Autograd
实现 autograd 有两种典型的方式,一种是通过 如Theano的符号微分 (symbolic differentiation)或通过 如Pytorch的反向微分 (reverse differentialtion)。SINGA 遵循 Pytorch 方式,即通过记录计算图,并在正 向传播后自动应用反向传播。自动传播算法的详细解释请参 阅这里。我们接下来对 SINGA 中的相关模块进行解释,并举例说明其使用方法。
相关模块
在 autograd 中涉及三个类,分别
是singa.tensor.Tensor
,singa.autograd.Operation
和singa.autograd.Layer
。在
本篇的后续部分中,我们使用 Tensor、Operation 和 Layer 来指代这三个类。
Tensor
Tensor 的三个属性被 autograd 使用:
.creator
是一个Operation
实例。它记录了产生 Tensor 实例的这个操作。.request_grad
是一个布尔变量。它用于指示 autograd 算法是否需要计算张量的梯度 。例如,在反向传播的过程中,线性层的权重矩阵和卷积层(非底层)的特征图的张量梯 度应该被计算。.store_grad
是一个布尔变量。它用于指示张量的梯度是否应该被存储并由后向函数输 出。例如,特征图的梯度是在反向传播过程中计算出来的,但不包括在反向函数的输出中 。
开发者可以改变 Tensor 实例的requires_grad
和stores_grad
。例如,如果将后者设置
为 True,那么相应的梯度就会被包含在后向函数的输出。需要注意的是,如
果stores_grad
是 True,那么 requires_grad
一定是真,反之亦然。
Operation
它将一个或多个Tensor
实例作为输入,然后输出一个或多个Tensor
实例。例如,ReLU
可以作为一个具体的 Operation 子类来实现。当一个Operation
实例被调用时(实例化后
),会执行以下两个步骤。
1.记录源操作,即输入张量的创建者
。 2.通过调用成员函数.forward()
进行计算。
有两个成员函数用于前向和反向传播,即.forward()
和.backward()
。它们
以Tensor.data
作为输入(类型为CTensor
),并输出Ctensor
s。要添加一个特定的操
作,子类Operation
应该实现自己的.forward()
和.backward()
函数。在后向传播过程
中,autograd 的backward()
函数会自动调用backward()
函数来计算输入的梯度(根
据require_grad
字段的参数和约束)。
Layer
对于那些需要参数的 Operation,我们把它们封装成一个新的类,Layer
。例如,卷积操
作被封装到卷积层(Convolution layer)中。层
管理(存储)参数,并调用相应
的Operation
来实现变换。
样例
在example folder中 提供了很多样例。在这里我我们分析两个最具代表性的例子。
只使用 Operation
下一段代码展示了一个只使用Operation
的多层感知机(MLP)模型:
调用依赖包
from singa.tensor import Tensor
from singa import autograd
from singa import opt
创建权重矩阵和偏置向量
在将requires_grad
和stores_grad
都设置为True
的情况下,创建参数张量。
w0 = Tensor(shape=(2, 3), requires_grad=True, stores_grad=True)
w0.gaussian(0.0, 0.1)
b0 = Tensor(shape=(1, 3), requires_grad=True, stores_grad=True)
b0.set_value(0.0)
w1 = Tensor(shape=(3, 2), requires_grad=True, stores_grad=True)
w1.gaussian(0.0, 0.1)
b1 = Tensor(shape=(1, 2), requires_grad=True, stores_grad=True)
b1.set_value(0.0)
训练
inputs = Tensor(data=data) # data matrix
target = Tensor(data=label) # label vector
autograd.training = True # for training
sgd = opt.SGD(0.05) # optimizer
for i in range(10):
x = autograd.matmul(inputs, w0) # matrix multiplication
x = autograd.add_bias(x, b0) # add the bias vector
x = autograd.relu(x) # ReLU activation operation
x = autograd.matmul(x, w1)
x = autograd.add_bias(x, b1)
loss = autograd.softmax_cross_entropy(x, target)
for p, g in autograd.backward(loss):
sgd.update(p, g)
使用 Operation 和 Layer
下面 的例子使 用 autograd 模块提供的层实现了一个 CNN 模型。
创建层
conv1 = autograd.Conv2d(1, 32, 3, padding=1, bias=False)
bn1 = autograd.BatchNorm2d(32)
pooling1 = autograd.MaxPool2d(3, 1, padding=1)
conv21 = autograd.Conv2d(32, 16, 3, padding=1)
conv22 = autograd.Conv2d(32, 16, 3, padding=1)
bn2 = autograd.BatchNorm2d(32)
linear = autograd.Linear(32 * 28 * 28, 10)
pooling2 = autograd.AvgPool2d(3, 1, padding=1)
定义正向传播函数
在正向传播中的 operations 会被自动记录,用于反向传播。
def forward(x, t):
