Cell

Ascend GPU CPU 入门

概述

MindSpore的Cell类是构建所有网络的基类，也是网络的基本单元。当用户需要自定义网络时，需要继承Cell类，并重写__init__方法和construct方法。

损失函数、优化器和模型层等本质上也属于网络结构，也需要继承Cell类才能实现功能，同样用户也可以根据业务需求自定义这部分内容。

本节内容介绍Cell类的关键成员函数，“网络构建”中将介绍基于Cell实现的MindSpore内置损失函数、优化器和模型层及使用方法，以及通过实例介绍如何利用Cell类构建自定义网络。

关键成员函数

construct方法

Cell类重写了__call__方法，在Cell类的实例被调用时，会执行construct方法。网络结构在construct方法里面定义。

下面的样例中，我们构建了一个简单的网络实现卷积计算功能。构成网络的算子在__init__中定义，在construct方法里面使用，用例的网络结构为Conv2d -> BiasAdd。

在construct方法中，x为输入数据，output是经过网络结构计算后得到的计算结果。

[1]:

import mindspore.nn as nn
import mindspore.ops as ops
from mindspore import Parameter
from mindspore.common.initializer import initializer

class Net(nn.Cell):
    def __init__(self, in_channels=10, out_channels=20, kernel_size=3):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv2d = ops.Conv2D(out_channels, kernel_size)
        self.bias_add = ops.BiasAdd()
        self.weight = Parameter(
            initializer('normal', [out_channels, in_channels, kernel_size, kernel_size]),
            name='conv.weight')
        self.bias = Parameter(initializer('normal', [out_channels]), name='conv.bias')

    def construct(self, x):
        output = self.conv2d(x, self.weight)
        output = self.bias_add(output, self.bias)
        return output

parameters_dict

parameters_dict方法识别出网络结构中所有的参数，返回一个以key为参数名，value为参数值的OrderedDict。

Cell类中返回参数的方法还有许多，例如get_parameters、trainable_params等，具体使用方法可以参见API文档。

代码样例如下：

[2]:

net = Net()
result = net.parameters_dict()
print(result.keys())
print(result['conv.weight'])

odict_keys(['conv.weight', 'conv.bias'])
Parameter (name=conv.weight, shape=(20, 10, 3, 3), dtype=Float32, requires_grad=True)

样例中的Net采用上文构造网络的用例，打印了网络中所有参数的名字和weight参数的结果。

cells_and_names

cells_and_names方法是一个迭代器，返回网络中每个Cell的名字和它的内容本身。

用例简单实现了获取与打印每个Cell名字的功能，其中根据网络结构可知，存在1个Cell为nn.Conv2d。

其中nn.Conv2d是MindSpore以Cell为基类封装好的一个卷积层，其具体内容将在“模型层”中进行介绍。

代码样例如下：

[3]:

import mindspore.nn as nn

class Net1(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(Net1, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(3, 64, 3, has_bias=False, weight_init='normal')

    def construct(self, x):
        out = self.conv(x)
        return out

net = Net1()
names = []
for m in net.cells_and_names():
    print(m)
    names.append(m[0]) if m[0] else None
print('-------names-------')
print(names)

('', Net1<
  (conv): Conv2d<input_channels=3, output_channels=64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), pad_mode=same, padding=0, dilation=(1, 1), group=1, has_bias=False, weight_init=normal, bias_init=zeros, format=NCHW>
  >)
('conv', Conv2d<input_channels=3, output_channels=64, kernel_size=(3, 3), stride=(1, 1), pad_mode=same, padding=0, dilation=(1, 1), group=1, has_bias=False, weight_init=normal, bias_init=zeros, format=NCHW>)
-------names-------
['conv']

set_grad

set_grad用于指定网络是否需要计算反向。在不传入参数调用时，默认设置requires_grad为True，在执行前向网络时将会构建用于计算梯度的反向网络。

以TrainOneStepCell为例，其接口功能是使网络进行单步训练，需要计算网络反向，因此初始化方法里需要使用set_grad。

TrainOneStepCell部分代码如下：

class TrainOneStepCell(Cell):
    def __init__(self, network, optimizer, sens=1.0):
        super(TrainOneStepCell, self).__init__(auto_prefix=False)
        self.network = network
        self.network.set_grad()
        ......

如果用户使用TrainOneStepCell、GradOperation等类似接口，无需使用set_grad，内部已封装实现。

若用户需要自定义此类训练功能的接口，需要在其内部调用，或者在外部设置network.set_grad。

set_train

set_train接口递归地配置了当前Cell和所有子Cell的training属性，在不传入参数调用时，默认设置的training属性为True。

在实现训练和推理结构不同的网络时可以通过training属性区分训练和推理场景，在网络运行时结合set_train可以切换网络的执行逻辑。

例如nn.Dropout部分代码如下：

class Dropout(Cell):
    def __init__(self, keep_prob=0.5, dtype=mstype.float32):
        """Initialize Dropout."""
        super(Dropout, self).__init__()
        self.dropout = ops.Dropout(keep_prob, seed0, seed1)
        ......

    def construct(self, x):
        if not self.training:
            return x

        if self.keep_prob == 1:
            return x

        out, _ = self.dropout(x)
        return out

nn.Dropout中根据Cell的training属性区分了两种执行逻辑，training为False时直接返回输入，training为True时执行Dropout算子。因此在定义网络时需要根据训练和推理场景设置网络的执行模式，以nn.Dropout为例：

[ ]:

import mindspore.nn as nn
net = nn.Dropout()
# 执行训练
net.set_train()
# 执行推理
net.set_train(False)

to_float

to_float接口递归地在配置了当前Cell和所有子Cell的强制转换类型，以使当前网络结构以使用特定的float类型运行。通常在混合精度场景使用。

to_float与混合精度详见https://www.mindspore.cn/docs/programming_guide/zh-CN/r1.6/enable_mixed_precision.html。

nn模块与ops模块的关系

MindSpore的nn模块是Python实现的模型组件，是对低阶API的封装，主要包括各种模型层、损失函数、优化器等。

同时nn也提供了部分与Primitive算子同名的接口，主要作用是对Primitive算子进行进一步封装，为用户提供更友好的API。

重新分析上文介绍construct方法的用例，此用例是MindSpore的nn.Conv2d源码简化内容，内部会调用ops.Conv2D。nn.Conv2d卷积API增加输入参数校验功能并判断是否bias等，是一个高级封装的模型层。

[4]:

import mindspore.nn as nn

class Net(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(10, 20, 3, has_bias=True, weight_init='normal')

    def construct(self, x):
        out = self.conv(x)
        return out