网络搭建

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基础逻辑

PyTorch和MindSpore的基础逻辑如下图所示:

flowchart

可以看到,PyTorch和MindSpore在实现流程中一般都需要网络定义、正向计算、反向计算、梯度更新等步骤。

  • 网络定义:在网络定义中,一般会定义出需要的前向网络,损失函数和优化器。在Net()中定义前向网络,PyTorch的网络继承nn.Module;类似地,MindSpore的网络继承nn.Cell。在MindSpore中,除了使用MindSpore中提供的损失函数和优化器外,用户还可以使用自定义的优化器。可参考模型模块自定义。可以使用functional/nn等接口拼接需要的前向网络、损失函数和优化器。

  • 正向计算:运行实例化后的网络,可以得到logit,将logit和target作为输入计算loss。需要注意的是,如果正向计算的函数有多个输出,在反向计算时需要注意多个输出对于计算结果的影响。

  • 反向计算:得到loss后,我们可以进行反向计算。在PyTorch中可使用loss.backward()计算梯度,在MindSpore中,先用mindspore.grad()定义出反向传播方程net_backward,再将输入传入net_backward中,即可计算梯度。如果正向计算的函数有多个输出,在反向计算时,可将has_aux设置为True,即可保证只有第一个输出参与求导,其它输出值将直接返回。对于反向计算中接口用法区别详见自动微分对比

  • 梯度更新:将计算后的梯度更新到网络的Parameters中。在PyTorch中使用optim.step();在MindSpore中,将Parameter的梯度传入定义好的optim中,即可完成梯度更新。

网络基本构成单元 Cell

MindSpore的网络搭建主要使用Cell进行图的构造,用户需要定义一个类继承 Cell 这个基类,在 init 里声明需要使用的API及子模块,在 construct 里进行计算, CellGRAPH_MODE (静态图模式)下将编译为一张计算图,在 PYNATIVE_MODE (动态图模式)下作为神经网络的基础模块。

PyTorch 和 MindSpore 基本的 Cell 搭建过程如下所示:

PyTorch MindSpore
import torch.nn as torch_nn

class MyCell_pt(torch_nn.Module):
    def __init__(self, forward_net):
        super(MyCell_pt, self).__init__()
        self.net = forward_net
        self.relu = torch_nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        y = self.net(x)
        return self.relu(y)

inner_net_pt = torch_nn.Conv2d(120, 240, kernel_size=4, bias=False)
pt_net = MyCell_pt(inner_net_pt)
for i in pt_net.parameters():
    print(i.shape)

运行结果:

    torch.Size([240, 120, 4, 4])
import mindspore.nn as nn
import mindspore.ops as ops

class MyCell(nn.Cell):
    def __init__(self, forward_net):
        super(MyCell, self).__init__(auto_prefix=True)
        self.net = forward_net
        self.relu = ops.ReLU()

    def construct(self, x):
        y = self.net(x)
        return self.relu(y)

inner_net = nn.Conv2d(120, 240, 4, has_bias=False)
my_net = MyCell(inner_net)
print(my_net.trainable_params())

运行结果:

[Parameter (name=net.weight, shape=(240, 120, 4, 4), dtype=Float32, requires_grad=True)]

MindSpore中,参数的名字一般是根据__init__定义的对象名字和参数定义时用的名字组成的,比如上面的例子中,卷积的参数名为net.weight,其中 netself.net = forward_net中的对象名,weight是Conv2d中定义卷积的参数时的nameself.weight = Parameter(initializer(self.weight_init, shape), name='weight')

MindSpore的Cell提供了auto_prefix接口用来判断Cell中的参数名是否加对象名这层信息,默认是True,也就是加对象名。如果auto_prefix设置为False,则上面这个例子中打印的Parameternameweight。通常骨干网络auto_prefix应设置为True。用于训练的优化器如 :class:mindspore.nn.TrainOneStepCell ,应设置为False,以避免骨干网络的权重参数名被误改。

单元测试

有了构建Cell的脚本,需要使用相同的输入数据和参数,对输出做比较:

import numpy as np
import mindspore as ms
import torch

x = np.random.uniform(-1, 1, (2, 120, 12, 12)).astype(np.float32)
for m in pt_net.modules():
    if isinstance(m, torch_nn.Conv2d):
        torch_nn.init.constant_(m.weight, 0.1)

for _, cell in my_net.cells_and_names():
    if isinstance(cell, nn.Conv2d):
        cell.weight.set_data(ms.common.initializer.initializer(0.1, cell.weight.shape, cell.weight.dtype))

y_ms = my_net(ms.Tensor(x))
y_pt = pt_net(torch.from_numpy(x))
diff = np.max(np.abs(y_ms.asnumpy() - y_pt.detach().numpy()))
print(diff)

# ValueError: operands could not be broadcast together with shapes (2,240,12,12) (2,240,9,9)

可以发现MindSpore和PyTorch的输出不一样,什么原因呢?

