在上一篇博客中,我们使用autograd可实现深度学习模型,但其抽象程度较低,如果用其来实现深度学习模型,则需要编写的代码量极大。在这种情况下,torch.nn应运而生,其是专门为深度学习而设计的模块。torch.nn的核心数据结构是Module
,它是一个抽象概念,既可以表示神经网络中的某个层(layer),也可以表示一个包含很多层的神经网络。在实际使用中,最常见的做法是继承nn.Module
,撰写自己的网络/层。下面先来看看如何用nn.Module实现自己的全连接层。全连接层,又名仿射层,输出y和输入x满足y=wx+b,w和b是可学习的参数。
import torch
from torch import nn
class Linear(nn.Module): #继承nn.Module
def __init__(self, in_features, out_features): #输入/输出特征/单元数
super(Linear, self).__init__() # 调用父类构造函数 等价于nn.Module.__init__(self)
self.w = nn.Parameter(torch.randn(in_features, out_features))
self.b = nn.Parameter(torch.randn(out_features))
def forward(self,x):
x = x.mm(self.w) #x.@(self.w) 矩阵乘法 wx
return x + self.b.expand_as(x) #可以利用广播 直接 x+self.b
layer = Linear(4,3)
input = torch.randn(2,4) #(batch_size,in_features)
output = layer(input) #(batch_size,out_features) (2,3)
output
for name, parameter in layer.named_parameters():
print(name, parameter) # w and b 模型参数都是变量。require_grad=True
可见,全连接层Linear的实现非常简单,其代码量不超过10行,但需注意以下几点:
1) 自定义层Linear
必须继承nn.Module
,并且在其构造函数中需调用nn.Module
的构造函数,即super(Linear, self).__init__()
或nn.Module.__init__(self)
,推荐使用第一种用法,尽管第二种写法更直观。
2) 在构造函数__init__
中必须自己定义可学习的参数,并封装成Parameter
,如在本例中我们把w
和b
封装成parameter
。parameter
是一种特殊的Tensor
,但其默认需要求导(requires_grad = True),感兴趣的读者可以通过nn.Parameter??
,查看Parameter
类的源代码。
3) forward
函数实现前向传播过程,其输入可以是一个或多个tensor(batch_size)。
4) 无需写反向传播函数,nn.Module能够利用autograd自动实现反向传播,这点比Function简单许多。
5) 使用时,直观上可将layer看成数学概念中的函数,调用layer(input)即可得到input对应的结果。它等价于layer.__call__(input)
,在__call__
函数中,主要调用的是 layer.forward(x)
,另外还对钩子做了一些处理。所以在实际使用中应尽量使用layer(x)
而不是使用layer.forward(x)
,关于钩子技术将在下文讲解。
6) Module
中的可学习参数可以通过named_parameters()
或者parameters()
返回迭代器,前者会给每个parameter都附上名字,使其更具有辨识度。
可见利用Module实现的全连接层,比利用Function
实现的更为简单,因其不再需要写反向传播函数。Module能够自动检测到自己的Parameter
,并将其作为学习参数。除了parameter
之外,Module还包含子Module
,主Module能够递归查找子Module
中的parameter
。下面再来看看稍微复杂一点的网络,多层感知机。
多层感知机的网络结构如下图所示,它由两个全连接层组成,采用sigmoid函数作为激活函数,图中没有画出。
class Perceptron(nn.Module):
def __init__(self, in_features, hidden_features, out_features):
nn.Module.__init__(self)#super(Perceptron, self).__init__()
self.layer1 = Linear(in_features, hidden_features) # 此处的Linear是前面自定义的全连接层
self.layer2 = Linear(hidden_features, out_features)
def forward(self,x):
x = self.layer1(x)
x = torch.sigmoid(x)
return self.layer2(x)
perceptron = Perceptron(3,4,1)
for name, param in perceptron.named_parameters():
print(name, param.size())
可见,即使是稍复杂的多层感知机,其实现依旧很简单。 构造函数__init__
中,可利用前面自定义的Linear层(module),作为当前module对象的一个子module,它的可学习参数,也会成为当前module的可学习参数。
module中parameter的命名规范:
1) 对于类似self.param_name = nn.Parameter(torch.randn(3, 4))
,命名为param_name
2) 对于子Module中的parameter,会其名字之前加上当前Module的名字。如对于self.sub_module = SubModel()
,SubModel中有个parameter的名字叫做param_name,那么二者拼接而成的parameter name 就是sub_module.param_name
。
为方便用户使用,PyTorch实现了神经网络中绝大多数的layer,这些layer都继承于nn.Module,封装了可学习参数parameter
