 else: winner = 0 return done, winner def get_legal_moves(self): return [m.uci() for m in self.board.legal_moves] def copy(self): new_env = ChessEnv() new_env.board = self.board.copy() return new_env def current_player(self): return 1 if self.board.turn else -1 def is_game_over(self): return self.board.is_game_over() def get_result(self): """ 对局结果: 1 白胜, -1 黑胜, 0 和棋/未结束 """ if not self.board.is_game_over(): return 0 result = self.board.result() if result == '1-0': return 1 elif result == '0-1': return -1 else: return 0 def fen(self): return self.board.fen()

def get_repetition_count(board, history_boards):
"""
返回当前 board 在 history_boards 中出现过几次(>=2时视为2).
"""
count = 0
for hb in history_boards:
if hb == board:
count += 1
if count >= 2:
break
return count

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B. 输入特征编码 => [119, 8, 8]

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def encode_chess_position_119planes(env, history_boards, max_history=8):
"""
返回 [119,8,8] 的 numpy.float32, 类似AlphaZero风格的特征:
- 最多 8 步历史(每步14平面=12子平面+2重复次数)
- 1平面(当前执方)
- 4平面(王车易位权限)
- 1平面(fullmove_number 缩放)
- 1平面(halfmove_clock 缩放)
"""
board = env.board
planes = np.zeros((119, 8, 8), dtype=np.float32)

text
# 收集所有历史位面(含当前局面) all_positions = history_boards + [board] all_positions = all_positions[-max_history:] for i in range(max_history): plane_offset = i * 14 real_index = len(all_positions) - max_history + i if real_index < 0: continue b = all_positions[real_index] if b is None: continue # 先记录重复次数 rep_count = get_repetition_count(b, all_positions[:real_index]) if rep_count >= 1: planes[plane_offset + 12, :, :] = 1.0 if rep_count >= 2: planes[plane_offset + 13, :, :] = 1.0 # 记录棋子分布 piece_map = b.piece_map() for sq, piece in piece_map.items(): row = 7 - (sq // 8) col = sq % 8 symbol = piece.symbol() # 大写=白, 小写=黑 if symbol == 'P': planes[plane_offset + 0, row, col] = 1 elif symbol == 'N': planes[plane_offset + 1, row, col] = 1 elif symbol == 'B': planes[plane_offset + 2, row, col] = 1 elif symbol == 'R': planes[plane_offset + 3, row, col] = 1 elif symbol == 'Q': planes[plane_offset + 4, row, col] = 1 elif symbol == 'K': planes[plane_offset + 5, row, col] = 1 elif symbol == 'p': planes[plane_offset + 6, row, col] = 1 elif symbol == 'n': planes[plane_offset + 7, row, col] = 1 elif symbol == 'b': planes[plane_offset + 8, row, col] = 1 elif symbol == 'r': planes[plane_offset + 9, row, col] = 1 elif symbol == 'q': planes[plane_offset + 10, row, col] = 1 elif symbol == 'k': planes[plane_offset + 11, row, col] = 1 plane_offset = max_history * 14 # 112 # 当前执方 (白:1, 黑:0) if board.turn: planes[plane_offset, :, :] = 1.0 else: planes[plane_offset, :, :] = 0.0 import chess # 王车易位权限 if board.has_kingside_castling_rights(chess.WHITE): planes[plane_offset+1, :, :] = 1.0 if board.has_queenside_castling_rights(chess.WHITE): planes[plane_offset+2, :, :] = 1.0 if board.has_kingside_castling_rights(chess.BLACK): planes[plane_offset+3, :, :] = 1.0 if board.has_queenside_castling_rights(chess.BLACK): planes[plane_offset+4, :, :] = 1.0 # fullmove_number & halfmove_clock (简单剪裁+归一化) tmc = min(board.fullmove_number, 100)/100.0 hmc = min(board.halfmove_clock, 100)/100.0 planes[plane_offset+5, :, :] = tmc planes[plane_offset+6, :, :] = hmc return planes