查询API差异文档发现,Conv2d的默认参数在MindSpore和PyTorch上有区别, MindSpore默认使用same模式,PyTorch默认使用pad模式,迁移时需要改一下MindSpore Conv2dpad_mode

import numpy as np
import mindspore as ms
import torch

inner_net = nn.Conv2d(120, 240, 4, has_bias=False, pad_mode="pad")
my_net = MyCell(inner_net)

# 构造随机输入
x = np.random.uniform(-1, 1, (2, 120, 12, 12)).astype(np.float32)
for m in pt_net.modules():
    if isinstance(m, torch_nn.Conv2d):
        # 固定PyTorch初始化参数
        torch_nn.init.constant_(m.weight, 0.1)

for _, cell in my_net.cells_and_names():
    if isinstance(cell, nn.Conv2d):
        # 固定MindSpore初始化参数
        cell.weight.set_data(ms.common.initializer.initializer(0.1, cell.weight.shape, cell.weight.dtype))

y_ms = my_net(ms.Tensor(x))
y_pt = pt_net(torch.from_numpy(x))
diff = np.max(np.abs(y_ms.asnumpy() - y_pt.detach().numpy()))
print(diff)

运行结果:

2.9355288e-06

整体误差在万分之一左右,基本符合预期。在迁移Cell的过程中最好对每个Cell都做一次单元测试,保证迁移的一致性。

Cell常用的方法介绍

Cell是MindSpore中神经网络的基本构成单元,提供了很多好用的方法,下面来介绍一些常用的方法。

手动混合精度

MindSpore提供了一种自动混合精度的方法,详见Model的amp_level属性。

但是有的时候开发网络时希望混合精度策略更加的灵活,MindSpore也提供了to_float的方法手动地添加混合精度。

to_float(dst_type): 在Cell和所有子Cell的输入上添加类型转换,以使用特定的浮点类型运行。

如果 dst_typems.float16Cell的所有输入(包括作为常量的input, ParameterTensor)都会被转换为float16

自定义的to_float和Model里的amp_level冲突,使用自定义的混合精度就不要设置Model里的amp_level

torch.nn.Moduleto 接口可以实现类似功能。

PyTorch和MindSpore中,将一个网络里所有的BN和loss改成float32类型,其余操作是float16类型,可以这么做:

PyTorch 设置模型数据类型 MindSpore 设置模型数据类型
import torch
import torch.nn as nn

class Network(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Network, self).__init__()
        self.layer1 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 12, kernel_size=3, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(12),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        )
        self.layer2 = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(12, 4, kernel_size=3, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(4),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        )
        self.pool = nn.AdaptiveMaxPool2d((5, 5))
        self.fc = nn.Linear(100, 10)

    def forward(self, x):
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.pool(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        out = self.fc(x)
        return out

net = Network()
net = net.to(torch.float32)
for name, module in net.named_modules():
    if isinstance(module, (nn.BatchNorm1d, nn.BatchNorm2d, nn.BatchNorm3d)):
        module.to(torch.float32)
loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='mean')
loss = loss.to(torch.float32)
import mindspore as ms
from mindspore import nn

# 定义模型
class Network(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.layer1 = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(3, 12, kernel_size=3, pad_mode='pad', padding=1),
            nn.BatchNorm2d(12),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        ])
        self.layer2 = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(12, 4, kernel_size=3, pad_mode='pad', padding=1),
            nn.BatchNorm2d(4),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        ])
        self.pool = nn.AdaptiveMaxPool2d((5, 5))
        self.fc = nn.Dense(100, 10)

    def construct(self, x):
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.pool(x)
        x = x.view((-1, 100))
        out = nn.Dense(x)
        return out

net = Network()
net.to_float(ms.float16)  # 将net里所有的操作加float16的标志,框架会在编译时在输入加cast方法
for _, cell in net.cells_and_names():
    if isinstance(cell, (nn.BatchNorm1d, nn.BatchNorm2d, nn.BatchNorm3d)):
        cell.to_float(ms.float32)

loss = nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction='mean').to_float(ms.float32)
net_with_loss = nn.WithLossCell(net, loss_fn=loss)

Parameter管理

在 PyTorch 中,可以存储数据的对象总共有四种,分别时TensorVariableParameterBuffer。这四种对象的默认行为均不相同,当用户不需要求梯度时,通常使用 TensorBuffer两类数据对象,当用户需要求梯度时,通常使用 VariableParameter 两类对象。PyTorch 在设计这四种数据对象时,功能上存在冗余(Variable 后续会被废弃也说明了这一点)。

MindSpore 优化了数据对象的设计逻辑,仅保留了两种数据对象:TensorParameter,其中 Tensor 对象仅参与运算,并不需要对其进行梯度求导和Parameter更新,而 Parameter 数据对象和 PyTorch 的 Parameter 意义相同,会根据其属性requires_grad 来决定是否对其进行梯度求导和Parameter更新。在网络迁移时,只要是在PyTorch中未进行Parameter更新的数据对象,均可在MindSpore中声明为 Tensor

Parameter获取

mindspore.nn.Cell 使用 parameters_dictget_parameterstrainable_params 接口获取 Cell 中的 Parameter

  • parameters_dict:获取网络结构中所有Parameter,返回一个以key为Parameter名,value为Parameter值的OrderedDict

  • get_parameters:获取网络结构中的所有Parameter,返回CellParameter的迭代器。

  • trainable_params:获取Parameterrequires_gradTrue的属性,返回可训Parameter的列表。

在定义优化器时,使用net.trainable_params()获取需要进行Parameter更新的Parameter列表。

torch.nn.Module 使用 get_parameternamed_parametersparameters 等接口获取 Module 中的 Parameter

PyTorch MindSpore
import torch.nn as nn

net = nn.Linear(2, 1)

for name, param in net.named_parameters():
    print("Parameter Name:", name)

for name, param in net.named_parameters():
    if "bias" in name:
        param.requires_grad = False

for name, param in net.named_parameters():
    if param.requires_grad:
        print("Parameter Name:", name)

运行结果:

Parameter Name: weight
Parameter Name: bias
Parameter Name: weight
import mindspore.nn as nn

net = nn.Dense(2, 1, has_bias=True)
print(net.trainable_params())

for param in net.trainable_params():
    param_name = param.name
    if "bias" in param_name:
        param.requires_grad = False
print(net.trainable_params())