,并实现了forward函数,且很多都专门针对GPU运算进行了CuDNN优化,其速度和性能都十分优异。本篇博客不准备对nn.Module中的所有层进行详细介绍,具体内容读者可参照官方文档http://pytorch.org/docs/nn.html或在IPython/Jupyter中使用nn.layer?来查看。阅读文档时应主要关注以下几点:
1)构造函数的参数,如nn.Linear(in_features, out_features, bias),需关注这三个参数的作用。
2)属性、可学习参数和子module。如nn.Linear中有weight
和bias
两个可学习参数,不包含子module。
3)输入输出的形状,如nn.linear的输入形状是(N, input_features),输出为(N,output_features),N是batch_size。
这些自定义layer对输入形状都有假设:输入的不是单个数据,而是一个batch。输入只有一个数据,则必须调用tensor.unsqueeze(0)
或 tensor[None]
将数据伪装成batch_size=1的batch。
下面将从应用层面出发,对一些常用的layer做简单介绍,更详细的用法请查看文档,这里只作概览参考。
目录
1. 常用神经网络层
2. 优化器
3. nn.functional
4. 初始化策略
5. nn和autograd的关系
6. nn.Module深入分析
7. 搭建ResNet
图像相关层主要包括卷积层(Conv)、池化层(Pool)等,这些层在实际使用中可分为一维(1D)、二维(2D)、三维(3D),池化方式又分为平均池化(AvgPool)、最大值池化(MaxPool)、自适应池化(AdaptiveAvgPool)等。而卷积层除了常用的前向卷积之外,还有逆卷积(TransposeConv)。下面举例说明一些基础的使用。
from PIL import Image
from torchvision.transforms import ToTensor, ToPILImage
to_tensor = ToTensor() # img(numpy) -> tensor
to_pil = ToPILImage()
lena = Image.open('lena.png')
lena
# 输入是一个batch,这里batch_size=1 (batch_size,channels,height,width)
input = to_tensor(lena).unsqueeze(0) #灰度图 (1,1,height=200,width=200)
print(to_tensor(lena).unsqueeze(0).shape)
# 锐化卷积核
kernel = torch.ones(3, 3)/-9.
kernel[1][1] = 1
conv = nn.Conv2d(1, 1, (3, 3), 1, bias=False) #输入通道数,输出通道数,kenerl_size,stride,bias
#kernel_size可以传入3或(3,3) 二者等价
#stride 可以传入1或(1,1) 二者等价
conv.weight.data = kernel.view(1, 1, 3, 3) #自定义卷积核的参数
out = conv(input) #(1,1,height',width') 输出图像通道数=卷积核数量
to_pil(out.data.squeeze(0)) #(1,height',width')
除了上述的使用,图像的卷积操作还有各种变体,具体可以参照此处动图https://github.com/vdumoulin/conv_arithmetic/blob/master/README.md介绍。
池化层可以看作是一种特殊的卷积层,用来下采样。但池化层没有可学习参数。
#pool = nn.AvgPool2d(2,2) #大小为2*2 步长2*2
pool = nn.AvgPool2d((2,2),(2,2)) #二者等价
list(pool.parameters())
out = pool(input)
to_pil(out.data.squeeze(0))
除了卷积层和池化层,深度学习中还将常用到以下几个层:
1) Linear:全连接层。
2) BatchNorm:批规范化层,分为1D、2D和3D。除了标准的BatchNorm之外,还有在风格迁移中常用到的InstanceNorm层。
3) Dropout:dropout层,用来防止过拟合,同样分为1D、2D和3D。 下面通过例子来说明它们的使用。
# 输入 batch_size=2,输入特征数3
input = torch.randn(2, 3)
linear = nn.Linear(3, 4)
h = linear(input) #(2,4)
h
# BatchNorm()的参数是通道数 以上面的输出h(2,4)为例 我们对他沿0轴进行标准化 所以有4个通道
bn = nn.BatchNorm1d(4)
#每个通道都有一个标准差和均值
bn.weight.data = torch.ones(4) * 4 #手动初始化每个通道的标准差为4
bn.bias.data = torch.zeros(4) #手动初始化每个通道的均值为0
#实际上每个通道的标准差和均值是可学习的参数 用BN层自动初始化 随着模型一块训练更新
bn_out = bn(h)
# 注意输出的均值和方差
# 方差是标准差的平方,计算无偏方差分母会减1
# 使用unbiased=False 分母不减1
#经过bn层后,发现每个通道(沿0轴)的均值变成了0,方差为16
bn_out.mean(0), bn_out.var(0, unbiased=False)
# 每个元素以0.5的概率舍弃
dropout = nn.Dropout(0.5) #参数为舍弃概率
o = dropout(bn_out)
o # 有一半左右的数变为0
以上很多例子中都对module的属性直接操作,其大多数是可学习参数,一般自动初始化并会随着学习的进行而不断改变。实际使用中除非需要使用特殊的初始化,应尽量不要直接修改这些参数。
PyTorch实现了常见的激活函数,其具体的接口信息可参见官方文档http://pytorch.org/docs/nn.html#non-linear-activations,这些激活函数可作为独立的layer使用。这里将介绍最常用的激活函数ReLU,其数学表达式为:
relu = nn.ReLU(inplace=True)
input = torch.randn(2, 3)
print(input)
output = relu(input)
print(input) #inplace=True 计算的结果会覆盖input
print(output) # 小于0的都被截断为0