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C. 全局动作表构建 (为 policy_head 输出做“扁平化”映射)

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import chess

def build_all_moves():
"""
先添加普通走子,再对所有满足兵升变条件的 from->to 增加4种升变.
"""
all_moves_set = set()

text
for from_sq in range(64): for to_sq in range(64): if from_sq == to_sq: continue # 先添加普通走子 (不带promotion) mv = chess.Move(from_sq, to_sq) all_moves_set.add(mv) # 如果是兵升变,则额外添加4种升变走子 from_rank = from_sq // 8 to_rank = to_sq // 8 is_white_promo = (from_rank == 6 and to_rank == 7) is_black_promo = (from_rank == 1 and to_rank == 0) if is_white_promo or is_black_promo: for promo_piece in [chess.QUEEN, chess.ROOK, chess.BISHOP, chess.KNIGHT]: mv_promo = chess.Move(from_sq, to_sq, promotion=promo_piece) all_moves_set.add(mv_promo) all_moves_list = sorted(list(all_moves_set), key=lambda m: m.uci()) move2idx = {} idx2move = {} for i, mv in enumerate(all_moves_list): uci_str = mv.uci() move2idx[uci_str] = i idx2move[i] = uci_str return all_moves_list, move2idx, idx2move

ALL_MOVES, move2idx, idx2move = build_all_moves()
print("Total distinct moves:", len(ALL_MOVES))

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D. 定义 AlphaZero 风格网络(ResNet)

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class BasicBlock(nn.Module):
"""简化残差块"""
def init(self, channels=128):
super(BasicBlock, self).init()
self.conv1 = nn.Conv2d(channels, channels, kernel_size=3, padding=1)
self.bn1 = nn.BatchNorm2d(channels)
self.conv2 = nn.Conv2d(channels, channels, kernel_size=3, padding=1)
self.bn2 = nn.BatchNorm2d(channels)

text
def forward(self, x): identity = x out = F.relu(self.bn1(self.conv1(x))) out = self.bn2(self.conv2(out)) out = out + identity out = F.relu(out) return out

class AlphaZeroChessNet(nn.Module):
"""
单一网络,输出 (policy_logits, value).
policy_logits 大小 = len(ALL_MOVES).
"""
def init(self, input_channels=119, policy_output_size=None,
num_blocks=4, base_channels=64):
super(AlphaZeroChessNet, self).init()
if policy_output_size is None:
policy_output_size = len(ALL_MOVES)
self.policy_output_size = policy_output_size

text
self.conv_in = nn.Conv2d(input_channels, base_channels, kernel_size=3, padding=1) self.bn_in = nn.BatchNorm2d(base_channels) self.res_blocks = nn.ModuleList([BasicBlock(base_channels) for _ in range(num_blocks)]) # 策略头 self.policy_conv = nn.Conv2d(base_channels, 2, kernel_size=1) self.policy_bn = nn.BatchNorm2d(2) self.policy_fc = nn.Linear(2*8*8, policy_output_size) # 价值头 self.value_conv = nn.Conv2d(base_channels, 1, kernel_size=1) self.value_bn = nn.BatchNorm2d(1) self.value_fc1 = nn.Linear(8*8*1, 128) self.value_fc2 = nn.Linear(128, 1) def forward(self, x): # x: [batch_size,119,8,8] x = F.relu(self.bn_in(self.conv_in(x))) for block in self.res_blocks: x = block(x) # policy p = F.relu(self.policy_bn(self.policy_conv(x))) p = p.view(p.size(0), -1) # [batch_size, 2*8*8] p = self.policy_fc(p) # value v = F.relu(self.value_bn(self.value_conv(x))) v = v.view(v.size(0), -1) v = F.relu(self.value_fc1(v)) v = torch.tanh(self.value_fc2(v)) return p, v

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E. MCTS 实现: 增加 root 节点的 Dirichlet 噪声