运行结果:

[Parameter (name=weight, shape=(1, 2), dtype=Float32, requires_grad=True), Parameter (name=bias, shape=(1,), dtype=Float32, requires_grad=True)]
[Parameter (name=weight, shape=(1, 2), dtype=Float32, requires_grad=True)]

梯度冻结

除了使用给Parameter设置requires_grad=False来不更新Parameter外,还可以使用stop_gradient来阻断梯度计算以达到冻结Parameter的作用。那什么时候使用requires_grad=False,什么时候使用stop_gradient呢?

parameter-freeze

如上图所示,requires_grad=False不更新部分Parameter,但是反向的梯度计算还是正常执行的; stop_gradient会直接截断反向梯度,当冻结的Parameter之前没有需要训练的Parameter时,两者在功能上是等价的。 但是stop_gradient会更快(少执行了一部分反向梯度计算)。 当冻结的Parameter之前有需要训练的Parameter时,只能使用requires_grad=False。 另外,stop_gradient需要加在网络的计算链路里,作用的对象是Tensor:

a = A(x)
a = ops.stop_gradient(a)
y = B(a)

Parameter保存和加载

MindSpore提供了load_checkpointsave_checkpoint方法用来Parameter的保存和加载,需要注意的是Parameter保存时,保存的是Parameter列表,Parameter加载时对象必须是Cell。 在Parameter加载时,可能Parameter名对不上需要做一些修改,可以直接构造一个新的Parameter列表给到load_checkpoint加载到Cell。

torch.nn.Module 提供 state_dictload_state_dict 等接口保存加载模型的Parameter。

PyTorch MindSpore
import torch
import torch.nn as nn

linear_layer = nn.Linear(2, 1, bias=True)

linear_layer.weight.data.fill_(1.0)
linear_layer.bias.data.zero_()

print("Original linear layer parameters:")
print(linear_layer.weight)
print(linear_layer.bias)

torch.save(linear_layer.state_dict(), 'linear_layer_params.pth')

new_linear_layer = nn.Linear(2, 1, bias=True)

new_linear_layer.load_state_dict(torch.load('linear_layer_params.pth'))

# 打印加载后的Parameter,应该和原始Parameter一样
print("Loaded linear layer parameters:")
print(new_linear_layer.weight)
print(new_linear_layer.bias)

运行结果:

Original linear layer parameters:
Parameter containing:
tensor([[1., 1.]], requires_grad=True)
Parameter containing:
tensor([0.], requires_grad=True)
Loaded linear layer parameters:
Parameter containing:
tensor([[1., 1.]], requires_grad=True)
Parameter containing:
tensor([0.], requires_grad=True)
import mindspore as ms
import mindspore.ops as ops
import mindspore.nn as nn

net = nn.Dense(2, 1, has_bias=True)
for param in net.get_parameters():
    print(param.name, param.data.asnumpy())

ms.save_checkpoint(net, "dense.ckpt")
dense_params = ms.load_checkpoint("dense.ckpt")
print(dense_params)
new_params = {}
for param_name in dense_params:
    print(param_name, dense_params[param_name].data.asnumpy())
    new_params[param_name] = ms.Parameter(ops.ones_like(dense_params[param_name].data), name=param_name)

ms.load_param_into_net(net, new_params)
for param in net.get_parameters():
    print(param.name, param.data.asnumpy())

运行结果:

weight [[-0.0042482  -0.00427286]]
bias [0.]
{'weight': Parameter (name=weight, shape=(1, 2), dtype=Float32, requires_grad=True), 'bias': Parameter (name=bias, shape=(1,), dtype=Float32, requires_grad=True)}
weight [[-0.0042482  -0.00427286]]
bias [0.]
weight [[1. 1.]]
bias [1.]

Parameter初始化

默认权重初始化不同

我们知道权重初始化对网络的训练十分重要。每个nn接口一般会有一个隐式的声明权重,在不同的框架中,隐式的声明权重可能不同。即使功能一致,隐式声明的权重初始化方式分布如果不同,也会对训练过程产生影响,甚至无法收敛。

常见隐式声明权重的nn接口:Conv、Dense(Linear)、Embedding、LSTM 等,其中区别较大的是 Conv 类和 Dense 两种接口。MindSpore和PyTorch的 Conv 类和 Dense 隐式声明的权重和偏差初始化方式分布相同。

  • Conv2d

    • mindspore.nn.Conv2d的weight为:\(\mathcal{U} (-\sqrt{k},\sqrt{k} )\),bias为:\(\mathcal{U} (-\sqrt{k},\sqrt{k} )\)

    • torch.nn.Conv2d的weight为:\(\mathcal{U} (-\sqrt{k},\sqrt{k} )\),bias为:\(\mathcal{U} (-\sqrt{k},\sqrt{k} )\)

    • tf.keras.Layers.Conv2D的weight为:glorot_uniform,bias为:zeros。

    其中,\(k=\frac{groups}{c_{in}*\prod_{i}^{}{kernel\_size[i]}}\)

  • Dense(Linear)

    • mindspore.nn.Dense的weight为:\(\mathcal{U}(-\sqrt{k},\sqrt{k})\),bias为:\(\mathcal{U}(-\sqrt{k},\sqrt{k} )\)

    • torch.nn.Linear的weight为:\(\mathcal{U}(-\sqrt{k},\sqrt{k})\),bias为:\(\mathcal{U}(-\sqrt{k},\sqrt{k} )\)