# 等价于input.clamp(min=0)
ReLU函数有个inplace参数,如果设为True,它会把输出直接覆盖到输入中,这样可以节省内存/显存。之所以可以覆盖是因为在计算ReLU的反向传播时,只需根据输出就能够推算出反向传播的梯度(不需要在前向传播中缓存值)。但是只有少数的autograd操作支持inplace操作(如tensor.sigmoid_()),除非你明确地知道自己在做什么,否则一般不要使用inplace操作。
在以上的例子中,基本上都是将每一层的输出直接作为下一层的输入,这种网络称为前馈传播网络(feedforward neural network)。对于此类网络如果每次都写复杂的forward函数会有些麻烦,在此就有两种简化方式,ModuleList和Sequential。其中Sequential是一个特殊的module,它包含几个子Module,前向传播时会将输入一层接一层的传递下去。ModuleList也是一个特殊的module,可以包含几个子module,可以像用list一样使用它,但不能直接把输入传给ModuleList。下面举例说明。
# Sequential的三种写法
net1 = nn.Sequential()
net1.add_module('conv', nn.Conv2d(3, 3, 3)) #in_channels,out_channels/filter数量,filter大小
net1.add_module('batchnorm', nn.BatchNorm2d(3))
net1.add_module('activation_layer', nn.ReLU())
net2 = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 3, 3),
nn.BatchNorm2d(3),
nn.ReLU()
)
from collections import OrderedDict
net3= nn.Sequential(OrderedDict([
('conv1', nn.Conv2d(3, 3, 3)),
('bn1', nn.BatchNorm2d(3)),
('relu1', nn.ReLU())
]))
print('net1:', net1)
print('net2:', net2)
print('net3:', net3)
# 可根据名字或序号取出子module
net1.conv, net2[0], net3.conv1
input = torch.rand(1, 3, 4, 4) #(batch_size,channels,height,width)
output = net1(input)
output = net2(input)
output = net3(input)
output = net3.relu1(net1.batchnorm(net1.conv(input)))
modellist = nn.ModuleList([nn.Linear(3,4), nn.ReLU(), nn.Linear(4,2)])
input = torch.randn(1, 3) #(batch_size,in_features)
for model in modellist:
input = model(input)
# 下面会报错,因为modellist没有实现forward方法
# output = modelist(input)
为何不直接使用Python中自带的list,而非要多此一举呢?这是因为ModuleList
是Module
的子类,当在Module
中使用它的时候,就能自动识别为子module。
例如:
class MyModule(nn.Module):
def __init__(self):
super(MyModule, self).__init__()
self.list = [nn.Linear(3, 4), nn.ReLU()]
self.module_list = nn.ModuleList([nn.Conv2d(3, 3, 3), nn.ReLU()])
def forward(self):
pass
model = MyModule()
model
for name, param in model.named_parameters():
print(name, param.size())
可见,list中的子module并不能被主module所识别,而ModuleList中的子module能够被主module所识别。这意味着如果用list保存子module,将无法调整其参数,因其未加入到主module的参数中。
除ModuleList之外还有ParameterList,其是一个可以包含多个parameter类的list对象。在实际应用中,使用方式与ModuleList类似。如果在构造函数__init__
中用到list、tuple、dict等python自带对象时,一定要思考是否应该用ModuleList或ParameterList代替。
近些年随着深度学习和自然语言处理的结合加深,RNN的使用也越来越多,关于RNN的基础知识,推荐阅读colah的文章http://colah.github.io/posts/2015-08-Understanding-LSTMs/↩入门。PyTorch中实现了如今最常用的三种RNN:RNN(vanilla RNN)、LSTM和GRU。此外还有对应的三种RNNCell。
RNN和RNNCell层的区别在于前者一次能够处理整个序列,而后者一次只处理序列中一个时间点的数据,前者封装更完备更易于使用,后者更具灵活性。实际上RNN层的一种后端实现方式就是循环调用RNNCell来实现的。
torch.manual_seed(1000)
# (max_length,batch_size,in_features)输入:batch_size=3,序列长度都为2,序列中每个元素占4维
input = torch.randn(2, 3, 4)
# lstm输入向量4维,隐藏单元3,1层
lstm = nn.LSTM(4, 3, 1)
# 初始状态:1层,batch_size=3,3个隐藏元
h0 = torch.randn(1, 3, 3)
c0 = torch.randn(1, 3, 3)
#同时把整个序列/每个时间点的数据都输入
out, hn = lstm(input, (h0, c0))
print(out.shape) #(max_length,batch_size,out_feature) 包含每个时间点的输出
print(out)
torch.manual_seed(1000)
input = torch.randn(2, 3, 4)