# x is the input data (a batch of images)
# t is the label vector (a batch of integers)
y = conv1(x) # Conv layer
y = autograd.relu(y) # ReLU operation
y = bn1(y) # BN layer
y = pooling1(y) # Pooling Layer
# two parallel convolution layers
y1 = conv21(y)
y2 = conv22(y)
y = autograd.cat((y1, y2), 1) # cat operation
y = autograd.relu(y) # ReLU operation
y = bn2(y)
y = pooling2(y)
y = autograd.flatten(y) # flatten operation
y = linear(y) # Linear layer
loss = autograd.softmax_cross_entropy(y, t) # operation
return loss, y
训练
autograd.training = True
for epoch in range(epochs):
for i in range(batch_number):
inputs = tensor.Tensor(device=dev, data=x_train[
i * batch_sz:(1 + i) * batch_sz], stores_grad=False)
targets = tensor.Tensor(device=dev, data=y_train[
i * batch_sz:(1 + i) * batch_sz], requires_grad=False, stores_grad=False)
loss, y = forward(inputs, targets) # forward the net
for p, gp in autograd.backward(loss): # auto backward
sgd.update(p, gp)
Using the Model API
下面 的样例使 用Model API实现了一个 CNN 模型。.
定义 Model 的子类
定义模型类,它应该是 Model 的子类。只有这样,在训练阶段使用的所有操作才会形成一 个计算图以便进行分析。图中的操作将被按时序规划并有效执行,模型类中也可以包含层。
class MLP(model.Model): # the model is a subclass of Model
def __init__(self, data_size=10, perceptron_size=100, num_classes=10):
super(MLP, self).__init__()
# init the operators, layers and other objects
self.relu = layer.ReLU()
self.linear1 = layer.Linear(perceptron_size)
self.linear2 = layer.Linear(num_classes)
self.softmax_cross_entropy = layer.SoftMaxCrossEntropy()
def forward(self, inputs): # define the forward function
y = self.linear1(inputs)
y = self.relu(y)
y = self.linear2(y)
return y
def train_one_batch(self, x, y):
out = self.forward(x)
loss = self.softmax_cross_entropy(out, y)
self.optimizer(loss)
return out, loss
def set_optimizer(self, optimizer): # attach an optimizer
self.optimizer = optimizer
训练
# create a model instance
model = MLP()
# initialize optimizer and attach it to the model
sgd = opt.SGD(lr=0.005, momentum=0.9, weight_decay=1e-5)
model.set_optimizer(sgd)
# input and target placeholders for the model
tx = tensor.Tensor((batch_size, 1, IMG_SIZE, IMG_SIZE), dev, tensor.float32)
ty = tensor.Tensor((batch_size, num_classes), dev, tensor.int32)
# compile the model before training
model.compile([tx], is_train=True, use_graph=True, sequential=False)
# train the model iteratively
for b in range(num_train_batch):
# generate the next mini-batch
x, y = ...
# Copy the data into input tensors
tx.copy_from_numpy(x)
ty.copy_from_numpy(y)
# Training with one batch
out, loss = model(tx, ty)
保存模型 checkpoint
# define the path to save the checkpoint
checkpointpath="checkpoint.zip"
# save a checkpoint
model.save_states(fpath=checkpointpath)
加载模型 checkpoint
# define the path to load the checkpoint
checkpointpath="checkpoint.zip"
# load a checkpoint
import os
if os.path.exists(checkpointpath):
model.load_states(fpath=checkpointpath)
Python API
关于 Python API 的更多细节,请参 考这里。