动静态图

目前主流的深度学习框架有静态图(Graph)和动态图(PyNative)两种执行模式。

静态图模式下，程序在编译执行时，首先生成神经网络的图结构，然后再执行图中涉及的计算操作。因此，在静态图模式下，编译器可以通过使用图优化等技术来获得更好的执行性能，有助于规模部署和跨平台运行。
动态图模式下，程序按照代码的编写顺序逐行执行，在执行正向过程中根据反向传播的原理，动态生成反向执行图。这种模式下，编译器将神经网络中的各个算子逐一下发到设备进行计算操作，方便用户编写和调试神经网络模型。

动静态图介绍

MindSpore提供了静态图和动态图统一的编码方式，大大增加了静态图和动态图的可兼容性，用户无需开发多套代码，仅变更一行代码便可切换静态图/动态图模式。静态图模式是MindSpore的默认模式，而动态图模式用于调试等用途。

当运行模式从动态图切换到静态图时，请留意静态图语法支持。

模式选择

通过配置context参数可以控制程序运行的模式，动态图和静态图两种模式的区别主要有：

适用场景：静态图需要一开始就构建好网络结构，然后框架做整图优化和执行，比较适合网络固定没有变化，且需要高性能的场景。动态图逐行执行算子，支持执行单算子、普通函数和网络，以及单独求梯度的操作。
网络执行：静态图模式和动态图模式在执行相同的网络和算子时，精度效果一致。由于静态图模式运用了图优化、计算图整图下沉等技术，静态图模式执行网络的性能和效率更高，动态图模式更便于调试调优。
代码调试：在脚本开发和网络流程调试中，推荐使用动态图模式进行调试。在动态图模式下，可以方便地设置断点，获取网络执行的中间结果，也可以通过pdb的方式对网络进行调试。而静态图模式无法设置断点，只能先指定算子进行打印，然后在网络执行完成后查看输出结果。

模式切换

模式切换时，需要设置context中的运行模式。首先定义网络模型MyNet和后续代码片段用到的数据，用于后续的动静态图模式的切换和展示：

[1]:

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

class MyNet(nn.Cell):
    """自定义网络，实现两个张量的加法"""
    def __init__(self):
        super(MyNet, self).__init__()
        self.add = ops.Add()

    def construct(self, x, y):
        return self.add(x, y)

x = ms.Tensor(np.array([1.0, 2.0, 3.0]).astype(np.float32))
y = ms.Tensor(np.array([4.0, 5.0, 6.0]).astype(np.float32))

设置运行模式为静态图模式：

[2]:

import mindspore as ms

ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE)

net = MyNet()
print(net(x, y))

[5. 7. 9.]

MindSpore处于静态图模式时，可以通过mode=ms.PYNATIVE_MODE切换为动态图模式；同样，MindSpore处于动态图模式时，可以通过mode=ms.GRAPH_MODE切换为静态图模式，请留意静态图语法支持。

[3]:

ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)

net = MyNet()
print(net(x, y))

[5. 7. 9.]

静态图

在MindSpore中，静态图模式又被称为Graph模式，比较适合网络固定且需要高性能的场景，可以通过set_context接口中，参数mode入参为GRAPH_MODE来设置成静态图模式。

在静态图模式下，基于图优化、计算图整图下沉等技术，编译器可以针对图进行全局的优化，因此在静态图模式下执行时可以获得较好的性能。但是，执行图是从源码转换而来，因此在静态图模式下不是所有的Python语法都能支持，会有一些特殊的约束，其支持情况的详细信息可参考静态图语法支持。

静态图模式执行原理

在静态图模式下，MindSpore通过源码转换的方式，将Python的源码转换成中间表达形式，也就是IR（Intermediate Representation），并在此基础上对IR图进行优化，最终在硬件设备上执行优化后的图。

MindSpore使用的是一种基于图表示的函数式IR，称为MindIR。静态图模式就是基于MindIR进行编译优化，使用静态图模式时，需要使用nn.Cell类并且在construct函数中编写执行代码。

静态图模式代码示例

静态图模式的代码用例如下所示，神经网络模型实现 \(f(x, y)=x*y\) 的计算操作：

[4]:

# 设置运行模式为静态图模式
ms.set_context(mode=ms.GRAPH_MODE)

class Net(nn.Cell):
    """自定义网络，实现两个张量的乘法"""
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.mul = ops.Mul()

    def construct(self, x, y):
        """定义执行代码"""
        return self.mul(x, y)

x = ms.Tensor(np.array([1.0, 2.0, 3.0]).astype(np.float32))
y = ms.Tensor(np.array([4.0, 5.0, 6.0]).astype(np.float32))

net = Net()

print(net(x, y))

[ 4. 10. 18.]