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class TreeNode:
"""
MCTS节点
"""
def init(self, parent, prior_p):
self.parent = parent
self.children = {}
self.Q = 0.0
self.P = prior_p
self.N = 0

text
def is_leaf(self): return (len(self.children) == 0) def is_root(self): return (self.parent is None) def expand(self, action_priors): """ action_priors: [(move_uci, prob), ...] """ for (move_uci, prob) in action_priors: if move_uci not in self.children: self.children[move_uci] = TreeNode(self, prob) def update(self, leaf_value): """ leaf_value: 从子节点回传的价值(以当前节点视角) """ self.N += 1 self.Q += (leaf_value - self.Q)/self.N def update_recursive(self, leaf_value): """ 递归地向上更新祖先节点 """ if self.parent is not None: self.parent.update_recursive(-leaf_value) self.update(leaf_value) def get_value(self, c_puct): """ UCB:Q + U U = c_puct * P * sqrt(parent.N)/(1+N) """ U = c_puct * self.P * math.sqrt(self.parent.N)/(1+self.N) return self.Q + U def select(self, c_puct): """ 在children里选 get_value() 最大的action 返回 (action_uci, child_node) """ return max(self.children.items(), key=lambda act_node: act_node[1].get_value(c_puct))

class MCTS:
def init(self, model, c_puct=5, n_playout=1000, device='cpu',
dirichlet_alpha=0.3, dirichlet_epsilon=0.25):
"""
model: AlphaZeroChessNet
"""
self.model = model
self.c_puct = c_puct
self.n_playout = n_playout
self.device = device

