• 『MXNet』第二弹_Gluon构建模型


    上节用了Sequential类来构造模型。这里我们另外一种基于Block类的模型构造方法,它让构造模型更加灵活,也将让你能更好的理解Sequential的运行机制。

    回顾:

    • 序列模型生成
    • 层填充
    • 初始化模型参数
    net = gluon.nn.Sequential()
    with net.name_scope():
        net.add(gluon.nn.Dense(1))
    net.collect_params().initialize(mx.init.Normal(sigma=1))  # 模型参数初始化选择normal分布

    两点讲解:

    super(MLP, self).__init__(**kwargs):调用nn.Block的__init__,提供了prefix(指定名称)和params(指定参数)两个参数。

    self.name_scope():调用nn.Block的name_scope,给域内层、参数名加上前缀prefix,和TensorFlow类似

    继承Block类来构造模型

    • 存储参数
    • 定义向前传播如何进行
    • 自动求导

    Block类是gluon.nn里提供的一个模型构造类,我们可以继承它来定义我们想要的模型。例如,我们在这里构造一个同前提到的相同的多层感知机。这里定义的MLP类重载了Block类的两个函数:__init__forward.

    from mxnet import nd
    from mxnet.gluon import nn
    
    class MLP(nn.Block):
        # 声明带有模型参数的层,这里我们声明了两个全链接层。
        def __init__(self, **kwargs):
            # 调用 MLP 父类 Block 的构造函数来进行必要的初始化。这样在构造实例时还可以指定
            # 其他函数参数,例如下下一节将介绍的模型参数 params.
            super(MLP, self).__init__(**kwargs)
            # 隐藏层。
            self.hidden = nn.Dense(256, activation='relu')
            # 输出层。
            self.output = nn.Dense(10)
        # 定义模型的前向计算,即如何根据输出计算输出。
        def forward(self, x):
            return self.output(self.hidden(x))
    

     建立之后进行forward测试,

    x = nd.random.uniform(shape=(2,20))
    net = MLP()
    net.initialize()
    net(x)
    
    [[ 0.09543004  0.04614332 -0.00286654 -0.07790349 -0.05130243  0.02942037
       0.08696642 -0.0190793  -0.04122177  0.05088576]
     [ 0.0769287   0.03099705  0.00856576 -0.04467199 -0.06926839  0.09132434
       0.06786595 -0.06187842 -0.03436673  0.04234694]]
    <NDArray 2x10 @cpu(0)>

    其中,net(x)会调用了MLP继承至Block的__call__函数,这个函数将调用MLP定义的forward函数来完成前向计算。

    我们无需在这里定义反向传播函数,系统将通过自动求导,来自动生成backward函数。

    注意到我们不是将Block叫做层或者模型之类的名字,这是因为它是一个可以自由组建的部件。它的子类既可以一个层,例如Gluon提供的Dense类,也可以是一个模型,我们定义的MLP类,或者是模型的一个部分,例如ResNet的残差块。我们下面通过两个例子说明它。

    Sequential:Block的容器

    Sequential类继承自Block类,实质来说就是将初始化各个层的过程从__init__移到了add方法中。

    当模型的前向计算就是简单串行计算模型里面各个层的时候,我们可以将模型定义变得更加简单,这个就是Sequential类的目的,它通过add函数来添加Block子类实例,前向计算时就是将添加的实例逐一运行。下面我们实现一个跟Sequential类有相同功能的类,这样你可以看的更加清楚它的运行机制。

    class MySequential(nn.Block):
        def __init__(self, **kwargs):
            super(MySequential, self).__init__(**kwargs)
    
        def add(self, block):
            # block 是一个 Block 子类实例,假设它有一个独一无二的名字。我们将它保存在
            # Block 类的成员变量 _children 里,其类型是 OrderedDict. 当调用
            # initialize 函数时,系统会自动对 _children 里面所有成员初始化。
            self._children[block.name] = block
    
        def forward(self, x):
            # OrderedDict 保证会按照插入时的顺序遍历元素。
            for block in self._children.values():
                x = block(x)
            return 
    

     我们用MySequential类来实现MLP类:

    net = MySequential()
    net.add(nn.Dense(256, activation='relu'))
    net.add(nn.Dense(10))
    net.initialize()
    net(x)
    
    [[ 0.00362228  0.00633332  0.03201144 -0.01369375  0.10336449 -0.03508018
      -0.00032164 -0.01676023  0.06978628  0.01303309]
     [ 0.03871715  0.02608213  0.03544959 -0.02521311  0.11005433 -0.0143066
      -0.03052466 -0.03852827  0.06321152  0.0038594 ]]
    <NDArray 2x10 @cpu(0)>

    构造复杂的模型

    虽然Sequential类可以使得模型构造更加简单,不需要定义forward函数,但直接继承Block类可以极大的拓展灵活性。下面我们构造一个稍微复杂点的网络:

    1. 前向计算中使用了NDArray函数和Python的控制流:forward函数内部是自由发挥的舞台
    2. 多次调用同一层
    class FancyMLP(nn.Block):
        def __init__(self, **kwargs):
            super(FancyMLP, self).__init__(**kwargs)
            # 不会被更新的随机权重。
            self.rand_weight = nd.random.uniform(shape=(20, 20))
            self.dense = nn.Dense(20, activation='relu')
    
        def forward(self, x):
            x = self.dense(x)
            # 使用了 nd 包下 relu 和 dot 函数。
            x = nd.relu(nd.dot(x, self.rand_weight) + 1)
            # 重用了 dense,等价于两层网络但共享了参数。
            x = self.dense(x)
            # 控制流,这里我们需要调用 asscalar 来返回标量进行比较。
            while x.norm().asscalar() > 1:
                x /= 2
            if x.norm().asscalar() < 0.8:
                x *= 10
            return x.sum()
    

     在这个FancyMLP模型中,我们使用了常数权重rand_weight(注意它不是模型参数)、做了矩阵乘法操作(nd.dot)并重复使用了相同的Dense层。测试一下:

    net = FancyMLP()
    net.initialize()
    net(x)
    

     [ 18.57195282]

    <NDArray 1 @cpu(0)>

    由于FancyMLP和Sequential都是Block的子类,我们可以嵌套调用他们:

    class NestMLP(nn.Block):
        def __init__(self, **kwargs):
            super(NestMLP, self).__init__(**kwargs)
            self.net = nn.Sequential()
            self.net.add(nn.Dense(64, activation='relu'),
                         nn.Dense(32, activation='relu'))
            self.dense = nn.Dense(16, activation='relu')
    
        def forward(self, x):
            return self.dense(self.net(x))
    
    net = nn.Sequential()
    net.add(NestMLP(), nn.Dense(20), FancyMLP())
    
    net.initialize()
    net(x)
    

     [ 24.86621094]

    <NDArray 1 @cpu(0)>

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