《动手学深度学习 Pytorch版》 5.1 层和块

层：

• 接收一组输入
• 生成相应输出
• 由一组可调整参数描述

块：

• 可以描述单个层、由多个层组成的组件或整个模型本身
• 讨论“比单个层大”但是“比整个模型小”的组件“块”更有价值
• 从编程的角度看，块由类表示
• 块必须具有反向传播函数

# 以前章多层感知机的代码为例

import torch
from torch import nn
from torch.nn import functional as F  # functional中有一些没有参数的函数

net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 256),
                    nn.ReLU(),
                    nn.Linear(256, 10))

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

tensor([[-0.0483,  0.1510, -0.1159,  0.0637,  0.0996, -0.1699,  0.1072, -0.0492,
         -0.1295, -0.2415],
        [-0.1151,  0.1059, -0.1224,  0.0256, -0.0237, -0.1785,  0.0105, -0.1170,
         -0.1108, -0.1422]], grad_fn=<AddmmBackward0>)

其中 nn.Sequential 即为 PyTorch 中表示一个块的类。通过实例化 nn.Sequential 来构建模型，层作为参数传入。

使用 net(X) 调用模型实际上是 net(X).__call__(X) 的简写。此前向传播函数将每个块连接在一起，将每个块的输出作为下一个块的输入。

5.1.1 自定义块

块必须提供的基本功能：

• 将输入数据作为其前向传播函数的参数
• 通过前向传播函数来生成输出。
• 计算其输出关于输入的梯度，可通过其反向传播函数进行访问。
• 存储和访问前向传播计算所需要的参数。
• 根据需要初始化模型参数

class MLP(nn.Module):  # 自定义模型须继承基类
    def __init__(self):
        super().__init__()  # 使用父类的构造函数进行初始化
        self.hidden = nn.Linear(20, 256)  # 隐藏层
        self.out = nn.Linear(256, 10)  # 输出层

    def forward(self, X):  # 定义模型的前向传播
        return self.out(F.relu(self.hidden(X)))  # F.relu仅为函数调用，区别于nn.ReLU为实例化ReLU类

net = MLP()
X, net(X)

(tensor([[0.8223, 0.2317, 0.2167, 0.2294, 0.8206, 0.0267, 0.6652, 0.5543, 0.9675,
          0.8493, 0.1979, 0.8684, 0.9007, 0.8543, 0.9402, 0.3485, 0.4197, 0.6307,
          0.0776, 0.8749],
         [0.6078, 0.8124, 0.1102, 0.8815, 0.4162, 0.4978, 0.5868, 0.6088, 0.7090,
          0.8099, 0.9512, 0.0493, 0.8988, 0.7997, 0.7061, 0.0673, 0.6092, 0.3032,
          0.4287, 0.6183]]),
 tensor([[ 0.2697, -0.2452, -0.2702,  0.1155,  0.0762, -0.2333, -0.1353,  0.1700,
           0.1048,  0.0197],
         [ 0.3513, -0.3166, -0.2621,  0.1910,  0.1542, -0.0595, -0.0876,  0.1494,
           0.1625,  0.0250]], grad_fn=<AddmmBackward0>))

5.1.2 顺序块

实现一下简化的 MySequential，只需要定义两个关键函数：

• 将块逐个追加到列表中的函数
• 前向传播函数

class MySequential(nn.Module):
    def __init__(self, *args):
        super().__init__()
        for idx, module in enumerate(args):  # enumerate()函数将一个可遍历的数据对象组合为一个索引序列，同时列出数据和数据下标。
            self._modules[str(idx)] = module  # 逐个加入_modules字典

    def forward(self, X):
        for block in self._modules.values():
            X = block(X)
        return X

net = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
net(X)

tensor([[ 0.1703, -0.1589,  0.1464,  0.0128,  0.1446,  0.0349,  0.2976,  0.0873,
          0.0138,  0.1869],
        [ 0.1007, -0.2184,  0.1443, -0.0698,  0.0846,  0.0186,  0.2745,  0.1464,
         -0.1429,  0.1786]], grad_fn=<AddmmBackward0>)