text
# Dirichlet 噪声相关超参(仅在 root 上添加一次) self.dirichlet_alpha = dirichlet_alpha self.dirichlet_epsilon = dirichlet_epsilon self.root = TreeNode(None, 1.0) def _playout(self, env, history_boards): """ 执行一次从根到叶的模拟 """ node = self.root # 1) selection while not node.is_leaf(): action_uci, node = node.select(self.c_puct) done, _ = env.step(action_uci) if done: break # 2) expansion & evaluation if not env.is_game_over(): # 用model评估 planes = encode_chess_position_119planes(env, history_boards, 8) planes_t = torch.from_numpy(planes).unsqueeze(0).to(self.device) with torch.no_grad(): policy_logits, value = self.model(planes_t) policy = F.softmax(policy_logits, dim=1)[0].cpu().numpy() leaf_value = value.item() # 只保留当前合规则子,对其概率做归一化 legal_uci = env.get_legal_moves() action_priors = [] sum_p = 0.0 for m_uci in legal_uci: idx = move2idx[m_uci] p = policy[idx] sum_p += p if sum_p < 1e-8: # 若网络给的概率全为0(或极小), 均分 prob = 1.0/len(legal_uci) for m_uci in legal_uci: action_priors.append((m_uci, prob)) else: for m_uci in legal_uci: idx = move2idx[m_uci] p = policy[idx]/sum_p action_priors.append((m_uci, p)) node.expand(action_priors) else: # 若已经终局,leaf_value 就是最终胜负(对当前节点玩家) leaf_value = env.get_result() # 3) backup node.update_recursive(-leaf_value) def get_action_probs(self, env, history_boards, temp=1.0): """ 对当前root进行 n_playout 次模拟,然后根据 child.N 分布返回策略概率(AlphaZero风格). 返回大小与 model.policy_output_size 相同,仅合法招有非零概率. """ # ---- 如果root未展开, 先让它展开一次 (以便后续添加Dirichlet噪声) ---- if self.root.is_leaf(): planes = encode_chess_position_119planes(env, history_boards, 8) planes_t = torch.from_numpy(planes).unsqueeze(0).to(self.device) with torch.no_grad(): policy_logits, value = self.model(planes_t) policy = F.softmax(policy_logits, dim=1)[0].cpu().numpy() legal_uci = env.get_legal_moves() sum_p = 0.0 action_priors = [] for m_uci in legal_uci: idx = move2idx[m_uci] sum_p += policy[idx] if sum_p < 1e-8: prob = 1.0/len(legal_uci) for m_uci in legal_uci: action_priors.append((m_uci, prob)) else: for m_uci in legal_uci: idx = move2idx[m_uci] p = policy[idx]/sum_p action_priors.append((m_uci, p)) self.root.expand(action_priors) # ---- 在 root 的先验上添加 Dirichlet 噪声 (仅自对弈时使用) ---- self._add_dirichlet_noise() # ---- 进行 n_playout 次模拟 ---- for _ in range(self.n_playout): env_copy = env.copy() self._playout(env_copy, copy.deepcopy(history_boards)) # ---- 统计并返回基于 N 的最终策略分布 ---- children_items = list(self.root.children.items()) if not children_items: # 无子节点(终局) pi = np.zeros(self.model.policy_output_size, dtype=np.float32) pi[0] = 1.0 return pi actions, child_nodes = zip(*children_items) counts = np.array([c.N for c in child_nodes], dtype=np.float32) # 如果 temp <= 1e-3,直接近似贪心 if temp <= 1e-3: best_id = np.argmax(counts) probs = np.zeros_like(counts) probs[best_id] = 1.0 else: # 温度因子 counts_exp = counts ** (1.0 / temp) # 若出现inf,做个小clip counts_exp = np.clip(counts_exp, 1e-30, 1e30) probs = counts_exp / np.sum(counts_exp) # 组装为全局向量 pi pi = np.zeros(self.model.policy_output_size, dtype=np.float32) for a, p in zip(actions, probs): idx = move2idx[a] pi[idx] = p return pi def _add_dirichlet_noise(self): """在 root 的 children 概率上添加一次狄利克雷噪声, 仅用于自对弈时.""" if not self.root.is_leaf(): # root 已展开 children_items = list(self.root.children.items()) actions, child_nodes = zip(*children_items) # 生成 dirichlet alpha_vec = [self.dirichlet_alpha]*len(child_nodes) noise = np.random.dirichlet(alpha_vec) for a, n in zip(actions, noise): self.root.children[a].P = \ (1 - self.dirichlet_epsilon)*self.root.children[a].P \ + self.dirichlet_epsilon * n def update_with_move(self, last_move): """ 对外部执行一步动作后, 将MCTS的root切换到对应子节点(加速搜索). 如果对应分支不存在, 则重置。 """ if last_move in self.root.children: self.root = self.root.children[last_move] self.root.parent = None else: self.root = TreeNode(None, 1.0)

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F. Elo评分

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def probability(rA, rB):
return 1.0/(1+10**((rB-rA)/400.0))

def elo_update(rA, rB, outcome, K=30):
pA = probability(rA, rB)
newRa = rA + K*(outcome - pA)
newRb = rB + K*((1.0-outcome) - (1.0-pA))
return newRa, newRb

def evaluate_models_elo(modelA, modelB, n_games=10, device='cpu'):
"""
A vs B 共下 n_games 局,每局更新 Elo. 初始各 2000 分.
可以交替先手, 这里简单让 A 始终先手也行.
"""
RA, RB = 2000.0, 2000.0
for _ in range(n_games):
env = ChessEnv()
history_boards = []
mctsA = MCTS(modelA, c_puct=5, n_playout=16, device=device,
dirichlet_alpha=0.3, dirichlet_epsilon=0.25)
mctsB = MCTS(modelB, c_puct=5, n_playout=16, device=device,
dirichlet_alpha=0.3, dirichlet_epsilon=0.25)

text
done = False while not done: cp = env.current_player() if cp == 1: # A走(白) pi = mctsA.get_action_probs(env, history_boards, temp=1e-3) move_idx = np.argmax(pi) move_uci = idx2move[move_idx] done, _ = env.step(move_uci) mctsA.update_with_move(move_uci) else: # B走(黑) pi = mctsB.get_action_probs(env, history_boards, temp=1e-3) move_idx = np.argmax(pi) move_uci = idx2move[move_idx] done, _ = env.step(move_uci) mctsB.update_with_move(move_uci) history_boards.append(env.board.copy()) res = env.get_result() # +1/-1/0 if res == 1: outcome = 1.0 elif res == -1: outcome = 0.0 else: outcome = 0.5 RA, RB = elo_update(RA, RB, outcome) return RA, RB