# 一个LSTMCell对应的层数只能是一层
lstm = nn.LSTMCell(4, 3)
hx = torch.randn(3, 3)
cx = torch.randn(3, 3)
out = []
for i_ in input:
#每次输入 输入序列一个时间点的数据
hx, cx=lstm(i_, (hx, cx)) #(3,4) ->(3,3)
out.append(hx) #把每个时间点的输出保存在列表中
torch.stack(out) #拼接起来 (2,3,3)
词向量在自然语言中应用十分普及,PyTorch同样提供了Embedding层。
# 词表有4个词,每个词用5维的向量表示
embedding = nn.Embedding(4, 5) #自动随机初始化嵌入矩阵 lookup_table 每行对应一个单词的嵌入
# 也可以用预训练好的词向量初始化embedding
embedding.weight.data = torch.arange(0,20,dtype=torch.float32).view(4,5)
input = torch.arange(3, 0, -1).long() #长整型索引
output = embedding(input) #查询
output
在深度学习中要用到各种各样的损失函数(loss function),这些损失函数可看作是一种特殊的layer,PyTorch也将这些损失函数实现为nn.Module
的子类。然而在实际使用中通常将这些loss function专门提取出来,和主模型互相独立。详细的loss使用请参照文档http://pytorch.org/docs/nn.html#loss-functions,这里以分类中最常用的交叉熵损失CrossEntropyloss为例说明。
# batch_size=3,计算对应每个类别的分数(只有两个类别)
score = torch.randn(3, 2)
# 三个样本分别属于1,0,1类,label必须是LongTensor
label = torch.Tensor([1, 0, 1]).long()#或torch.LongTensor([1, 0, 1])
# loss与普通的layer无差异
criterion = nn.CrossEntropyLoss()
loss = criterion(score, label)
loss
PyTorch将深度学习中常用的优化方法全部封装在torch.optim
中,其设计十分灵活,能够很方便的扩展成自定义的优化方法。
所有优化方法都是继承基类optim.Optimizer
,并实现了自己的优化步骤。下面就以最基本的优化方法——随机梯度下降法(SGD)举例说明。这里需重点掌握:
1)优化方法的基本使用方法
2)如何对模型的不同部分设置不同的学习率
3)如何调整学习率
# 首先定义一个LeNet网络
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
#模型分为特征提取部分和分类部分
#可以像之前一样一层层写 也可以用Sequential对层进行分组
self.features = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3, 6, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2,2),
nn.Conv2d(6, 16, 5),
nn.ReLU(),
nn.MaxPool2d(2,2)
)
self.classifier = nn.Sequential(
nn.Linear(16 * 5 * 5, 120),
nn.ReLU(),
nn.Linear(120, 84),
nn.ReLU(),
nn.Linear(84, 10)
)
def forward(self, x):
x = self.features(x)
x = x.view(-1, 16 * 5 * 5) #(batch_size,16*5*5)
x = self.classifier(x)
return x
net = Net()
from torch import optim
optimizer = optim.SGD(params=net.parameters(), lr=1)
optimizer.zero_grad() # 梯度清零,等价于net.zero_grad()
input = torch.randn(1, 3, 32, 32)
output = net(input)
output.backward(output) # fake backward我们从output开始反向传播 传入参数为doutput 他与output同维度
#doutput的值应该是loss对output的梯度 这里直接用output代替 来简单演示 并不是真正的梯度
optimizer.step() # 执行优化
# 为不同子网络设置不同的学习率,在finetune中经常用到
# 如果对某个参数不指定学习率,就使用最外层的默认学习率
optimizer =optim.SGD([
{'params': net.features.parameters()}, # 学习率为1e-5
{'params': net.classifier.parameters(), 'lr': 1e-2}
], lr=1e-5)
optimizer
#把需要特殊设置的层拿出来 用ModuleList封装
special_layers = nn.ModuleList([net.classifier[0], net.classifier[3]])
#对特殊层的参数应用id函数 得到对应的id值 返回列表
special_layers_params = list(map(id, special_layers.parameters()))
#对网络各层参数进行过滤 如果该层参数的id值不在特殊层参数得到的id值列表里 则保留。得到非特殊层的其他层参数
base_params = filter(lambda p: id(p) not in special_layers_params,
net.parameters())
# 只为两个全连接层/特殊层设置较大的学习率,其余层的学习率较小
optimizer = torch.optim.SGD([
{'params': base_params},
{'params': special_layers.parameters(), 'lr': 0.01}
], lr=0.001 )
optimizer