5.1.3 在前向传播函数中执行代码

class FixedHiddenMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.rand_weight = torch.rand((20, 20), requires_grad=False)  # 此随机权重参数不是模型参数，不计算梯度，在训练期间保持不变
        self.linear = nn.Linear(20, 20)

    def forward(self, X):
        X = self.linear(X)
        X = F.relu(torch.mm(X, self.rand_weight) + 1)
        X = self.linear(X)  # 复用全连接层，相当于两个全连接层共享参数
        # 控制流
        while X.abs().sum() > 1:  # 当L1范数大于1时将输出向量除以2（无实际意义，仅作演示，简而言之，爱咋咋地）
            X /= 2
        return X.sum()

net = FixedHiddenMLP()
net(X)

tensor(0.0186, grad_fn=<SumBackward0>)

以下示例混合使用前述各组合块。简而言之，自定义模块需要干两件事情：

• 在 __int__中定义好需要的层
• 在 forward 中定义好前向传播的操作

class NestMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 64), nn.ReLU(),
                                 nn.Linear(64, 32), nn.ReLU())
        self.linear = nn.Linear(32, 16)

    def forward(self, X):
        return self.linear(self.net(X))

chimera = nn.Sequential(NestMLP(), nn.Linear(16, 20), FixedHiddenMLP())
chimera(X)

tensor(0.1851, grad_fn=<SumBackward0>)

5.1.4 效率

由于 Python 中GIL锁的限制，我们担心GPU需要迁就于CPU的速度。

练习

（1）如果将 MySequential 中存储块的方式更改为 Python 列表，会出现什么样的问题？

由下述示例可见，使用列表也不影响使用。

但相较于存储模型的默认位置 _modules，在自定义的位置 modules 放各层相当于没有“注册”，不能直接使用默认的ToString去 print 模型结构则

class MySequential(nn.Module):
    def __init__(self, *args):
        super().__init__()
        for idx, module in enumerate(args):
            self._modules[str(idx)] = module

    def forward(self, X):
        for block in self._modules.values():
            X = block(X)
        return X
    
class MySequential2(nn.Module):
    def __init__(self, *args):
        super().__init__()
        self.modules = list(args)  #直接使用列表

    def forward(self, X):
        for block in self._modules.values():
            X = block(X)
        return X

net = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
net2 = MySequential2(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
print(net), print(net2), net(X), net2(X)

MySequential(
  (0): Linear(in_features=20, out_features=256, bias=True)
  (1): ReLU()
  (2): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)
MySequential2()





(None,
 None,
 tensor([[-0.1234, -0.1815,  0.0898, -0.1077, -0.1857,  0.1911, -0.0182,  0.0517,
          -0.0648, -0.0026],
         [-0.1889, -0.0274,  0.0809, -0.1412, -0.1933,  0.1627,  0.0667,  0.0802,
           0.0877, -0.1025]], grad_fn=<AddmmBackward0>),
 tensor([[0.8223, 0.2317, 0.2167, 0.2294, 0.8206, 0.0267, 0.6652, 0.5543, 0.9675,
          0.8493, 0.1979, 0.8684, 0.9007, 0.8543, 0.9402, 0.3485, 0.4197, 0.6307,
          0.0776, 0.8749],
         [0.6078, 0.8124, 0.1102, 0.8815, 0.4162, 0.4978, 0.5868, 0.6088, 0.7090,
          0.8099, 0.9512, 0.0493, 0.8988, 0.7997, 0.7061, 0.0673, 0.6092, 0.3032,
          0.4287, 0.6183]]))

---

（2）实现一个块，他以两个块为参数，例如 net1 和 net2，并返回前向传播中两个网络的串联输出。这也被称为平行块。

net3 = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 64))
net4 = MySequential(nn.Linear(64, 32), nn.ReLU(), nn.Linear(32, 10))

class MySequential2(nn.Module):
    def __init__(self, net1, net2):
        super().__init__()
        self.net1 = net1
        self.net2 = net2

    def forward(self, X):
        return self.net2(self.net1(X))
    
net5 = MySequential2(net3, net4)
net5(X)

tensor([[ 0.1421, -0.0433,  0.0998, -0.0017, -0.2430, -0.0957,  0.0042, -0.0263,
         -0.0330,  0.2241],
        [ 0.1457, -0.0369,  0.0850, -0.0112, -0.2209, -0.0903,  0.0021, -0.0414,
         -0.0438,  0.2144]], grad_fn=<AddmmBackward0>)

---

（3）假设我们想要连接同一网络的多个实例。实现一个函数，该函数生成同一个块的多个实例，并在此基础上构建更大的网络。

层数怎么做到匹配？

强行匹配没意义哇。