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G. 训练过程 (AlphaZero风格: 自对弈 + 训练 + 可选的新旧网络对弈验证)

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def generate_self_play_data(model, n_games=1, n_playout=32, device='cpu',
temp_threshold=30):
"""
使用当前 model 进行自对弈, 生成 (plane, pi, z).
- 为了模拟 AlphaZero 对温度的处理:
在对局前若干步(例如前30步)使用 temperature=1.0,
超过这个步数后使用近似 0 的温度(如 1e-3),更趋向贪心。
"""
data = []
for _ in range(n_games):
env = ChessEnv()
history_boards = []
# MCTS 实例(自对弈时, root 会加 dirichlet noise)
mcts = MCTS(model, c_puct=5, n_playout=n_playout, device=device,
dirichlet_alpha=0.3, dirichlet_epsilon=0.25)

text
states = [] mcts_probs = [] players = [] move_count = 0 while not env.is_game_over(): move_count += 1 # 根据 move_count 动态调节 temperature if move_count <= temp_threshold: temperature = 1.0 else: temperature = 1e-3 planes = encode_chess_position_119planes(env, history_boards, max_history=8) pi = mcts.get_action_probs(env, history_boards, temp=temperature) # 只在 合法走子 中做采样 (若 temperature=1.0) legal_moves = env.get_legal_moves() legal_pi_sum = 0.0 legal_pairs = [] for m_uci in legal_moves: idx = move2idx[m_uci] p = pi[idx] legal_pi_sum += p legal_pairs.append((m_uci, idx, p)) if legal_pi_sum < 1e-8: # 若总概率极小,直接随机选 chosen_move = random.choice(legal_moves) chosen_idx = move2idx[chosen_move] else: # 归一化后做随机采样 (在 temperature=1 时有效果) for i, (m_uci, idx, p) in enumerate(legal_pairs): legal_pairs[i] = (m_uci, idx, p / legal_pi_sum) moves_uci = [lp[0] for lp in legal_pairs] moves_idx = [lp[1] for lp in legal_pairs] moves_prob = [lp[2] for lp in legal_pairs] chosen_id = np.random.choice(len(moves_prob), p=moves_prob) chosen_move = moves_uci[chosen_id] chosen_idx = moves_idx[chosen_id] # 记录(s, pi, player) states.append(planes) mcts_probs.append(pi) # 对应全局move的分布 players.append(env.current_player()) # 执行该动作 done, winner = env.step(chosen_move) mcts.update_with_move(chosen_move) history_boards.append(env.board.copy()) # 终局, 回填 z final_res = env.get_result() # +1/-1/0 for i, plyr in enumerate(players): if final_res == 0: z = 0.0 else: z = 1.0 if (final_res == plyr) else -1.0 data.append((states[i], mcts_probs[i], z)) return data

def train_alpha_zero_net(model, optimizer, dataset, batch_size=32, epochs=1, device='cpu'):
"""
对 dataset 训练 (policy-loss + value-loss).
dataset: [(plane[119,8,8], pi[policy_size], z), ...]
"""
model.train()
for e in range(epochs):
random.shuffle(dataset)
total_loss = 0
for i in range(0, len(dataset), batch_size):
mini_batch = dataset[i:i+batch_size]
planes_batch = []
pi_batch = []
z_batch = []
for (planes, pi_vec, z_val) in mini_batch:
planes_batch.append(planes)
pi_batch.append(pi_vec)
z_batch.append(z_val)

text
planes_batch = torch.tensor(planes_batch, dtype=torch.float32, device=device) pi_batch = torch.tensor(pi_batch, dtype=torch.float32, device=device) z_batch = torch.tensor(z_batch, dtype=torch.float32, device=device).unsqueeze(-1) optimizer.zero_grad() policy_logits, value = model(planes_batch) # policy loss (交叉熵) logp = F.log_softmax(policy_logits, dim=1) policy_loss = -torch.mean(torch.sum(pi_batch * logp, dim=1)) # value loss (均方误差) value_loss = F.mse_loss(value, z_batch) loss = policy_loss + value_loss loss.backward() optimizer.step() total_loss += loss.item() print(f"Train epoch {e}, loss={total_loss:.4f}")