对于如何调整学习率,主要有两种做法。一种是修改optimizer.param_groups中对应的学习率,另一种是更简单也是较为推荐的做法——新建优化器,由于optimizer十分轻量级,构建开销很小,故而可以构建新的optimizer。但是后者对于使用动量的优化器(如Adam),会丢失动量等状态信息,可能会造成损失函数的收敛出现震荡等情况。
# 方法1: 调整学习率,新建一个optimizer
old_lr = 0.1
optimizer1 =optim.SGD([
{'params': net.features.parameters()},
{'params': net.classifier.parameters(), 'lr': old_lr*0.1}
], lr=1e-5)
optimizer1
# 方法2: 调整学习率, 手动decay, 保存动量
for param_group in optimizer.param_groups:
param_group['lr'] *= 0.1 # 学习率为之前的0.1倍
optimizer
nn中还有一个很常用的模块:nn.functional
,nn中的大多数layer,在functional
中都有一个与之相对应的函数。nn.functional
中的函数和nn.Module
的主要区别在于,用nn.Module实现的layers是一个特殊的类,都是由class layer(nn.Module)
定义,会自动提取可学习的参数。而nn.functional
中的函数更像是纯函数,由def function(input)
定义。下面举例说明functional的使用,并指出二者的不同之处。
input = torch.randn(2, 3)
model = nn.Linear(3, 4)
output1 = model(input) #(2,4)
output2 = nn.functional.linear(input, model.weight, model.bias)
output1 == output2 #相等
b = nn.functional.relu(input)
b2 = nn.ReLU()(input)
b == b2
此时读者可能会问,应该什么时候使用nn.Module,什么时候使用nn.functional呢?答案很简单,如果模型有可学习的参数,最好用nn.Module,否则既可以使用nn.functional也可以使用nn.Module,二者在性能上没有太大差异,具体的使用取决于个人的喜好。如激活函数(ReLU、sigmoid、tanh),池化(MaxPool)等层由于没有可学习参数,则可以使用对应的functional函数代替,而对于卷积、全连接等具有可学习参数的网络建议使用nn.Module。下面举例说明,如何在模型中搭配使用nn.Module和nn.functional。另外虽然dropout操作也没有可学习操作,但建议还是使用nn.Dropout
而不是nn.functional.dropout
,因为dropout在训练和测试两个阶段的行为有所差别(测试阶段要设置为1),使用nn.Module
对象能够通过model.train训练模式/model.eval测试模式
操作加以区分。
from torch.nn import functional as F
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
self.conv1 = nn.Conv2d(3, 6, 5)
self.conv2 = nn.Conv2d(6, 16, 5)
self.fc1 = nn.Linear(16 * 5 * 5, 120)
self.fc2 = nn.Linear(120, 84)
self.fc3 = nn.Linear(84, 10)
def forward(self, x):
x = F.pool(F.relu(self.conv1(x)), 2)
x = F.pool(F.relu(self.conv2(x)), 2)
x = x.view(-1, 16 * 5 * 5)
x = F.relu(self.fc1(x))
x = F.relu(self.fc2(x))
x = self.fc3(x)
return x
对于不具备可学习参数的层(激活层、池化层等),将它们用函数代替,这样则可以不用放置在构造函数__init__
中。对于有可学习参数的模块,一般使用nn.Module,当然也可以用functional来代替,只不过实现起来较为繁琐,需要手动定义参数parameter,如前面实现自定义的全连接层,就可将weight和bias两个参数单独拿出来,在构造函数中初始化为parameter。
class MyLinear(nn.Module):
def __init__(self):
super(MyLinear, self).__init__()
self.weight = nn.Parameter(torch.randn(3, 4))
self.bias = nn.Parameter(torch.zeros(3))
def forward(self):
return F.linear(input, weight, bias)
关于nn.functional的设计初衷,以及它和nn.Module更多的比较说明,可参看论坛的讨论和作者说明https://discuss.pytorch.org/search?q=nn.functional。
在深度学习中参数的初始化十分重要,良好的初始化能让模型更快收敛,并达到更高水平,而糟糕的初始化则可能使得模型迅速瘫痪。PyTorch中nn.Module的模块参数都采取了较为合理的初始化策略(自动),因此一般不用我们考虑,当然我们也可以用自定义初始化去代替系统的默认初始化。而当我们在使用Parameter时,自定义初始化则尤为重要,因torch.Tensor()返回的是内存中的随机数,很可能会有极大值,这在实际训练网络中会造成溢出或者梯度消失。PyTorch中nn.init
模块就是专门为初始化而设计,如果某种初始化策略nn.init
不提供,用户也可以自己直接初始化。
# 利用nn.init初始化
from torch.nn import init
linear = nn.Linear(3, 4) #nn.Module会自动初始化模型参数
torch.manual_seed(1)
# 等价于 linear.weight.data.normal_(0, std)
init.xavier_normal_(linear.weight) #也可以使用init 手动指定初始化方式
# 直接手动初始化
import math
torch.manual_seed(1)
# xavier初始化的计算公式
std = math.sqrt(2)/math.sqrt(7.)
