第七周.01.Message更新讲解+GCN实例

本文内容整理自深度之眼《GNN核心能力培养计划》
公式输入请参考： 在线Latex公式
update_all和send_and_recv是图网中非常重要两个函数，用人话来描述就是我们要如何汇聚邻居的信息：
1、汇聚什么？节点还是边？还是节点加边？还是节点减边？
2、如何汇聚？求和？最大？平均？
3、汇聚后更新节点表征需要什么操作？这个不是必须的，可以是做个特征变化啥的。

update_all

官网说明：https://docs.dgl.ai/generated/dgl.DGLGraph.update_all.html

DGLGraph.update_all(message_func, reduce_func, apply_node_func=None, etype=None)

来看下里面的几个参数。
message_func，消息函数（从源节点到目标节点进行操作），可以使用DGL自带的消息函数或者自定义消息函数
reduce_func，产生消息后，对消息进行汇聚aggregate操作，也是可以使用DGL自带的汇聚函数或者自定义汇聚函数
apply_node_func，节点更新函数，经过上面两步后如何更新节点embedding，这个函数只有用户自定义
以上三个函数是update_all中最核心的部分。

send_and_recv

官网说明：https://docs.dgl.ai/generated/dgl.DGLGraph.send_and_recv.html

DGLGraph.send_and_recv(edges, message_func, reduce_func, apply_node_func=None, etype=None, inplace=False)

这个函数和上面的update_all里面一样有三个核心消息函数，这里就不写了，不一样的是send_and_recv函数可以指定边（第一个参数）进行消息操作。
边这个参数可以有以下几种方式：

方式	含义
整型int	代表单个边的编号
整型 Tensor	Tensor 中的每个元素代表一个边的编号，tensor的device类型及数据类型要和Graph的ID类型要一致
可迭代的整型	每个元素代表一个边的编号
(Tensor ,Tensor )	用节点的方式来表示边，两个Tensor 分别表示起始和结束节点
(可迭代的整型,可迭代的整型)	同上

Built-in Function

上面讲三个核心函数的时候有提到DGL有自带的消息处理函数，我们来看看：
官网地址：https://docs.dgl.ai/api/python/dgl.function.html#dgl-built-in-function

从表中可以看到有三大类：
第一大类是单对象操作，直接copy消息，下划线后面分别代表拷贝的对象：节点、边，后面两个和前面两个是功能一样的
第二大类是双对象操作，下划线前后分别代表两个对象，中间代表操作类型
第三大类是reduce函数，四个。

实例代码

https://docs.dgl.ai/tutorials/models/1_gnn/1_gcn.html
针对官网的GCN代码重新进行讲解，这次重点看上面提到的函数。
原文的模型描述公式没显示出来，这里重新贴下：
For each node $u$:

1. Aggregate neighbors’ representations $h_v$ to produce an intermediate representation ${\hat{h}}_u$.
2. Transform the aggregated representation ${\hat{h}}_u$ with a linear projection followed by a non-linearity: $h_u=f(W_u{\hat{h}}_u)$.

We will implement step 1 with DGL message passing, and step 2 by PyTorch nn.Module.

GCN implementation with DGL

We first define the message and reduce function as usual. Since the
aggregation on a node $u$ only involves summing over the neighbors’
representations $h_v$, we can simply use builtin functions:
具体代码：

import dgl
import dgl.function as fn
import torch as th
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from dgl import DGLGraph

gcn_msg = fn.copy_u(u='h', out='m')#update_all的第一个参数，单对象操作，直接拷贝原节点信息作为消息输出
gcn_reduce = fn.sum(msg='m', out='h')#update_all的第二个参数，采用sum作为aggregate方式，吃的上面的输出

class GCNLayer(nn.Module):
    def __init__(self, in_feats, out_feats):
        super(GCNLayer, self).__init__()
        self.linear = nn.Linear(in_feats, out_feats)#out_feats是输出的分类数量

    def forward(self, g, feature):
        # Creating a local scope so that all the stored ndata and edata
        # (such as the `'h'` ndata below) are automatically popped out
        # when the scope exits.
        with g.local_scope():
            g.ndata['h'] = feature# 初始化的特征丢给节点
            g.update_all(gcn_msg, gcn_reduce)# 更新节点表征，里面两个函数在上面，考虑一下博文中提出的三个问题
            h = g.ndata['h']#将最后g.ndata读取出来作为结果
            return self.linear(h)#update_all的第二个参数，采用sum作为aggregate方式，吃的上面的输出

下面定义一个GCN模型，在cora上进行一个分类，模型包含两层GCN layer，输入特征维度是1433，分类数是7

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.layer1 = GCNLayer(1433, 16)#输入1433，输出中间层为16
        self.layer2 = GCNLayer(16, 7)#输入16，最后输出7分类
    
    def forward(self, g, features):
        x = F.relu(self.layer1(g, features))
        x = self.layer2(g, x)#最后输出层不用做ReLU
        return x
net = Net()
print(net)

导入cora数据，划分训练测试数据集

from dgl.data import CoraGraphDataset
def load_cora_data():
    dataset = CoraGraphDataset()
    g = dataset[0]
    features = g.ndata['feat']
    labels = g.ndata['label']
    train_mask = g.ndata['train_mask']
    test_mask = g.ndata['test_mask']
    return g, features, labels, train_mask, test_mask

测试模型效果

def evaluate(model, g, features, labels, mask):
    model.eval()
    with th.no_grad():
        logits = model(g, features)
        logits = logits[mask]
        labels = labels[mask]
        _, indices = th.max(logits, dim=1)
        correct = th.sum(indices == labels)
        return correct.item() * 1.0 / len(labels)

训练模型

import time
import numpy as np
g, features, labels, train_mask, test_mask = load_cora_data()
# Add edges between each node and itself to preserve old node representations
g.add_edges(g.nodes(), g.nodes())#加selfloop：A'=A+I
optimizer = th.optim.Adam(net.parameters(), lr=1e-2)
dur = []
for epoch in range(50):
    if epoch >=3:
        t0 = time.time()

    net.train()
    logits = net(g, features)
    logp = F.log_softmax(logits, 1)
    loss = F.nll_loss(logp[train_mask], labels[train_mask])#两步计算交叉熵损失
    
    optimizer.zero_grad()
    loss.backward()
    optimizer.step()
    
    if epoch >=3:
        dur.append(time.time() - t0)
    
    acc = evaluate(net, g, features, labels, test_mask)
    print("Epoch {:05d} | Loss {:.4f} | Test Acc {:.4f} | Time(s) {:.4f}".format(
            epoch, loss.item(), acc, np.mean(dur)))

结果：