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H. 主训练循环示例

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def update_best_model(current_model, new_model, n_test_games=10, device='cpu'):
"""
可选:对比 current_model / new_model 对弈结果,如 new_model 更强则替换。
这里演示用 Elo 来简单判断,也可统计胜率。
"""
RA, RB = evaluate_models_elo(current_model, new_model, n_games=n_test_games, device=device)
# 以最终 Elo 来粗略判定
if RB > RA: # 新网络更强
print("[Gating] new model is stronger, update best model.")
# 把 new_model 参数复制给 current_model
current_model.load_state_dict(new_model.state_dict())
else:
print("[Gating] new model is not stronger, keep old model.")

def main_training_loop():
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print("Using device:", device)

text
# 1) 初始化“最佳”网络 (best_model) policy_size = len(ALL_MOVES) # 与构建的动作表一致 best_model = AlphaZeroChessNet( input_channels=119, policy_output_size=policy_size, num_blocks=4, # 可改大 base_channels=64 ).to(device) # 优化器 best_model_optimizer = optim.Adam(best_model.parameters(), lr=1e-3) # 2) 经验缓存 replay_buffer = [] max_buffer_size = 20000 # 3) 多轮迭代训练 num_iterations = 30 evaluate_interval = 5 for it in range(1, num_iterations+1): # 1) 用“当前最佳”模型自对弈生成数据 new_data = generate_self_play_data(best_model, n_games=2, n_playout=32, device=device, temp_threshold=30) # 2) 放入 replay_buffer replay_buffer.extend(new_data) if len(replay_buffer) > max_buffer_size: replay_buffer = replay_buffer[-max_buffer_size:] # 3) 用 replay_buffer 训练“新”模型(先复制一份 best_model) new_model = AlphaZeroChessNet( input_channels=119, policy_output_size=policy_size, num_blocks=4, base_channels=64 ).to(device) new_model.load_state_dict(best_model.state_dict()) # 初始化参数相同 new_model_optimizer = optim.Adam(new_model.parameters(), lr=1e-3) # 这里仅训练 1 epoch 演示,实际可多轮 train_alpha_zero_net(new_model, new_model_optimizer, replay_buffer, batch_size=32, epochs=1, device=device) # 4) 可选:对新旧模型做一次对弈评估,若新模型更强则替换 update_best_model(best_model, new_model, n_test_games=4, device=device) # 5) 也可定期输出 self-play Elo 测试等 if it % evaluate_interval == 0: RA, RB = evaluate_models_elo(best_model, best_model, n_games=4, device=device) print(f"[Iter {it}] Elo self-play test: RA={RA:.1f}, RB={RB:.1f}") torch.save(best_model.state_dict(), "best_model.pth") print("Training finished.")

if name == "main":
main_training_loop()

帮我优化:
1)Self-play的数据产生速度,考虑用C++或cython优化这一环节;
2)self-play中的Elo评估太慢了,评价值忽高忽低,请给出更稳健的elo rate评估策略;
3)增大batch_size和训练速度,我现在8GB显存才占了不到1GB,把所有显存都用上!

思考

Enhancing computational power

I’m examining the use of C++ or cython for self-play data generation and implementing more stable Elo rating systems while maximizing GPU memory.

Enhancing speed and reliability

I’m noting several methods to boost self-play data generation, like utilizing a C++ library, leveraging multiple processes for parallelization, and streamlining with a unified GPU model for training.