linear.weight.data.normal_(0,std)
# 对模型的所有参数进行初始化
for name, params in net.named_parameters():
if name.find('linear') != -1:
# init linear
#使用init自定义初始化方式 或者 直接手动实现计算方式进行初始化
params[0] # weight
params[1] # bias
elif name.find('conv') != -1:
pass
elif name.find('norm') != -1:
pass
nn.Module利用的也是autograd技术,其主要工作是实现前向传播。在forward函数中,nn.Module对输入的tensor进行的各种操作,本质上都是用到了autograd技术。这里需要对比autograd.Function和nn.Module之间的区别:
1)autograd.Function利用了Tensor对autograd技术的扩展,为autograd实现了新的运算op,不仅要实现前向传播还要手动实现反向传播
2)nn.Module利用了autograd技术,对nn的功能进行扩展,实现了深度学习中更多的层。只需实现前向传播功能,autograd即会自动实现反向传播
3)nn.functional是一些autograd操作的集合,是经过封装的函数
作为两大类扩充PyTorch接口的方法,我们在实际使用中应该如何选择呢?如果某一个操作,在autograd中尚未支持,那么只能实现Function接口对应的前向传播和反向传播。如果某些时候利用autograd接口比较复杂,则可以利用Function将多个操作聚合,实现优化,正如上一篇博客所实现的Sigmoid
一样,比直接利用autograd低级别的操作要快。而如果只是想在深度学习中增加某一层,使用nn.Module进行封装则更为简单高效。
如果想要更深入地理解nn.Module,究其原理是很有必要的。首先来看看nn.Module基类的构造函数:
其中每个属性的解释如下:
1) _parameters
:字典,保存用户直接设置的parameter,self.param1 = nn.Parameter(torch.randn(3, 3))
会被检测到,在字典中加入一个key为'param',value为对应parameter的item。而self.submodule = nn.Linear(3, 4)中的parameter则不会存于此。
2) _modules
:子module,通过self.submodel = nn.Linear(3, 4)
指定的子module会保存于此。
3) _buffers
:缓存。如batchnorm使用momentum机制,每次前向传播需用到上一次前向传播的结果。
4) _backward_hooks
与_forward_hooks
:钩子技术,用来提取中间变量,类似variable的hook。
5) training
:BatchNorm与Dropout层在训练阶段和测试阶段中采取的策略不同,通过判断training值来决定前向传播策略。
上述几个属性中,_parameters
、_modules
和_buffers
这三个字典中的键值,都可以通过self.key
方式获得,效果等价于self._parameters['key']
.
下面举例说明。
class Net(nn.Module):
def __init__(self):
super(Net, self).__init__()
# 等价与self.register_parameter('param1' ,nn.Parameter(torch.randn(3, 3)))
self.param1 = nn.Parameter(torch.rand(3, 3))
self.submodel1 = nn.Linear(3, 4)
def forward(self, input):
x = self.param1.mm(input)
x = self.submodel1(x)
return x
net = Net()
net
print(net._modules)
print(net._parameters)
print(net.param1) # 等价于net._parameters['param1']
for name, param in net.named_parameters():
print(name, param.size())
for name, submodel in net.named_modules():
print(name, submodel)
bn = nn.BatchNorm1d(2)
input = torch.rand(3, 2) #(batch_size,feature)
output = bn(input)
bn._buffers
nn.Module在实际使用中可能层层嵌套,一个module包含若干个子module,每一个子module又包含了更多的子module。为方便用户访问各个子module,nn.Module实现了很多方法,如函数children
可以查看直接子module,函数module
可以查看所有的子module(包括当前module)。与之相对应的还有函数named_childen
和named_modules
,其能够在返回module列表的同时返回它们的名字。
import torch
import torch.nn as nn
input = torch.arange(0, 12,dtype=torch.float32).view(3, 4)
model = nn.Dropout()
# 在训练阶段,会有一半左右的数被随机置为0
model(input)
model.training = False
# 在测试阶段,dropout什么都不做
model(input)
对于batchnorm、dropout、instancenorm等在训练和测试阶段行为差距巨大的层,如果在测试时不将其training值设为False,则可能会有很大影响,这在实际使用中要千万注意。虽然可通过直接设置training
属性,来将子module设为train和eval模式,但这种方式较为繁琐,因如果一个模型具有多个dropout层,就需要为每个dropout层指定training属性。更为推荐的做法是调用model.train()
函数,它会将当前module及其子module中的所有training属性都设为True,相应的,model.eval()
函数会把training属性都设为False(前提是要把bn、dropout等层用torch.nn在构造函数中设置为子module,不要用nn.functional定义)。
print(net.training, net.submodel1.training)
net.eval()
net.training, net.submodel1.training
list(net.named_modules()) #包括当前模块及其子模块
register_forward_hook
与register_backward_hook
,这两个函数的功能类似于variable函数的register_hook
