从头学pytorch：模型构造

模型构造

nn.Module

nn.Module是pytorch中提供的一个类,是所有神经网络模块的基类.我们自定义的模块要继承这个基类.

import torch
from torch import nn

class MLP(nn.Module):
    # 声明带有模型参数的层，这里声明了两个全连接层
    def __init__(self, **kwargs):
        # 调用MLP父类Module的构造函数来进行必要的初始化。这样在构造实例时还可以指定其他函数
        # 参数，如“模型参数的访问、初始化和共享”一节将介绍的模型参数params
        super(MLP, self).__init__(**kwargs)
        self.hidden = nn.Linear(784, 256) # 隐藏层
        self.act = nn.ReLU()
        self.output = nn.Linear(256, 10)  # 输出层
         

    # 定义模型的前向计算，即如何根据输入x计算返回所需要的模型输出
    def forward(self, x):
        a = self.act(self.hidden(x))
        return self.output(a)

X = torch.rand(2, 784)
net = MLP()
print(net)
net(X)

输出如下:

MLP(
  (hidden): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (act): ReLU()
  (output): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)

Module的子类

torch中还提供了一些其他的类,方便我们构造模型.这些类也都是继承自nn.Module.

• Sequential
• ModuleList
• ModuleDict
• 这些类的定义都位于torch/nn/modules/container.py

Sequential

当模型的前向计算为简单串联各个层的计算时，Sequential类可以通过更加简单的方式定义模型。这正是Sequential类的目的：它可以接收一个子模块的有序字典（OrderedDict）或者一系列子模块作为参数来逐一添加Module的实例，而模型的前向计算就是将这些实例按添加的顺序逐一计算。

# Example of using Sequential
model = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(1,20,5),
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(20,64,5),
            nn.ReLU()
        )

# Example of using Sequential with OrderedDict
model = nn.Sequential(OrderedDict([
            ('conv1', nn.Conv2d(1,20,5)),
            ('relu1', nn.ReLU()),
            ('conv2', nn.Conv2d(20,64,5)),
            ('relu2', nn.ReLU())
        ]))

ModuleList

ModuleList接收一个子模块的列表作为输入，然后也可以类似List那样进行append和extend操作:

net = nn.ModuleList([nn.Linear(784, 256), nn.ReLU()])
net.append(nn.Linear(256, 10)) # # 类似List的append操作
print(net[-1])  # 类似List的索引访问
print(net)
# net(torch.zeros(1, 784)) # 会报NotImplementedError

输出：

Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
ModuleList(
  (0): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (1): ReLU()
  (2): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)

既然Sequential和ModuleList都可以进行列表化构造网络，那二者区别是什么呢。ModuleList仅仅是一个储存各种模块的列表，这些模块之间没有联系也没有顺序（所以不用保证相邻层的输入输出维度匹配），而且没有实现forward功能需要自己实现，所以上面执行net(torch.zeros(1, 784))会报NotImplementedError；而Sequential内的模块需要按照顺序排列，要保证相邻层的输入输出大小相匹配，内部forward功能已经实现。

ModuleList的出现只是让网络定义前向传播时更加灵活，见下面官网的例子。

class MyModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModule, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(10)])

    def forward(self, x):
        # ModuleList can act as an iterable, or be indexed using ints
        for i, l in enumerate(self.linears):
            x = self.linears[i // 2](x) + l(x)
        return x

这里注意nn.ModuleList传入的是一个python list．

nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10)])

不要写成了

nn.ModuleList(nn.Linear(10, 10))

另外，ModuleList不同于一般的Python的list，加入到ModuleList里面的所有模块的参数会被自动添加到整个网络中，下面看一个例子对比一下。

class Module_ModuleList(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module_ModuleList, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10)])
    
class Module_List(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module_List, self).__init__()
        self.linears = [nn.Linear(10, 10)]

net1 = Module_ModuleList()
net2 = Module_List()

print("net1:")
for p in net1.parameters():
    print(p.size())

print("net2:")
for p in net2.parameters():
    print(p)

