从头学pytorch:模型参数访问/初始化/共享

Posted 2020-11-24 sdu20112013

模型参数的访问初始化和共享

参数访问

参数访问:通过下述两个方法．这两个方法是在nn.Module类中实现的.继承自该类的子类也有相同方法.

• .parameters()
• .named_parameters()

import torch
from torch import nn
from torch.nn import init

net = nn.Sequential(nn.Linear(4, 3), nn.ReLU(), nn.Linear(3, 1))  # pytorch已进行默认初始化

print(type(net.named_parameters()))
for name, param in net.named_parameters():
    print(name, param.size())

输出

<class 'generator'>
0.weight torch.Size([3, 4])
0.bias torch.Size([3])
2.weight torch.Size([1, 3])
2.bias torch.Size([1])

可见返回的名字自动加上了层数的索引作为前缀。
我们再来访问net中单层的参数。对于使用Sequential类构造的神经网络，我们可以通过方括号[]来访问网络的任一层。索引0表示隐藏层为Sequential实例最先添加的层。

for name, param in net[0].named_parameters():
    print(name, param.size(), type(param))

输出：

weight torch.Size([3, 4]) <class 'torch.nn.parameter.Parameter'>
bias torch.Size([3]) <class 'torch.nn.parameter.Parameter'>

因为这里是单层的所以没有了层数索引的前缀。另外返回的param的类型为torch.nn.parameter.Parameter，其实这是Tensor的子类，和Tensor不同的是如果一个Tensor是Parameter，那么它会自动被添加到模型的参数列表里，来看下面这个例子。

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(MyModel, self).__init__(**kwargs)
        self.weight1 = nn.Parameter(torch.rand(20, 20))
        self.weight2 = torch.rand(20, 20)
    def forward(self, x):
        pass
    
n = MyModel()
for name, param in n.named_parameters():
    print(name)

输出:

weight1

上面的代码中weight1在参数列表中但是weight2却没在参数列表中。

因为Parameter是Tensor，即Tensor拥有的属性它都有，比如可以根据data来访问参数数值，用grad来访问参数梯度。

weight_0 = list(net[0].parameters())[0]
print(weight_0.data)
print(weight_0.grad) # 反向传播前梯度为None
Y.backward()
print(weight_0.grad)

输出：

tensor([[ 0.2719, -0.0898, -0.2462,  0.0655],
        [-0.4669, -0.2703,  0.3230,  0.2067],
        [-0.2708,  0.1171, -0.0995,  0.3913]])
None
tensor([[-0.2281, -0.0653, -0.1646, -0.2569],
        [-0.1916, -0.0549, -0.1382, -0.2158],
        [ 0.0000,  0.0000,  0.0000,  0.0000]])

参数初始化

通常对各种layer,pytorch已经实现好了默认的比较合理的初始化方式,不需要我们操心.（不同类型的layer具体采样的哪一种初始化方法的可参考源代码）。

如果要自己初始化权重,则遍历net的所有参数,对其执行相应的初始化策略.例如在下面的例子中，我们将权重参数初始化成均值为0、标准差为0.01的正态分布随机数，并依然将偏差参数清零。

for name, param in net.named_parameters():
    if 'weight' in name:
        init.normal_(param, mean=0, std=0.01)
        print(name, param.data)
    elif 'bias' in name:
        init.constant_(param,0)
        print(name, param.data)

上面使用了torch.nn.init中自带的初始化方法,也可以自己实现一个满足自己需求的初始化方法.
我们先来看看PyTorch是怎么实现这些初始化方法的，例如torch.nn.init.normal_：

def normal_(tensor, mean=0, std=1):
    with torch.no_grad():
        return tensor.normal_(mean, std)

可以看到这就是一个inplace改变Tensor值的函数，而且这个过程是不记录梯度的。
类似的我们来实现一个自定义的初始化方法。在下面的例子里，我们令权重有一半概率初始化为0，有另一半概率初始化为([-10,-5])和([5,10])两个区间里均匀分布的随机数。

def init_weight_(tensor):
    with torch.no_grad():
        tensor.uniform_(-10, 10)
        tensor *= (tensor.abs() >= 5).float()

for name, param in net.named_parameters():
    if 'weight' in name:
        init_weight_(param)
        print(name, param.data)

由于在init_weight_()中,改变这些param时,声明了torch.no_grad(),所以我们还可以通过改变这些参数的data来改写模型参数值同时不会影响梯度:

for name, param in net.named_parameters():
    if 'bias' in name:
        param.data += 1
        print(name, param.data)

输出：

0.bias tensor([1., 1., 1.])
2.bias tensor([1.])

参数共享

在有些情况下，我们希望在多个层之间共享模型参数。以前的博文提到了如何共享模型参数: Module类的forward函数里多次调用同一个层。此外，如果我们传入Sequential的模块是同一个Module实例的话参数也是共享的，下面来看一个例子:

linear = nn.Linear(1, 1, bias=False)
net = nn.Sequential(linear, linear) 
print(net)
for name, param in net.named_parameters():
    init.constant_(param, val=3)
    print(name, param.data)

输出：

Sequential(
  (0): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=False)
  (1): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=False)
)
0.weight tensor([[3.]])

因为在内存中，这两个线性层其实一个对象:

print(id(net[0]) == id(net[1]))
print(id(net[0].weight) == id(net[1].weight))

输出:

True
True

因为模型参数里包含了梯度，所以在反向传播计算时，这些共享的参数的梯度是累加的:

x = torch.ones(1, 1)
y = net(x).sum()
print(y)
y.backward()
print(net[0].weight.grad) # 单次梯度是3，两次所以就是6

输出:

tensor(9., grad_fn=<SumBackward0>)
tensor([[6.]])

与之比较的是

linear1 = nn.Linear(1, 1, bias=False)
linear2 = nn.Linear(1, 1, bias=False)
net = nn.Sequential(linear1, linear2) 
print(net)
for name, param in net.named_parameters():
    init.constant_(param, val=3)
    print(name, param.data)

x = torch.ones(1, 1)
y = net(x).sum()
print(y)
y.backward()
print(net[0].weight.grad) 

输出

Sequential(
  (0): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=False)
  (1): Linear(in_features=1, out_features=1, bias=False)
)
0.weight tensor([[3.]])
1.weight tensor([[3.]])

tensor(9., grad_fn=<SumBackward0>)
tensor([[3.]])

可以看到,这里linear1和linear2不是同一个对象.所以net的参数是有两个的.反向传播后,net[0].weight.grad是tensor([[3.]])