    • tf.keras.Layers.Dense的weight为:glorot_uniform,bias为:zeros。

其中,\(k=\frac{groups}{in\_features}\)

对于没有正则化的网络,如没有 BatchNorm 算子的 GAN 网络,梯度很容易爆炸或者消失,权重初始化就显得十分重要,各位开发者应注意权重初始化带来的影响。

Parameter初始化API对比

每个 torch.nn.init 的API都可以和MindSpore一一对应,除了 torch.nn.init.calculate_gain() 之外。更多信息,请查看PyTorch与MindSpore API映射表

gain 用来衡量非线性关系对于数据标准差的影响。由于非线性会影响数据的标准差,可能会导致梯度爆炸或消失。

torch.nn.init mindspore.common.initializer
import torch

x = torch.empty(2, 2)
torch.nn.init.uniform_(x)
import mindspore
from mindspore.common.initializer import initializer, Uniform

x = initializer(Uniform(), [1, 2, 3], mindspore.float32)
  • mindspore.common.initializer 用于在并行模式中延迟Tensor的数据的初始化。只有在调用了 init_data() 之后,才会使用指定的 init 来初始化Tensor的数据。每个Tensor只能使用一次 init_data() 。在运行以上代码之后,x 其实尚未完成初始化。如果此时 x 被用来计算,将会作为0来处理。然而,在打印时,会自动调用 init_data()

  • torch.nn.init 需要一个Tensor作为输入,将输入的Tensor原地修改为目标结果,运行上述代码之后,x将不再是非初始化状态,其元素将服从均匀分布。

自定义初始化Parameter

MindSpore封装的高阶API里一般会给Parameter一个默认的初始化,当这个初始化分布与需要使用的初始化、PyTorch的初始化不一致时,此时需要进行自定义初始化。网络参数初始化介绍了一种在使用API属性时进行初始化的方法,这里介绍一种利用Cell进行Parameter初始化的方法。

Parameter的相关介绍请参考网络参数,本节主要以Cell为切入口,举例获取Cell中的所有参数,并举例说明如何给Cell里的Parameter进行初始化。

注意本节的方法不能在construct里执行,在网络中修改Parameter的值请使用assign

MindSpore支持的Parameter初始化方法参考mindspore.common.initializer,当然也可以直接传入一个定义好的Parameter对象。

已经创建的Parameter,可以使用set_data(data, slice_shape=False)设置Parameter数据。

import math
import mindspore as ms
from mindspore import nn

# 定义模型
class Network(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.layer1 = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(3, 12, kernel_size=3, pad_mode='pad', padding=1),
            nn.BatchNorm2d(12),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        ])
        self.layer2 = nn.SequentialCell([
            nn.Conv2d(12, 4, kernel_size=3, pad_mode='pad', padding=1),
            nn.BatchNorm2d(4),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2)
        ])
        self.pool = nn.AdaptiveMaxPool2d((5, 5))
        self.fc = nn.Dense(100, 10)

    def construct(self, x):
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.pool(x)
        x = x.view((-1, 100))
        out = nn.Dense(x)
        return out

net = Network()
for _, cell in net.cells_and_names():
    if isinstance(cell, nn.Conv2d):
        cell.weight.set_data(ms.common.initializer.initializer(
            ms.common.initializer.HeNormal(negative_slope=0, mode='fan_out', nonlinearity='relu'),
            cell.weight.shape, cell.weight.dtype))
    elif isinstance(cell, (nn.BatchNorm2d, nn.GroupNorm)):
        cell.gamma.set_data(ms.common.initializer.initializer("ones", cell.gamma.shape, cell.gamma.dtype))
        cell.beta.set_data(ms.common.initializer.initializer("zeros", cell.beta.shape, cell.beta.dtype))
    elif isinstance(cell, (nn.Dense)):
        cell.weight.set_data(ms.common.initializer.initializer(
            ms.common.initializer.HeUniform(negative_slope=math.sqrt(5)),
            cell.weight.shape, cell.weight.dtype))
        cell.bias.set_data(ms.common.initializer.initializer("zeros", cell.bias.shape, cell.bias.dtype))

子模块管理

mindspore.nn.Cell 中可定义其他Cell实例作为子模块。这些子模块是网络中的组成部分,自身也可能包含可学习的Parameter(如卷积层的权重和偏置)和其他子模块。这种层次化的模块结构允许用户构建复杂且可重用的神经网络架构。

mindspore.nn.Cell 提供 cells_and_namesinsert_child_to_cell 等接口实现子模块管理功能。

torch.nn.Module 提供 named_modulesadd_module 等接口实现子模块管理功能。

PyTorch MindSpore
import torch.nn as nn

class MyModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModule, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        # 使用add_module添加子模块
        self.add_module('conv3', nn.Conv2d(64, 128, 3, 1))

        self.sequential_block = nn.Sequential(
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(128, 256, 3, 1),
            nn.ReLU()
        )

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        x = self.sequential_block(x)
        return x

module = MyModule()

# 使用named_modules遍历所有子模块(包括直接和间接子模块)
for name, module_instance in module.named_modules():
    print(f"Module name: {name}, type: {type(module_instance)}")

运行结果:

Module name: , type: <class '__main__.MyModule'>
Module name: conv1, type: <class 'torch.nn.modules.conv.Conv2d'>
Module name: conv2, type: <class 'torch.nn.modules.conv.Conv2d'>
Module name: conv3, type: <class 'torch.nn.modules.conv.Conv2d'>
Module name: sequential_block, type: <class 'torch.nn.modules.container.Sequential'>
Module name: sequential_block.0, type: <class 'torch.nn.modules.activation.ReLU'>
Module name: sequential_block.1, type: <class 'torch.nn.modules.conv.Conv2d'>
Module name: sequential_block.2, type: <class 'torch.nn.modules.activation.ReLU'>
from mindspore import nn

class MyCell(nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(MyCell, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, 3, 1)
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, 3, 1)
        # 使用insert_child_to_cell添加子模块
        self.insert_child_to_cell('conv3', nn.Conv2d(64, 128, 3, 1))

        self.sequential_block = nn.SequentialCell(
            nn.ReLU(),
            nn.Conv2d(128, 256, 3, 1),
            nn.ReLU()
        )

    def construct(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        x = self.sequential_block(x)
        return x

module = MyCell()

# 使用cells_and_names遍历所有子模块(包括直接和间接子模块)
for name, cell_instance in module.cells_and_names():
    print(f"Cell name: {name}, type: {type(cell_instance)}")

运行结果:

Cell name: , type: <class '__main__.MyCell'>
Cell name: conv1, type: <class 'mindspore.nn.layer.conv.Conv2d'>
Cell name: conv2, type: <class 'mindspore.nn.layer.conv.Conv2d'>
Cell name: conv3, type: <class 'mindspore.nn.layer.conv.Conv2d'>
Cell name: sequential_block, type: <class 'mindspore.nn.layer.container.SequentialCell'>
Cell name: sequential_block.0, type: <class 'mindspore.nn.layer.activation.ReLU'>
Cell name: sequential_block.1, type: <class 'mindspore.nn.layer.conv.Conv2d'>
Cell name: sequential_block.2, type: <class 'mindspore.nn.layer.activation.ReLU'>

训练评估模式切换

torch.nn.Module 提供 train(mode=True) 接口设置模型处于训练模式和 eval 接口设置模型处于评估模式。这两种模式的区别主要体现在Dropout和BN等层的行为以及权重更新上。

  • Dropout和BN层的行为:

    训练模式下,Dropout层会按照设定的参数 p 来随机关闭一部分神经元,这意味着在前向传播过程中,这部分神经元不会有任何贡献。BN层会继续计算均值和方差,并对数据进行相应的归一化。

    评估模式下,Dropout层不会关闭任何神经元,即所有的神经元都会被用于前向传播。BN层会使用训练阶段计算得到的运行均值和运行方差。

  • 权重更新:

    在训练模式下,模型的权重会根据反向传播的结果进行更新。这意味着在每次前向传播和反向传播之后,模型的权重都可能会发生变化。

    在评估模式下,模型的权重不会被更新。即使进行了前向传播并计算了损失,也不会进行反向传播来更新权重。这是因为评估模式主要用于测试模型的性能,而不是训练模型。

mindspore.nn.Cell 提供 set_train(mode=True) 接口实现模式的切换。mode 设置成 True 时,模型处于训练模式;mode 设置成 False 时,模型处于评估模式。

设备相关

torch.nn.Module 提供 CPUcudaipu 等接口将模型移动到指定设备上。

mindspore.set_context()device_target 参数实现类似功能, device_target 可以指定 CPUGPUAscend 设备。与PyTorch不同的是,一旦设备设置成功,输入数据和模型会默认拷贝到指定的设备中执行,不需要也无法再改变数据和模型所运行的设备类型。

PyTorch MindSpore
import torch
torch_net = torch.nn.Linear(3, 4)
torch_net.cpu()
import mindspore
mindspore.set_context(device_target="CPU")
ms_net = mindspore.nn.Dense(3, 4)

动态图与静态图

对于Cell,MindSpore提供GRAPH_MODE(静态图)和PYNATIVE_MODE(动态图)两种模式,详情请参考动态图和静态图

PyNative模式下模型进行推理的行为与一般Python代码无异。但是在训练过程中,注意一旦将Tensor转换成numpy做其他的运算后将会截断网络的梯度,相当于PyTorch的detach

而在使用GRAPH_MODE时,通常会出现语法限制。在这种情况下,需要对Python代码进行图编译操作,而这一步操作中MindSpore目前还未能支持完整的Python语法全集,所以construct函数的编写会存在部分限制。具体限制内容可以参考MindSpore静态图语法

相较于详细的语法说明,常见的限制可以归结为以下几点:

  • 场景1

    限制:构图时(construct函数部分或者用@jit修饰的函数),不要调用其他Python库,例如numpy、scipy,相关的处理应该前移到__init__阶段。 措施:使用MindSpore内部提供的API替换其他Python库的功能。常量的处理可以前移到__init__阶段。

  • 场景2

    限制:构图时不要使用自定义类型,而应该使用MindSpore提供的数据类型和Python基础类型,可以使用基于这些类型的tuple/list组合。 措施:使用基础类型进行组合,可以考虑增加函数参数量。函数入参数没有限制,并且可以使用不定长输入。

  • 场景3

    限制:构图时不要对数据进行多线程或多进程处理。 措施:避免网络中出现多线程处理。

自定义反向

有时MindSpore不支持某些处理,需要使用一些第三方库的方法,但是我们又不想截断网络的梯度,这时该怎么办呢?这里介绍一种在PYNATIVE_MODE模式下,通过自定义反向规避此问题的方法:

如下面此场景,需要随机有放回的选取大于0.5的值,且每个batch的shape固定是max_num。但是这个随机有放回的操作目前没有MindSpore的API支持,这时我们在PYNATIVE_MODE下使用numpy的方法来计算,然后自己构造一个梯度传播的过程。

import numpy as np
import mindspore as ms
import mindspore.nn as nn
import mindspore.ops as ops

ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)
ms.set_seed(1)

class MySampler(nn.Cell):
    # 自定义取样器,在每个batch选取max_num个大于0.5的值
    def __init__(self, max_num):
        super(MySampler, self).__init__()
        self.max_num = max_num

    def random_positive(self, x):
        # 三方库numpy的方法,选取大于0.5的位置
        pos = np.where(x > 0.5)[0]
        pos_indice = np.random.choice(pos, self.max_num)
        return pos_indice

    def construct(self, x):
        # 正向网络构造
        batch = x.shape[0]
        pos_value = []
        pos_indice = []
        for i in range(batch):
            a = x[i].asnumpy()
            pos_ind = self.random_positive(a)
            pos_value.append(ms.Tensor(a[pos_ind], ms.float32))
            pos_indice.append(ms.Tensor(pos_ind, ms.int32))
        pos_values = ops.stack(pos_value, axis=0)
        pos_indices = ops.stack(pos_indice, axis=0)
        print("pos_values forword", pos_values)
        print("pos_indices forword", pos_indices)
        return pos_values, pos_indices

x = ms.Tensor(np.random.uniform(0, 3, (2, 5)), ms.float32)
print("x", x)
sampler = MySampler(3)
pos_values, pos_indices = sampler(x)
grad = ms.grad(sampler, grad_position=0)(x)
print("dx", grad)

运行结果:

x [[1.2510660e+00 2.1609735e+00 3.4312444e-04 9.0699774e-01 4.4026768e-01]
 [2.7701578e-01 5.5878061e-01 1.0366821e+00 1.1903024e+00 1.6164502e+00]]
pos_values forword [[0.90699774 2.1609735  0.90699774]
 [0.5587806  1.6164502  0.5587806 ]]
pos_indices forword [[3 1 3]
 [1 4 1]]
pos_values forword [[0.90699774 1.251066   2.1609735 ]
 [1.1903024  1.1903024  0.5587806 ]]
pos_indices forword [[3 0 1]
 [3 3 1]]
dx (Tensor(shape=[2, 5], dtype=Float32, value=
[[0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000],
 [0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000]]),)

当我们不构造这个反向过程时,由于使用的是numpy的方法计算的pos_value,梯度将会截断。 如上面注释所示,dx的值全是0。另外细心的同学会发现这个过程打印了两次pos_values forwordpos_indices forword,这是因为在PYNATIVE_MODE下在构造反向图时会再次构造一次正向图,这使得上面的这种写法实际上跑了两次正向和一次反向,这不但浪费了训练资源,在某些情况还会造成精度问题,如有BatchNorm的情况,在运行正向时就会更新moving_meanmoving_var导致一次训练更新了两次moving_meanmoving_var。 为了避免这种场景,MindSpore针对Cell有一个方法set_grad(),在PYNATIVE_MODE模式下框架会在构造正向时同步构造反向,这样在执行反向时就不会再运行正向的流程了。

x = ms.Tensor(np.random.uniform(0, 3, (2, 5)), ms.float32)
print("x", x)
sampler = MySampler(3).set_grad()
pos_values, pos_indices = sampler(x)
grad = ms.grad(sampler, grad_position=0)(x)
print("dx", grad)

运行结果:

x [[1.2519144  1.6760695  0.42116082 0.59430444 2.4022336 ]
 [2.9047847  0.9402725  2.076968   2.6291676  2.68382   ]]
pos_values forword [[1.2519144 1.2519144 1.6760695]
 [2.6291676 2.076968  0.9402725]]
pos_indices forword [[0 0 1]
 [3 2 1]]
dx (Tensor(shape=[2, 5], dtype=Float32, value=
[[0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000],
 [0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000]]),)

下面,我们来演示下如何自定义反向

import numpy as np
import mindspore as ms
import mindspore.nn as nn
import mindspore.ops as ops

ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)
ms.set_seed(1)

class MySampler(nn.Cell):
    # 自定义取样器,在每个batch选取max_num个大于0.5的值
    def __init__(self, max_num):
        super(MySampler, self).__init__()
        self.max_num = max_num

    def random_positive(self, x):
        # 三方库numpy的方法,选取大于0.5的位置
        pos = np.where(x > 0.5)[0]
        pos_indice = np.random.choice(pos, self.max_num)
        return pos_indice

    def construct(self, x):
        # 正向网络构造
        batch = x.shape[0]
        pos_value = []
        pos_indice = []
        for i in range(batch):
            a = x[i].asnumpy()
            pos_ind = self.random_positive(a)
            pos_value.append(ms.Tensor(a[pos_ind], ms.float32))
            pos_indice.append(ms.Tensor(pos_ind, ms.int32))
        pos_values = ops.stack(pos_value, axis=0)
        pos_indices = ops.stack(pos_indice, axis=0)
        print("pos_values forword", pos_values)
        print("pos_indices forword", pos_indices)
        return pos_values, pos_indices

    def bprop(self, x, out, dout):
        # 反向网络构造
        pos_indices = out[1]
        print("pos_indices backward", pos_indices)
        grad_x = dout[0]
        print("grad_x backward", grad_x)
        batch = x.shape[0]
        dx = []
        for i in range(batch):
            dx.append(ops.UnsortedSegmentSum()(grad_x[i], pos_indices[i], x.shape[1]))
        return ops.stack(dx, axis=0)

x = ms.Tensor(np.random.uniform(0, 3, (2, 5)), ms.float32)
print("x", x)
sampler = MySampler(3).set_grad()
pos_values, pos_indices = sampler(x)
grad = ms.grad(sampler, grad_position=0)(x)
print("dx", grad)