,可在module前向传播或反向传播时注册钩子。每次前向传播执行结束后会执行钩子函数(hook)。前向传播的钩子函数具有如下形式:hook(module, input, output) -> None
,而反向传播则具有如下形式:hook(module, grad_input, grad_output) -> Tensor or None
。钩子函数不应修改输入和输出,并且在使用后应及时删除,以避免每次都运行钩子增加运行负载。钩子函数主要用在获取某些中间结果的情景,如中间某一层的输出或某一层的梯度。这些结果本应写在forward函数中,但如果在forward函数中专门加上这些处理,可能会使处理逻辑比较复杂,这时候使用钩子技术就更合适一些。下面考虑一种场景,有一个预训练好的模型,需要提取模型的某一层(不是最后一层)的输出作为特征进行分类,但又不希望修改其原有的模型定义文件,这时就可以利用钩子函数。下面给出实现的伪代码。
nn.Module
对象在构造函数中的行为看起来有些怪异,如果想要真正掌握其原理,就需要看两个魔法方法__getattr__
和__setattr__
。在Python中有两个常用的buildin方法getattr
和setattr
,getattr(obj, 'attr1')
等价于obj.attr
,如果getattr
函数无法找到所需属性,Python会转而调用obj.__getattr__('attr1')
方法,即getattr
函数无法找到的交给__getattr__
函数处理,没有实现__getattr__
或者__getattr__
也无法处理的就会raise AttributeError。setattr(obj, 'name', value)
等价于obj.name=value
,如果obj对象实现了__setattr__
方法,setattr会直接调用obj.__setattr__('name', value)
,否则调用buildin方法。总结一下:
1)result = obj.name会调用buildin函数getattr(obj, 'name')
,如果该属性找不到,会调用obj.__getattr__('name')
2)obj.name = value会调用buildin函数setattr(obj, 'name', value)
,如果obj对象实现了__setattr__
方法,setattr
会直接调用obj.__setattr__('name', value')
nn.Module实现了自定义的__setattr__
函数,当执行module.name=value
时,会在__setattr__
中判断value是否为Parameter
或nn.Module
对象,如果是则将这些对象加到_parameters
和_modules
两个字典中,而如果是其它类型的对象,如Variable
、list
、dict
等,则调用默认的操作,将这个值保存在__dict__
中。
module = nn.Module()
module.param = nn.Parameter(torch.ones(2, 2))
module._parameters
submodule1 = nn.Linear(2, 2)
submodule2 = nn.Linear(2, 2)
module_list = [submodule1, submodule2]
# 对于list对象,调用buildin函数,保存在__dict__中
module.submodules = module_list
print('_modules: ', module._modules)
print("__dict__['submodules']:",module.__dict__.get('submodules'))
module_list = nn.ModuleList(module_list)
module.submodules = module_list
print('ModuleList is instance of nn.Module: ', isinstance(module_list, nn.Module))
print('_modules: ', module._modules)
print("__dict__['submodules']:", module.__dict__.get('submodules'))
因_modules
和_parameters
中的item未保存在__dict__
中,所以默认的getattr方法无法获取它,因而nn.Module
实现了自定义的__getattr__
方法,如果默认的getattr
无法处理,就调用自定义的__getattr__
方法,尝试从_modules
、_parameters
和_buffers
这三个字典中获取。
getattr(module, 'training') # 等价于module.training
# error
# module.__getattr__('training')
module.attr1 = 2
getattr(module, 'attr1')
# 报错
# module.__getattr__('attr1')
# 即module.param, 会调用module.__getattr__('param')
getattr(module, 'param')
在PyTorch中保存模型十分简单,所有的Module对象都具有state_dict()函数,返回当前Module所有的状态数据。将这些状态数据保存后,下次使用模型时即可利用model.load_state_dict()
函数将状态加载进来。优化器(optimizer)也有类似的机制,不过一般并不需要保存优化器的运行状态。
# 保存模型 推荐保存state_dict() 可以理解为只保存模型参数而不保存模型结构
torch.save(net.state_dict(), 'net.pth')
# 加载已保存的模型
net2 = Net() #首先实例化网络对象 搭建模型结构
net2.load_state_dict(torch.load('net.pth')) #加载参数
实际上还有另外一种保存方法,但因其严重依赖模型定义方式及文件路径结构等,很容易出问题,因而不建议使用。
torch.save(net, 'net_all.pth') #同时保存模型结构和参数
net2 = torch.load('net_all.pth')
net2
将Module放在GPU上运行也十分简单,只需两步:
1) model = model.cuda():将模型的所有参数转存到GPU 或使用model = model.to(device)
2) input.cuda():将输入数据也放置到GPU上 或使用 input = input.to(device)
至于如何在多个GPU上并行计算,PyTorch也提供了两个函数,可实现简单高效的并行GPU计算:
1) class torch.nn.DataParallel(module, device_ids=None, output_device=None, dim=0)
2) nn.parallel.data_parallel(module, inputs, device_ids=None, output_device=None, dim=0, module_kwargs=None)
