caffe源码阅读(1)_整体框架和简介（摘录）

原文链接：https://www.zhihu.com/question/27982282

1.Caffe代码层次。
回答里面有人说熟悉Blob，Layer，Net，Solver这样的几大类，我比较赞同。我基本是从这个顺序开始学习的，这四个类复杂性从低到高，贯穿了整个Caffe。把他们分为三个层次介绍。

• Blob：作为数据传输的媒介，无论是网络权重参数，还是输入数据，都是转化为Blob数据结构来存储
• Layer：作为网络的基础单元，神经网络中层与层间的数据节点、前后传递都在该数据结构中被实现，层类种类丰富，比如常用的卷积层、全连接层、pooling层等等，大大地增加了网络的多样性
• Net：作为网络的整体骨架，决定了网络中的层次数目以及各个层的类别等信息
• Solver：作为网络的求解策略，涉及到求解优化问题的策略选择以及参数确定方面，修改这个模块的话一般都会是研究DL的优化求解的方向。

1. Blob：
1.1. Blob的类型描述
Caffe内部采用的数据类型主要是对protocol buffer所定义的数据结构的继承，因此可以在尽可能小的内存占用下获得很高的效率，虽然追求性能的同时Caffe也会牺牲了一些代码可读性。
直观来说，可以把Blob看成一个有4维的结构体（包含数据和梯度），而实际上，它们只是一维的指针而已，其4维结构通过shape属性得以计算出来。
1.2. Blob的重要成员函数和变量

shared_ptr<SyncedMemory> data_ //数据
shared_ptr<SyncedMemory> diff_ //梯度

void Blob<Dtype>::Reshape(const int num, const int channels, const int height,
const int width)

重新修改Blob的形状(4维)，并根据形状来申请动态内存存储数据和梯度。

inline int count(int start_axis, int end_axis) const

计算Blob所需要的基本数据单元的数量。

在更高一级的Layer中Blob用下面的形式表示学习到的参数：

vector<shared_ptr<Blob<Dtype> > > blobs_;

这里使用的是一个Blob的容器是因为某些Layer包含多组学习参数，比如多个卷积核的卷积层。
以及Layer所传递的数据形式，后面还会涉及到这里：

vector<Blob<Dtype>*> &bottom;
vector<Blob<Dtype>*> *top

2.2. Layer：
2.2.1. 5大Layer派生类型
Caffe十分强调网络的层次性，也就是说卷积操作，非线性变换（ReLU等），Pooling，权值连接等全部都由某一种Layer来表示。具体来说分为5大类Layer

• NeuronLayer类 定义于neuron_layers.hpp中，其派生类主要是元素级别的运算（比如Dropout运算，激活函数ReLu，Sigmoid等），运算均为同址计算（in-place computation，返回值覆盖原值而占用新的内存）。
• LossLayer类 定义于loss_layers.hpp中，其派生类会产生loss，只有这些层能够产生loss。
• 数据层 定义于data_layer.hpp中，作为网络的最底层，主要实现数据格式的转换。
• 特征表达层（我自己分的类）定义于vision_layers.hpp（为什么叫vision这个名字，我目前还不清楚），实现特征表达功能，更具体地说包含卷积操作，Pooling操作，他们基本都会产生新的内存占用（Pooling相对较小）。
• 网络连接层和激活函数（我自己分的类）定义于common_layers.hpp，Caffe提供了单个层与多个层的连接，并在这个头文件中声明。这里还包括了常用的全连接层InnerProductLayer类。

2.2.2. Layer的重要成员函数
在Layer内部，数据主要有两种传递方式，正向传导（Forward）和反向传导（Backward）。Forward和Backward有CPU和GPU（部分有）两种实现。Caffe中所有的Layer都要用这两种方法传递数据。

virtual void Forward(const vector<Blob<Dtype>*> &bottom,                     
                     vector<Blob<Dtype>*> *top) = 0;
virtual void Backward(const vector<Blob<Dtype>*> &top,
                      const vector<bool> &propagate_down, 
                      vector<Blob<Dtype>*> *bottom) = 0;