输出：

net1:
torch.Size([10, 10])
torch.Size([10])
net2:

可以看到net2是没有parameters的.net1是有parameters的.因为net1用的是nn.ModuleList而不是python list．

ＭoduleDict

ModuleDict接收一个子模块的字典作为输入, 然后也可以类似字典那样进行添加访问操作:

net = nn.ModuleDict({
    'linear': nn.Linear(784, 256),
    'act': nn.ReLU(),
})
net['output'] = nn.Linear(256, 10) # 添加
print(net['linear']) # 访问
print(net.output)
print(net)
# net(torch.zeros(1, 784)) # 会报NotImplementedError

输出：

Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
ModuleDict(
  (act): ReLU()
  (linear): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (output): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)

和ModuleList一样，ModuleDict实例仅仅是存放了一些模块的字典，并没有定义forward函数需要自己定义。同样，ModuleDict也与Python的Dict有所不同，ModuleDict里的所有模块的参数会被自动添加到整个网络中。

总结一下

• 可以通过继承Module类来构造模型。
• Sequential、ModuleList、ModuleDict类都继承自Module类。
• 与Sequential不同，ModuleList和ModuleDict并没有定义一个完整的网络，它们只是将不同的模块存放在一起，需要自己定义forward函数。

构造复杂模型

上面介绍的Sequential使用简单,但灵活性不足.通常我们还是自定义类,继承nn.Module,去完成更复杂的模型定义和控制.

class FancyMLP(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(FancyMLP, self).__init__(**kwargs)
        
        self.rand_weight = torch.rand((20, 20), requires_grad=False) # 不可训练参数（常数参数）
        self.linear = nn.Linear(20, 20)

    def forward(self, x):
        x = self.linear(x)
        # 使用创建的常数参数，以及nn.functional中的relu函数和mm函数
        x = nn.functional.relu(torch.mm(x, self.rand_weight.data) + 1)
        
        # 复用全连接层。等价于两个全连接层共享参数
        x = self.linear(x)
        # 控制流，这里我们需要调用item函数来返回标量进行比较
        while x.norm().item() > 1:
            x /= 2
        if x.norm().item() < 0.8:
            x *= 10
        return x.sum()

X = torch.rand(2, 20)
net = FancyMLP()
print(net)
print(net(X))

输出

FancyMLP(
  (linear): Linear(in_features=20, out_features=20, bias=True)
)
tensor(2.0396, grad_fn=)

这里在print(net)时的输出,是和__init__函数保持一致的,比如

class FancyMLP(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(FancyMLP, self).__init__(**kwargs)
        
        self.rand_weight = torch.rand((20, 20), requires_grad=False) # 不可训练参数（常数参数）
        self.linear = nn.Linear(20, 20)
        self.relu = nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        x = self.linear(x)
        # 使用创建的常数参数，以及nn.functional中的relu函数和mm函数
        x = nn.functional.relu(torch.mm(x, self.rand_weight.data) + 1)
        
        # 复用全连接层。等价于两个全连接层共享参数
        x = self.linear(x)
        # 控制流，这里我们需要调用item函数来返回标量进行比较
        while x.norm().item() > 1:
            x /= 2
        if x.norm().item() < 0.8:
            x *= 10
        return x.sum()

X = torch.rand(2, 20)
net = FancyMLP()
print(net)
print(net(X))

输出

FancyMLP(
  (linear): Linear(in_features=20, out_features=20, bias=True)
  (relu): ReLU()
)
tensor(7.5126, grad_fn=)

尽管在forward()里并没有用到self.relu.

自定义的模型依然可以和Sequential一起使用.因为再复杂,它也还是继承自nn.Module

net = nn.Sequential(nn.Linear(30, 20),FancyMLP())