pytorch PyTorch 1.1.0 源码解析--运行机制

Posted 2020-12-18 leimu

原文来自知乎，现摘录与此

https://zhuanlan.zhihu.com/p/67964081

首先这是一段mnist数据集的基本代码。

class Net(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 20, 5, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(20, 50, 5, 1)
        self.fc1 = nn.Linear(4*4*50, 500)
        self.fc2 = nn.Linear(500, 10)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.conv1(x))
        x = F.max_pool2d(x, 2, 2)
        x = F.relu(self.conv2(x))
        x = F.max_pool2d(x, 2, 2)
        x = x.view(-1, 4*4*50)
        x = F.relu(self.fc1(x))
        x = self.fc2(x)
        return F.log_softmax(x, dim=1)

model = Net()
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-6, momentum=0.5)
train_loader = []

model.train()
optimizer.zero_grad()
output = model(data)
loss = F.nll_loss(output, target)

1.初始化(nn.Module.__init__())
init中主要初始化了很多参数，比如buffers，hook等等。根据Net类的代码，它会依次初始化各个层。nn.Module.__init__()

 def __init__(self):
        self._backend = thnn_backend
        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()
        self.training = True

关于hook: PyTorch 设计了两种 hook：register_forward_hook 和 register_backward_hook，
分别用来获取正/反向传播时，中间层模块输入和输出的 feature/gradient，大大降低了获取模型内部信息流的难度。

register_forward_hook的作用是获取前向传播过程中，各个网络模块的输入和输出。对于模块 module，其使用方式为：module.register_forward_hook(hook_fn) 。
register_backward_hook 的作用是获取神经网络反向传播过程中，各个模块输入端和输出端的梯度值。

2.前向传播真正的计算入口点(nn.Module.__call__())

 def __call__(self, *input, **kwargs):
        for hook in self._forward_pre_hooks.values():
            hook(self, input)
        if torch._C._get_tracing_state():
            result = self._slow_forward(*input, **kwargs)
        else:
            result = self.forward(*input, **kwargs)
        for hook in self._forward_hooks.values():  #在执行到这一条语句之前，计算实际上是没有发生的
            hook_result = hook(self, input, result)
            if hook_result is not None:
                raise RuntimeError(
                    "forward hooks should never return any values, but ‘{}‘"
                    "didn‘t return None".format(hook))
        if len(self._backward_hooks) > 0:
            var = result
            while not isinstance(var, torch.Tensor):
                if isinstance(var, dict):
                    var = next((v for v in var.values() if isinstance(v, torch.Tensor)))
                else:
                    var = var[0]
            grad_fn = var.grad_fn
            if grad_fn is not None:
                for hook in self._backward_hooks.values():
                    wrapper = functools.partial(hook, self)
                    functools.update_wrapper(wrapper, hook)
                    grad_fn.register_hook(wrapper)
        return result

for hook in self._forward_hooks.values(): 在执行到这一条语句之前，计算实际上是没有发生的。这一行会在执行forward之前进行，处理预设的hook。

if torch._C._get_tracing_state():
    result = self._slow_forward(*input, **kwargs)
else:
    result = self.forward(*input, **kwargs)

这个地方实现了在不写C的情况下直接执行forward,有一些自定义操作没有C，会直接调用python的版本。
这一步开始，调用了forward方法，首先会调用Net类的forward方法，然后会以此调用Conv2d的__call__()方法等。
当调用Conv2d()的forward方法，其forward方法写在了torch._C下：

ensor Conv2dImpl::forward(const Tensor& input) {
  if (options.transposed_) {
    return torch::conv_transpose2d(
        input,
        weight,
        bias,
        options.stride_,
        options.padding_,
        options.output_padding_,
        options.groups_,
        options.dilation_);
  }
  return torch::conv2d(
      input,
      weight,
      bias,
      options.stride_,
      options.padding_,
      options.dilation_,
      options.groups_);

然而这依然是一个wrapper，这部分逻辑代码最终由aten/c10定义 https://zhuanlan.zhihu.com/p/55966063
最终计算在：

CPU: legacy::cpu::_thnn_conv2d_forward
CUDA: legacy::cuda::_thnn_conv2d_forward

到这里，一个卷积层的forward操作就结束了，其他层的forward同理。
Conv2d的forward方法执行完成之后接着进行forward_hook和backward_hook的步骤，与之前的forward_pre_hook相似。
到这里，Conv2d的__call__()方法执行完毕，接下来执行relu之类的逻辑，直到return。

调用栈返回Net的forward的返回值，得到loss。

到这里，前向传播完成。

3.反向传播(loss.backward())
loss.backward() 只执行一次，计算完成所有的梯度。

首先，所有的requires_grad为True的张量都会被记录并被添加进Engine::ready_queue_by_index中，这些tensor都会被以FunctionTask的结构体记录在ReadyQueue中。

首先在前向传播的时候，所有requiresgrad==True的对象都会被添加进一个容器中，然后在backward执行之前，首先启动一个处理引擎，在做了初始化和读取相关的记录(包括之前的哪个容器)后调用了run_backward方法，然后统一计算出梯度，并返回loss的梯度。