可见二者的参数十分相似,通过device_ids
参数可以指定在哪些GPU上进行优化,output_device指定输出到哪个GPU上。唯一的不同就在于后者直接利用多GPU并行计算得出结果,而前者则返回一个新的module,能够自动在多GPU上进行并行加速。
DataParallel并行的方式,是将输入一个batch的数据均分成多份,分别送到对应的GPU进行计算,各个GPU得到的梯度累加。与Module相关的所有数据也都会以浅复制的方式复制多份,在此需要注意,在module中属性应该是只读的。
Kaiming He的深度残差网络(ResNet)在深度学习的发展中起到了很重要的作用,ResNet不仅一举拿下了当年CV下多个比赛项目的冠军,更重要的是这一结构解决了训练极深网络时的梯度消失问题。
首先来看看ResNet的网络结构,这里选取的是ResNet的一个变种:ResNet34。ResNet的网络结构如下面上方的图所示,可见除了最开始的卷积池化和最后的池化全连接之外,网络中有很多结构相似的单元,这些重复单元的共同点就是有个跨层直连的shortcut。ResNet中将一个跨层直连的单元称为Residual block,其结构如下面下方的图所示,左边部分是普通的卷积网络结构,右边是直连,但如果输入和输出的通道数不一致,或其步长不为1,那么就需要有一个专门的单元将二者转成一致,使其可以相加。
另外我们可以发现Residual block的大小也是有规律的,在最开始的pool之后有连续的几个一模一样的Residual block单元,这些单元的通道数一样,在这里我们将这几个拥有多个Residual block单元的结构称之为layer,注意和之前讲的layer区分开来,这里的layer是几个层的集合。
考虑到Residual block和layer出现了多次,我们可以把它们实现为一个子Module或函数。这里我们将Residual block实现为一个子moduke,而将layer实现为一个函数。下面是实现代码,规律总结如下:
1)对于模型中的重复部分,实现为子module或用函数生成相应的modulemake_layer
2)nn.Module和nn.Functional结合使用
3)尽量使用nn.Seqential
class ResidualBlock(nn.Module):
'''
实现子module:Residual block
'''
def __init__(self,inchannel,outchannel,stride=1,shortcut=None):
super(ResidualBlock,self).__init__()
self.left = nn.Sequential(
nn.Conv2d(inchannel,outchannel,3,stride,1,bias=False),
nn.BatchNorm2d(outchannel),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.Conv2d(outchannel,outchannel,3,1,1,bias=False),
nn.BatchNorm2d(outchannel)
)
self.right = shortcut
def forward(self,x):
out = self.left(x)
residual = x if self.right is None else self.right(x)
out += residual
return F.relu(out)
class ResNet(nn.Module):
'''
实现主Module ResNet34
ResNet34包含多个layer,每个layer又包含多个residual block
用子module来实现residual block,用make_layer函数来实现layer
'''
def __init__(self,num_classes=1000):
super(ResNet,self).__init__()
#前几层图像转换
self.pre = nn.Sequential(
nn.Conv2d(3,64,7,2,3,bias=False),
nn.BatchNorm2d(64),
nn.ReLU(inplace=True),
nn.MaxPool2d(3,2,1)
)
# 重复的layer,分别有3,4,6,3个residual block
self.layer1 = self._make_layer(64,64,3)
self.layer2 = self._make_layer(64,128,4,stride=2)
self.layer3 = self._make_layer(128,256,6,stride=2)
self.layer4 = self._make_layer(256,512,3,stride=2)
#分类用的全连接
self.fc = nn.Linear(512,num_classes)
def _make_layer(self,inchannel,outchannel,block_num,stride=1):
'''
构建layer,包含多个residual block
'''
shortcut = nn.Sequential(
nn.Conv2d(inchannel,outchannel,1,stride,bias=False),
nn.BatchNorm2d(outchannel)
)
layers = []
layers.append(ResidualBlock(inchannel,outchannel,stride,shortcut))
for i in range(1,block_num):
layers.append(ResidualBlock(outchannel,outchannel))
return nn.Sequential(*layers)
def forward(self,x):
x = self.pre(x)
x = self.layer1(x)
x = self.layer2(x)
x = self.layer3(x)
x = self.layer4(x)
x = F.avg_pool2d(x,7)
x = x.view(x.size(0),-1)
return self.fc(x)
model = ResNet()
input = torch.randn(1, 3, 224, 224) #(batch_size,channels,height,width)
o = model(input)
感兴趣的读者可以尝试实现Google的Inception网络结构或ResNet的其它变体,看看如何能够简洁明了地实现它,实现代码尽量控制在80行以内(本例去掉空行和注释总共不超过50行)。另外,与PyTorch配套的图像工具包torchvision
已经实现了深度学习中大多数经典的模型,其中就包括ResNet34,读者可以通过下面两行代码使用:
本例中ResNet34的实现就是参考了torchvision中的实现并做了简化,感兴趣的读者可以阅读相应的源码,比较这里的实现和torchvision中实现的不同。