Reasoned about self-play optimization and training for 13 seconds

回答

下面给出若干优化思路和示例,帮助你在 AlphaZero-like 框架下提升自对弈的生成速度、提高 Elo 评价的稳健性,并充分利用 GPU 资源训练。


1)提升 Self-Play 数据产生速度

Self-play 数据生成是 AlphaZero 流程中的性能瓶颈之一。主要原因有两个:

  1. 环境(棋局)更新:python-chess 本身是纯 Python 实现,虽然易用,但在大量模拟(MCTS)时性能不算出色。
  2. 推理:MCTS 搜索中每个节点都要调用一次模型的推理(forward pass)。如果使用单线程、逐局串行执行,将无法充分利用 CPU/GPU 的并行能力。

1.1 使用 C++/Cython 优化棋局更新

  • C++/Cython 扩展
    你可以将最核心的棋盘状态更新、合法走子生成,以及胜负判断逻辑移植到 C++/Cython 中,以更接近原生速度地执行。

    • 具体可将 ChessEnv 类所需的核心功能(如 step(move_uci)get_legal_moves() 等)用 C++/Cython 实现,然后通过 Python 的扩展接口/pybind11/ctypes/cython 等方式调用,从而避免过多 Python 层的对象创建和解释器开销。
    • 采用位板(bitboard)表示棋局,也有一定的性能提升,因为位运算比传统的数组或字典操作更快。
  • 预先生成所有合法走子
    由于在国际象棋中,from->to 的所有可能在绝大多数情况下都会被大量裁剪,并不能直接避免遍历,但如果你自己管理位板,也可以在 C++ 内部快速判断合法性,避免大量 Python 逻辑。

1.2 多进程并行或异步生成

  • 多进程/分布式自对弈

    • 典型做法是:主进程只负责模型训练和管理,若干个工作进程(worker)负责运行自对弈,生成 (s, π, z) 数据并送回主进程的队列(queue)。
    • 每个 Worker 内部持有相同的网络参数(但一般是定期同步这些参数),在 CPU/GPU 上进行推理,然后在本地 MCTS 搜索。处理完一些局数后,通过队列把样本发送给主进程。
    • 主进程接收足量新数据后再训练,训练完更新“最新模型”参数,再广播给 Worker 做下一轮自对弈。
    • 这种模式可以大幅提升自对弈吞吐量。
  • 批量化推理
    在对 MCTS 进行扩展时,可将同一时刻多个节点需要评估的局面打包(batch)到一次 model.forward(...) 调用中,从而减少 PyTorch 启动 kernel 的开销。

    • 实现上比较复杂,需要在 MCTS 选择步骤时同时收集多个节点进行扩展,然后统一做一次前向计算,再将结果拆分回对应的节点。但如果你已有多线程/多进程,可以更灵活地在 Worker 中累积一定数量的节点再送到 GPU 做批量推理。

小结:如果只是想先简单加速,可以先用多进程 + python-chess + PyTorch 的“批推理”模式。若还嫌慢,则考虑把棋盘逻辑部分(或整个自对弈流程)改用 C++/Cython。


2)更稳健的 Elo 评估策略

你提到自对弈 Elo 波动太大,尤其是对局数不多、K 因子固定,会导致估计不稳定。这里有几种改进:

  1. 增大对局数
    Elo 评估本质上是统计平均表现,需要足够大的样本才能稳定。常见做法是让新旧网络下至少 100 或 200 局(分先或随机先手),再观察胜率/期望分,以减少方差。

  2. 调低 K 值或使用其他排名系统

    • 在公式 newRa = rA + K*(outcome - pA) 中,减小 K 会降低每一盘对 Elo 的影响,评分曲线更平滑。
    • 若对实时 Elo 动态并不敏感,你可以将 K 设置得更小,例如 10 或更低。
    • 也可改用 GlickoTrueSkill 等系统,它们在对手水平差距大、或者对局数少时更稳健。
  3. SPR (SPRT) 检验
    DeepMind AlphaZero 论文中也常使用**序贯假设检验(SPRT)**来判断“新模型是否足够显著强于旧模型”。简单说,你事先假设:

    • H0H_0:新模型和旧模型实力相当/无显著差异(胜率 ≤ p0)。
    • H1H_1:新模型比旧模型强(胜率 ≥ p1)。
      你在对弈时不断累积胜局、和局、负局,一旦在某个置信度上拒绝了 H0H_0,就判定新模型通过;如果在另一方向拒绝了 H1H_1,则判定新模型不通过。这种检验能在少量对局就中止测试,从而也不必硬性下很多盘。
  4. 只用胜率
    如果你只想看新旧网络胜率,而不一定要 Elo 数字,也可以简单地统计:

    • win_rate = (wins + draws/2)/total_games
      然后根据阈值(比如 win_rate > 55%)判断是否升级。这也是很多 AlphaZero 复现项目的常规做法,更直观一些。

3)增大 batch_size & 吃满 8GB 显存

为了加快训练速度、充分利用 GPU,可以做如下调整:

  1. 直接加大 batch_size

    • 在你的 train_alpha_zero_net() 函数里,batch_size=32 可以改大,例如 batch_size=512 或更大,来提高单次迭代的并行度,让 GPU 算力得到更多利用。
    • 但是需要注意:
      • 训练稳定性:过大的 batch_size 可能需要对应调节学习率(大 batch 通常需要稍微提高一些学习率,或者用 LARS/AdamW 等自适应算法)。
      • 数据是否足够:如果数据量小而 batch 很大,可能造成迭代过快、过拟合等问题,一般需要配合拥有足够大的 replay buffer。
  2. 使用 DataLoader、pin_memory 等手段

    • 你当前是手动 for-loop 取 batch,还可以使用 PyTorch 原生的 DataLoader 来提高数据读取、打乱和预处理的效率。
    • 在创建 DataLoader 时,可以加上 pin_memory=Truenum_workers>0 来利用多进程数据加载、加速内存到 GPU 的传输。
    • 不过因为你这里的数据量可能是存放在内存的 numpy,就需要看你怎么封装成一个 Dataset。
  3. Gradient Accumulation

    • 如果一口气把 batch_size 设到 4096、8192,可能会让显存爆满,也可能会在某些显卡/驱动下 OOM。可以用“梯度累加”的方式等效增大批量。
    • 核心做法:把 batch 拆成若干 micro-batch (比如 256),在每个 micro-batch 做 forward & backward,但不执行 optimizer.step(),而是累加梯度直到跑完所有 micro-batch 再做一次 step。这样既能提高有效 batch_size,又不会一下子开非常多的显存。
  4. 多 GPU/分布式训练(可选)
    如果你有多张显卡,可以用 DistributedDataParallel(DDP)进一步扩展训练规模。但这需要一定分布式配置,且要管理全局的 self-play 数据和模型参数同步。


小结建议

  1. 加速自对弈

    • 推荐多进程+批推理思路;若对极致性能要求高,使用 C++/Cython 改写核心逻辑并管理位板。
    • 或者学习一下市面上的 AlphaZero 复现项目(Leela Chess Zero 等),它们也常用 C++ 做搜索部分。
  2. 更稳健的 Elo 评价

    • 增加对局数、调整 K 值、或采用 SPRT/Glicko/胜率阈值等方法,以减少波动、避免“忽高忽低”。
    • 如果只想要一个“是否更强”的测试,多盘胜率+SPRT 更常用。
  3. 吃满 8GB 显存

    • 直接把训练 batch_size 提大到几百上千,再观察 GPU 占用和收敛情况。
    • 或者采用梯度累加;再加上多进程 DataLoader、pin_memory 来进一步减少数据加载瓶颈。

这样一套优化下来,你的 AlphaZero 训练框架会更接近工业级:自对弈并行化 + 训练批量化 + 稳定评估。祝你项目顺利!

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