运行结果:

x [[1.2510660e+00 2.1609735e+00 3.4312444e-04 9.0699774e-01 4.4026768e-01]
 [2.7701578e-01 5.5878061e-01 1.0366821e+00 1.1903024e+00 1.6164502e+00]]
pos_values forword [[0.90699774 2.1609735  0.90699774]
 [0.5587806  1.6164502  0.5587806 ]]
pos_indices forword [[3 1 3]
 [1 4 1]]
pos_indices backward [[3 1 3]
 [1 4 1]]
grad_x backward [[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]]
dx (Tensor(shape=[2, 5], dtype=Float32, value=
[[0.00000000e+000, 1.00000000e+000, 0.00000000e+000, 2.00000000e+000, 0.00000000e+000],
 [0.00000000e+000, 2.00000000e+000, 0.00000000e+000, 0.00000000e+000, 1.00000000e+000]]),)

我们在MySampler类里加入了bprop方法,这个方法的输入是正向的输入(展开写),正向的输出(一个tuple),输出的梯度(一个tuple)。在这个方法里构造梯度到输入的梯度反传流程。 可以看到在第0个batch,我们随机选取第3、1、3位置的值,输出的梯度都是1,最后反传出去的梯度为[0.00000000e+000, 1.00000000e+000, 0.00000000e+000, 2.00000000e+000, 0.00000000e+000],符合预期。

动态shape规避策略

一般动态shape引入的原因有:

  • 输入shape不固定;

  • 网络执行过程中有引发shape变化的算子;

  • 控制流不同分支引入shape上的变化。

下面,我们针对这几种场景介绍一些规避策略。

输入shape不固定的场景

  1. 可以在输入数据上加pad,pad到固定的shape。如deep_speechv2的数据处理 规定input_length的最大长度,短的补0,长的随机截断,但是注意这种方法可能会影响训练的精度,需要平衡训练精度和训练性能。

  2. 可以设置一组固定的输入shape,将输入分别处理成几个固定的shape。如YOLOv3_darknet53的数据处理,在batch方法加处理函数multi_scale_trans ,在MultiScaleTrans中随机选取一个shape进行处理。

目前对输入shape完全随机的情况支持有限,需要等待新版本支持。

网络执行过程中有引发shape变化的操作

对于网络运行过程中生成不固定shape的Tensor的场景,最常用的方式是构造mask来过滤掉无效的位置的值。一个简单的例子,在检测场景下需要根据预测框和真实框的iou结果选取一些框。 PyTorch 和 MindSpore(MindSpore1.8之后全场景支持了masked_select) 的实现方式如下:

PyTorch MindSpore
def box_select_torch(box, iou_score):
    mask = iou_score > 0.3
    return box[mask]
import mindspore as ms
from mindspore import ops

ms.set_seed(1)

def box_select_ms(box, iou_score):
    mask = (iou_score > 0.3).expand_dims(1)
    return ops.masked_select(box, mask)

看一下结果对比:

import torch
import numpy as np
import mindspore as ms

ms.set_seed(1)

box = np.random.uniform(0, 1, (3, 4)).astype(np.float32)
iou_score = np.random.uniform(0, 1, (3,)).astype(np.float32)

print("box_select_ms", box_select_ms(ms.Tensor(box), ms.Tensor(iou_score)))
print("box_select_torch", box_select_torch(torch.from_numpy(box), torch.from_numpy(iou_score)))

运行结果:

box_select_ms [0.14675589 0.09233859 0.18626021 0.34556073]
box_select_torch tensor([[0.1468, 0.0923, 0.1863, 0.3456]])

但是这样操作后会产生动态shape,在后续的网络计算中可能会有问题,在现阶段,推荐先使用mask规避一下:

def box_select_ms2(box, iou_score):
    mask = (iou_score > 0.3).expand_dims(1)
    return box * mask, mask

在后续计算中,如果涉及box的一些操作,需要注意是否需要乘mask用来过滤非有效结果。

对于求loss时对feature做选取,导致获取到不固定shape的Tensor的场景,处理方式基本和网络运行过程中不固定shape的处理方式相同,只是loss部分后续可能没有其他的操作,不需要返回mask。

举个例子,我们想选取前70%的正样本的值求loss。实现如下:

PyTorch MindSpore
import torch
import torch.nn as torch_nn

class ClassLoss_pt(torch_nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ClassLoss_pt, self).__init__()
        self.con_loss = torch_nn.CrossEntropyLoss(reduction='none')

    # 使用 torch.topk 来获取前70%的正样本数据
    def forward(self, pred, label):
        mask = label > 0
        vaild_label = label * mask
        pos_num = torch.clamp(mask.sum() * 0.7, 1).int()
        con = self.con_loss(pred, vaild_label.long()) * mask
        loss, unused_value = torch.topk(con, k=pos_num)
        return loss.mean()
import mindspore as ms
from mindspore import ops
from mindspore import nn as ms_nn
class ClassLoss_ms(ms_nn.Cell):
    def __init__(self):
        super(ClassLoss_ms, self).__init__()
        self.con_loss = ms_nn.SoftmaxCrossEntropyWithLogits(sparse=True, reduction="none")
        self.sort_descending = ops.Sort(descending=True)
    # MindSpore目前不支持TopK的K是变量,转换思路,获取到第K大的值,然后通过该值获取到topk的mask
    def construct(self, pred, label):
        mask = label > 0
        vaild_label = label * mask
        pos_num = ops.maximum(mask.sum() * 0.7, 1).astype(ms.int32)
        con = self.con_loss(pred, vaild_label.astype(ms.int32)) * mask
        con_sort, unused_value = self.sort_descending(con)
        con_k = con_sort[pos_num - 1]
        con_mask = (con >= con_k).astype(con.dtype)
        loss = con * con_mask
        return loss.sum() / con_mask.sum()

