PyTorch框架学习九——网络模型的构建

笔记二到八主要介绍与数据有关的内容，这次笔记将开始介绍网络模型有关的内容，首先我们不追求网络内部各层的具体内容，重点关注模型的构建，学会了如何构建模型，然后再开始一些具体网络层的学习。

一、概述

模型有关的内容主要如下图所示：

主要是模型的搭建和权值的初始化两个问题，而模型的搭建里，首先需要构建单独的网络层，然后将这些网络层按顺序拼接起来，就构成了一个模型，然后进行某种权值初始化，就可以用于训练数据。

今天介绍PyTorch中是如何实现模型创建的，具体内部的卷积、池化、激活函数等知识下次笔记介绍。上述的所有内容，在PyTorch中都有一个叫nn.Module的模块来实现。

看一个LeNet模型的例子：

从上图可以看出LeNet模型经过了这样一个网络层的流程：

那我们要来搭建这个模型的话，就要先单独构建卷积层Conv，池化层pool，全连接层fc，然后按照上面的顺序进行拼接，拼接后的整体才是一个构建好的网络模型。

看一下LeNet的模型构建的代码：

class LeNet(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNet, 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, classes)

    def forward(self, x):
        out = F.relu(self.conv1(x))
        out = F.max_pool2d(out, 2)
        out = F.relu(self.conv2(out))
        out = F.max_pool2d(out, 2)
        out = out.view(out.size(0), -1)
        out = F.relu(self.fc1(out))
        out = F.relu(self.fc2(out))
        out = self.fc3(out)
        return out

可以看出__init__()函数实现了对每一个单独的网络层的构建，forward()函数实现了子网络层的拼接。

二、nn.Module

介绍nn.Module之前先看一下torch.nn里四个重要的模块：

1. torch.nn.Parameter：张量的子类，表示可学习的参数，如weight、bias。
2. torch.nn.Module：所有网络层的基类，管理网络属性。
3. torch.nn.functional：函数具体实现，如卷积、池化、激活函数等。
4. torch.nn.init：参数初始化的方法。

这里重点介绍nn.Parameter和nn.Module。

nn.Module来构建网络层时会创建8个字典管理它的不同属性，分别如下所示：

• parameters：存储管理nn.Parameter类。
• modules：存储管理nn.Module类。
• buffers：存储管理缓冲属性，如BN层中的running_mean。
• ×××_hooks（5个）：存储管理钩子函数（目前不了解）。

下面的代码是创建一个module时对8个字典的初始化：

    def __init__(self):
        """
        Initializes internal Module state, shared by both nn.Module and ScriptModule.
        """
        torch._C._log_api_usage_once("python.nn_module")

        self.training = True
        self._parameters = OrderedDict()
        self._buffers = OrderedDict()
        self._backward_hooks = OrderedDict()
        self._forward_hooks = OrderedDict()
        self._forward_pre_hooks = OrderedDict()
        self._state_dict_hooks = OrderedDict()
        self._load_state_dict_pre_hooks = OrderedDict()
        self._modules = OrderedDict()

注意：

1. 一个module可以包含多个子module，如LeNet是一个module，它包含了conv、fc等子module。
2. 一个module相当于一个运算，必须实现forward函数。
3. 每个module都有8个字典管理它的属性。

三、模型容器Container

模型容器有三种，如下图所示：

1.nn.Sequential

功能：是nn.Module的容器，用于按顺序包装一组网络层。

还是以LeNet为例，我们将LeNet分成features和classifier两部分，每个部分都是一个sequential：

代码如下：

class LeNetSequential(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNetSequential, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 6, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            nn.Conv2d(6, 16, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),)

        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(16*5*5, 120),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(120, 84),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(84, classes),)

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = x.view(x.size()[0], -1)
        x = self.classifier(x)
        return x

但是，这种构建网络的方式有一个小问题，每一层网络层都会自动按顺序编一个号作为name，如features这个Sequential里每层网络层在module属性内部是这样的：

这里只有六个网络层，所以还可以在短时间内找到你需要的那一个，但是当层数非常多的时候，这种数字命名的方式就很不友好，而Sequential也有相应的应对方法，即为每一层网络命名，具体代码如下所示：

class LeNetSequentialOrderDict(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNetSequentialOrderDict, self).__init__()

        self.features = nn.Sequential(OrderedDict({
            'conv1': nn.Conv2d(3, 6, 5),
            'relu1': nn.ReLU(inplace=True),
            'pool1': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),

            'conv2': nn.Conv2d(6, 16, 5),
            'relu2': nn.ReLU(inplace=True),
            'pool2': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        }))

        self.classifier = nn.Sequential(OrderedDict({
            'fc1': nn.Linear(16*5*5, 120),
            'relu3': nn.ReLU(),

            'fc2': nn.Linear(120, 84),
            'relu4': nn.ReLU(inplace=True),

            'fc3': nn.Linear(84, classes),
        }))

    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = x.view(x.size()[0], -1)
        x = self.classifier(x)
        return x

与原来不同的地方就是，构建了一个OrderedDict字典来存放键值对，key就是每一层网络的名字，value就是具体的网络层实现，看一下此时的module属性内部：

这样就很好寻找所需要的某一层网络。

综上，Sequential的特点：

1. 顺序性：各网络层之间严格按照顺序构建。
2. 自带forward()：通过for循环依次执行前向传播运算。

2.nn.ModuleList

也是nn.module的容器，用于包装一组网络层，以迭代方式调用网络层。

主要方法：

1. append()：在ModuleList后面添加网络层
2. extend()：拼接两个ModuleList
3. insert()：指定在ModuleList中位置插入网络层

这种容器比较适合构建大量重复的网络层，因为利用了迭代的方法，下面就是构建20个线性层的例子

class ModuleList(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleList, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(20)])

    def forward(self, x):
        for i, linear in enumerate(self.linears):
            x = linear(x)
        return x

3.nn.ModuleDict()

也是nn.module的容器，用于包装一组网络层，以索引方式调用网络层。

主要方法：

1. clear()：清空ModuleDict
2. items()：返回可迭代的键值对
3. keys()：返回字典的键
4. values()：返回字典的值
5. pop()：返回一对键值，并从字典中删除

这种容器的特点是，因为键值对可以索引的特性，可用于选择网络层：

class ModuleDict(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleDict, self).__init__()
        self.choices = nn.ModuleDict({
            'conv': nn.Conv2d(10, 10, 3),
            'pool': nn.MaxPool2d(3)
        })

        self.activations = nn.ModuleDict({
            'relu': nn.ReLU(),
            'prelu': nn.PReLU()
        })

    def forward(self, x, choice, act):
        x = self.choices[choice](x)
        x = self.activations[act](x)
        return x


net = ModuleDict()

fake_img = torch.randn((4, 10, 32, 32))

output = net(fake_img, 'conv', 'relu')

print(output)

我们构建了conv、pool以及relu、prelu，然后我们选择使用conv和relu。

4.总结

对于上述提及的三种容器，它们各自的特点以及适用范围如下所示：

1. nn.Sequential：顺序性，各层之间按顺序执行，常用于block的构建。
2. nn.ModuleList：迭代性，常用于大量重复网络层的构建，通过for循环实现重复构建。
3. nn.ModuleDict：索引性，常用于可选择的网络层的构建，通过字典的键值对实现选择。