静态图模式下的控制流

请参考流程控制，阅读更多静态图模式下的控制流。

动态图

在MindSpore中，动态图模式又被称为PyNative模式，可以通过set_context接口中，参数mode入参为PYNATIVE_MODE来设置成动态图模式。

在脚本开发和网络流程调试中，推荐使用动态图模式进行调试，其支持执行单算子、普通函数和网络、以及单独求梯度的操作。

动态图模式执行原理

在动态图模式下，用户可以使用完整的Python API，此外针对使用MindSpore提供的API时，框架会根据用户选择的不同硬件平台（Ascend/GPU/CPU）或环境信息，将算子API的操作在对应的硬件平台上执行，并返回相应的结果。

框架整体的执行过程如下：

process

通过前端的Python API，调用到框架层，最终到相应的硬件设备上进行计算。

下面我们通过ops.mul算子，直接代替静态图模式下需要定义网络模型，实现 \(f(x, y)=x*y\) 的计算操作：

[5]:

# 设置运行模式为动态图模式
ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)

x = ms.Tensor(np.array([1.0, 2.0, 3.0]).astype(np.float32))
y = ms.Tensor(np.array([4.0, 5.0, 6.0]).astype(np.float32))

output = ops.mul(x, y)

print(output.asnumpy())

[ 4. 10. 18.]

在上面的示例代码中，当调用到API接口ops.mul(x, y)时，会将MindSpore表达层Python API接口的调用，通过Pybind11调用到MindSpore框架的C++层，转换成C++的接口调用。接着框架会根据MindSpore的安装环境信息，自动选择对应的硬件设备，在该硬件设备上执行add操作。

从上述原理可以看到，PyNative模式下，Python脚本代码会根据Python的语法进行执行，而执行过程中涉及到MindSpore表达层的Python API，会根据用户的设置在不同的硬件上执行，从而进行性能加速。

因此，在动态图模式下，用户可以随意使用Python的语法以及调试方法。

动态图模式自动微分原理

在动态图下，执行正向过程完全是按照Python的语法执行的，而反向传播过程是基于Tensor实现的。

因此，我们在执行正向过程中，将所有应用于Tensor的操作记录下来，并针对每个计算操作求取其反向，然后将所有反向过程串联起来形成整体反向传播图，最终将反向图在设备上执行并计算出梯度。

下面通过一段简单的示例代码说明动态图模式自动微分原理。对矩阵x乘上固定参数z，然后与y进行矩阵乘法：

\[f(x, y)=(x * z) * y \tag{1}\]

代码如下：

[6]:

# 设置运行模式为动态图模式
ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)

class Net(nn.Cell):
    """自定义网络"""
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.matmul = ops.MatMul()
        self.z = ms.Parameter(ms.Tensor(np.array([1.0], np.float32)), name='z')

    def construct(self, x, y):
        x = x * self.z
        x = self.matmul(x, y)
        return x

class GradNetWrtX(nn.Cell):
    """定义对x的求导"""
    def __init__(self, net):
        super(GradNetWrtX, self).__init__()

        self.net = net
        self.grad_op = ops.GradOperation()

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

x = ms.Tensor([[0.8, 0.6, 0.2], [1.8, 1.3, 1.1]], dtype=ms.float32)
y = ms.Tensor([[0.11, 3.3, 1.1], [1.1, 0.2, 1.4], [1.1, 2.2, 0.3]], dtype=ms.float32)

output = GradNetWrtX(Net())(x, y)
print(output)

[[4.5099998 2.7       3.6000001]
 [4.5099998 2.7       3.6000001]]

由于不同计算平台的精度可能存在差异，因此上面的代码在不同平台上的执行结果会存在微小的差别。求导公式的推导和上述打印结果的解释，可参考自动求导章节。

forward

根据上述动态图模式下构图原理可以看到，在正向传播过程中，MindSpore记录了Mul的计算过程，根据Mul对应的反向bprop的定义，得到了反向的MulGrad算子。

根据Mul算子的bprop定义，如下：

[7]:

from mindspore.ops._grad.grad_base import bprop_getters

@bprop_getters.register(ops.Mul)
def get_bprop_mul(self):
    """Grad definition for `Mul` operation."""
    mul_func = P.Mul()

    def bprop(x, y, out, dout):
        bc_dx = mul_func(y, dout)
        bc_dy = mul_func(x, dout)
        return binop_grad_common(x, y, bc_dx, bc_dy)

    return bprop

可以看到对Mul的输入求反向，需要两个输入和输出的反向传播梯度值，此时根据实际的输入值，可以将z连接到MulGrad。以此类推，对下一个算子Matmul，相应的得到MatmulGrad信息，再根据bprop的输入输出，将上下文梯度传播连接起来。

同理对于输入y求导，可以使用同样的过程进行推导。

动态图模式下的控制流

在MindSpore中，针对控制流语法并没有做特殊处理，直接按照Python的语法展开执行，进而对展开的执行算子进行自动微分操作。

例如，对于for循环，在动态图下会首先执行Python的源码，然后根据具体的循环次数，不断的执行for循环中的语句，并对其算子进行自动微分操作。

[8]:

# 设置运行模式为动态图模式
ms.set_context(mode=ms.PYNATIVE_MODE)

class Net(nn.Cell):
    """自定义网络"""
    def __init__(self):
        super(Net, self).__init__()
        self.matmul = ops.MatMul()
        self.z = ms.Parameter(ms.Tensor(np.array([1.0], np.float32)), name='z')

    def construct(self, x):
        for _ in range(3):
            x = x + self.z
        return x

x = ms.Tensor(np.array([1.0, 2.0, 3.0]).astype(np.float32))
net = Net()
output = net(x)

print(output)

[4. 5. 6.]