我们来看一下实验结果:

import torch
import numpy as np
import mindspore as ms
ms.set_seed(1)

pred = np.random.uniform(0, 1, (5, 2)).astype(np.float32)
label = np.array([-1, 0, 1, 1, 0]).astype(np.int32)
print("pred", pred)
print("label", label)
t_loss = ClassLoss_pt()
cls_loss_pt = t_loss(torch.from_numpy(pred), torch.from_numpy(label))
print("cls_loss_pt", cls_loss_pt)
m_loss = ClassLoss_ms()
cls_loss_ms = m_loss(ms.Tensor(pred), ms.Tensor(label))
print("cls_loss_ms", cls_loss_ms)

运行结果:

pred [[4.17021990e-01 7.20324516e-01]
 [1.14374816e-04 3.02332580e-01]
 [1.46755889e-01 9.23385918e-02]
 [1.86260208e-01 3.45560730e-01]
 [3.96767467e-01 5.38816750e-01]]
label [-1  0  1  1  0]
cls_loss_pt tensor(0.7207)
cls_loss_ms 0.7207259

控制流不同分支引入shape上的变化

分析下在模型分析与准备章节的例子:

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import ops
np.random.seed(1)
x = ms.Tensor(np.random.uniform(0, 1, (10)).astype(np.float32))
cond = (x > 0.5).any()

if cond:
    y = ops.masked_select(x, x > 0.5)
else:
    y = ops.zeros_like(x)
print(x)
print(cond)
print(y)

运行结果:

[4.17021990e-01 7.20324516e-01 1.14374816e-04 3.02332580e-01
 1.46755889e-01 9.23385918e-02 1.86260208e-01 3.45560730e-01
 3.96767467e-01 5.38816750e-01]
True
[0.7203245  0.53881675]

cond=True时,最大的shape和x一样大,根据上面的加mask方法,可以写成:

import numpy as np
import mindspore as ms
from mindspore import ops
np.random.seed(1)
x = ms.Tensor(np.random.uniform(0, 1, (10)).astype(np.float32))
cond = (x > 0.5).any()

if cond:
    mask = (x > 0.5).astype(x.dtype)
else:
    mask = ops.zeros_like(x)
y = x * mask
print(x)
print(cond)
print(y)

运行结果:

[4.17021990e-01 7.20324516e-01 1.14374816e-04 3.02332580e-01
 1.46755889e-01 9.23385918e-02 1.86260208e-01 3.45560730e-01
 3.96767467e-01 5.38816750e-01]
True
[0.         0.7203245  0.         0.         0.         0.
 0.         0.         0.         0.53881675]

需要注意的是如果y在后续有参与其他的计算,需要一起传入mask对有效位置做过滤。

随机数策略对比

随机数API对比

PyTorch与MindSpore在接口名称上无差异,MindSpore由于不支持原地修改,所以缺少Tensor.random_接口。其余接口均可和PyTorch一一对应。

随机种子和生成器

MindSpore使用seed控制随机数的生成,而PyTorch使用torch.Generator进行随机数的控制。

  1. MindSpore的seed分为两个等级,graph-level和op-level。graph-level下seed作为全局变量,绝大多数情况下无需用户设置,用户只需调整op-level seed。(API中涉及的seed参数,均为op-level)如果一段程序中两次使用了同一个随机数算法,那么两次的结果是不同的(尽管设置了相同的随机种子);如果重新运行脚本,那么第二次运行的结果应该与第一次保持一致。示例如下:

    # If a random op is called twice within one program, the two results will be different:
    import mindspore as ms
    from mindspore import Tensor, ops
    
    minval = Tensor(1.0, ms.float32)
    maxval = Tensor(2.0, ms.float32)
    print(ops.uniform((1, 4), minval, maxval, seed=1))  # generates 'A1'
    print(ops.uniform((1, 4), minval, maxval, seed=1))  # generates 'A2'
    # If the same program runs again, it repeat the results:
    print(ops.uniform((1, 4), minval, maxval, seed=1))  # generates 'A1'
    print(ops.uniform((1, 4), minval, maxval, seed=1))  # generates 'A2'
    

    不同后端产生随机数不同,以下是 CPU 后端运行结果:

    [[1.4519546 1.242295  1.9052019 1.7309945]]
    [[1.269552  1.6567562 1.9240322 1.7505953]]
    [[1.8540323 1.3442079 1.074909  1.0930715]]
    [[1.9383929 1.8798318 1.178043  1.8124416]]
    
  2. torch.Generator常在函数中作为关键字参数传入。在未指定/实例化Generator时,会使用默认Generator (torch.default_generator)。可以使用以下代码设置指定的torch.Generator的seed:

    G = torch.Generator()
    G.manual_seed(1)
    

    此时和使用default_generator并将seed设置为1的结果相同。例如torch.manual_seed(1)。

    PyTorch的Generator中的state表示的是此Generator的状态,长度为5056,dtype为uint8的Tensor。在同一个脚本中,多次使用同一个Generator,Generator的state会发生改变。在有两个/多个Generator的情况下,如g1,g2,可以设置 g2.set_state(g1.get_state()) 使得g2达到和g1相同的状态。即使用g2相当于使用当时状态的g1。如果g1和g2具有相同的seed和state,则二者生成的随机数相同。