Layer类派生出来的层类通过这实现这两个虚函数，产生了各式各样功能的层类。Forward是从根据bottom计算top的过程，Backward则相反（根据top计算bottom）。注意这里为什么用了一个包含Blob的容器（vector），对于大多数Layer来说输入和输出都各连接只有一个Layer，然而对于某些Layer存在一对多的情况，比如LossLayer和某些连接层。在网路结构定义文件（*.proto）中每一层的参数bottom和top数目就决定了vector中元素数目。

layers {
  bottom: "decode1neuron"   // 该层底下连接的第一个Layer
  bottom: "flatdata"        // 该层底下连接的第二个Layer
  top: "l2_error"           // 该层顶上连接的一个Layer
  name: "loss"              // 该层的名字
  type: EUCLIDEAN_LOSS      // 该层的类型
  loss_weight: 0
}

2.2.3. Layer的重要成员变量
loss

vector<Dtype> loss_;

每一层又有一个loss_值，只不多大多数Layer都是0，只有LossLayer才可能产生非0的loss_。计算loss是会把所有层的loss_相加。
learnable parameters

vector<shared_ptr<Blob<Dtype> > > blobs_;

前面提到过的，Layer学习到的参数。

 

2.3. Net：
Net用容器的形式将多个Layer有序地放在一起，其自身实现的功能主要是对逐层Layer进行初始化，以及提供Update( )的接口（更新网络参数），本身不能对参数进行有效地学习过程。

vector<shared_ptr<Layer<Dtype> > > layers_;

同样Net也有它自己的

vector<Blob<Dtype>*>& Forward(const vector<Blob<Dtype>* > & bottom,
                              Dtype* loss = NULL);
void Net<Dtype>::Backward();

他们是对整个网络的前向和方向传导，各调用一次就可以计算出网络的loss了。
2.4. Solver
这个类中包含一个Net的指针，主要是实现了训练模型参数所采用的优化算法，它所派生的类就可以对整个网络进行训练了。

shared_ptr<Net<Dtype> > net_;

不同的模型训练方法通过重载函数ComputeUpdateValue( )实现计算update参数的核心功能

virtual void ComputeUpdateValue() = 0;

最后当进行整个网络训练过程（也就是你运行Caffe训练某个模型）的时候，实际上是在运行caffe.cpp中的train( )函数，而这个函数实际上是实例化一个Solver对象，初始化后调用了Solver中的Solve( )方法。而这个Solve( )函数主要就是在迭代运行下面这两个函数，就是刚才介绍的哪几个函数。

ComputeUpdateValue();
net_->Update();

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至此，从底层到顶层对Caffe的主要结构都应该有了大致的概念。为了集中重点介绍Caffe的代码结构，文中略去了大量Caffe相关的实现细节和技巧，比如Layer和Net的参数如何初始化，proto文件的定义，基于cblas的卷积等操作的实现（cblas实现卷积这一点我的个人主页GanYuFei中的《Caffe学习笔记5-BLAS与boost::thread加速》有介绍）等等就不一一列举了。

整体来看Layer部分代码最多，也反映出Caffe比较重视丰富网络单元的类型，然而由于Caffe的代码结构高度层次化，使得某些研究以及应用（比如研究类似非逐层连接的神经网络这种复杂的网络连接方式）难以在该平台实现。这也就是一开始说的一个不足。

另外，Caffe基本数据单元都用Blob，使得数据在内存中的存储变得十分高效，紧凑，从而提升了整体训练能力，而同时带来的问题是我们看见的一些可读性上的不便，比如forward的参数也是直接用Blob而不是设计一个新类以增强可读性。所以说性能的提升是以可读性为代价的。
最后一点也是最重要的一点，我从Caffe学到了很多。第一次看的C++项目就看到这么好的代码，实在是受益匪浅，在这里也感谢作者贾扬清等人的贡献。

 

Net中有必要认识的几个名字：

 

这里再补充几点：

1.使用Linux 的grep指令来快速追踪某个关键字：在caffe根目录下输入： grep -n -H -R "REGISTER_LAYER_CREATOR"(举例)，其中-n 显示行号 -H显示文件名 -R递归查找每个子目录