pytorch之pytorch hook和关于pytorch backward过程问题
作者:u012436149
pytorch 的 hook 机制
在看 pytorch
官方文档的时候,发现在 nn.Module
部分和 Variable
部分均有 hook
的身影。
感到很神奇,因为在使用 tensorflow
的时候没有碰到过这个词。所以打算一探究竟。
Variable 的 hook
register_hook(hook)
注册一个 backward
钩子。
每次 gradients
被计算的时候,这个 hook
都被调用。 hook
应该拥有以下签名:
hook(grad) -> Variable or None
hook
不应该修改它的输入,但是它可以返回一个替代当前梯度的新梯度。
这个函数返回一个 句柄( handle
)。它有一个方法 handle.remove()
,可以用这个方法将 hook
从 module
移除。
例子:
import torch v = torch.tensor([0, 0, 0], requires_grad=True, dtype=torch.float32) h = v.register_hook(lambda grad: grad * 2) # double the gradient v.backward(torch.tensor([1, 1, 1], dtype=torch.float32)) # 先计算原始梯度,再进hook,获得一个新梯度。 print(v.grad.data) h.remove() # removes the hook
tensor([2., 2., 2.])
nn.Module的hook
register_forward_hook(hook)
在 module
上注册一个 forward hook
。
这里要注意的是,hook 只能注册到 Module 上,即,仅仅是简单的 op
包装的 Module,而不是我们继承 Module时写的那个类,我们继承 Module写的类叫做 Container。
每次调用 forward()
计算输出的时候,这个 hook
就会被调用。
它应该拥有以下签名:
hook(module, input, output) -> None
hook
不应该修改 input
和 output
的值。 这个函数返回一个 句柄( handle
)。它有一个方法 handle.remove()
,可以用这个方法将 hook
从 module
移除。
看这个解释可能有点蒙逼,但是如果要看一下 nn.Module
的源码怎么使用 hook
的话,那就乌云尽散了。
先看 register_forward_hook
def register_forward_hook(self, hook): handle = hooks.RemovableHandle(self._forward_hooks) self._forward_hooks[handle.id] = hook return handle
这个方法的作用是在此 module
上注册一个 hook
,函数中第一句就没必要在意了,主要看第二句,是把注册的 hook
保存在 _forward_hooks
字典里。
再看 nn.Module
的 __call__
方法(被阉割了,只留下需要关注的部分):
def __call__(self, *input, **kwargs): result = self.forward(*input, **kwargs) for hook in self._forward_hooks.values(): #将注册的hook拿出来用 hook_result = hook(self, input, result) ... return result
可以看到,当我们执行 model(x)
的时候,底层干了以下几件事:
- 调用
forward
方法计算结果 - 判断有没有注册
forward_hook
,有的话,就将forward
的输入及结果作为hook
的实参。然后让hook
自己干一些不可告人的事情。
看到这,我们就明白 hook
签名的意思了,还有为什么 hook
不能修改 input
的 output
的原因。
小例子:
import torch from torch import nn import torch.functional as F from torch.autograd import Variable def for_hook(module, input, output): print(module) for val in input: print("input val:",val) for out_val in output: print("output val:", out_val) class Model(nn.Module): def __init__(self): super(Model, self).__init__() def forward(self, x): return x+1 model = Model() x = Variable(torch.FloatTensor([1]), requires_grad=True) handle = model.register_forward_hook(for_hook) print(model(x)) handle.remove()
register_backward_hook
在 module
上注册一个 bachward hook
。此方法目前只能用在 Module
上,不能用在 Container
上,当 Module
的forward函数中只有一个 Function
的时候,称为 Module
,如果 Module
包含其它 Module
,称之为 Container
每次计算 module
的 inputs
的梯度的时候,这个 hook
会被调用。 hook
应该拥有下面的 signature
。
hook(module, grad_input, grad_output) -> Tensor or None
如果 module
有多个输入输出的话,那么 grad_input
grad_output
将会是个 tuple
。 hook
不应该修改它的 arguments
,但是它可以选择性的返回关于输入的梯度,这个返回的梯度在后续的计算中会替代 grad_input
。
这个函数返回一个 句柄( handle
)。它有一个方法 handle.remove()
,可以用这个方法将 hook
从 module
移除。
从上边描述来看, backward hook
似乎可以帮助我们处理一下计算完的梯度。看下面 nn.Module
中 register_backward_hook
方法的实现,和 register_forward_hook
方法的实现几乎一样,都是用字典把注册的 hook
保存起来。
def register_backward_hook(self, hook): handle = hooks.RemovableHandle(self._backward_hooks) self._backward_hooks[handle.id] = hook return handle
先看个例子来看一下 hook
的参数代表了什么:
import torch from torch.autograd import Variable from torch.nn import Parameter import torch.nn as nn import math def bh(m,gi,go): print("Grad Input") print(gi) print("Grad Output") print(go) return gi[0]*0,gi[1]*0 class Linear(nn.Module): def __init__(self, in_features, out_features, bias=True): super(Linear, self).__init__() self.in_features = in_features self.out_features = out_features self.weight = Parameter(torch.Tensor(out_features, in_features)) if bias: self.bias = Parameter(torch.Tensor(out_features)) else: self.register_parameter('bias', None) self.reset_parameters() def reset_parameters(self): stdv = 1. / math.sqrt(self.weight.size(1)) self.weight.data.uniform_(-stdv, stdv) if self.bias is not None: self.bias.data.uniform_(-stdv, stdv) def forward(self, input): if self.bias is None: return self._backend.Linear()(input, self.weight) else: return self._backend.Linear()(input, self.weight, self.bias) x=Variable(torch.FloatTensor([[1, 2, 3]]),requires_grad=True) mod=Linear(3, 1, bias=False) mod.register_backward_hook(bh) # 在这里给module注册了backward hook out=mod(x) out.register_hook(lambda grad: 0.1*grad) #在这里给variable注册了 hook out.backward() print(['*']*20) print("x.grad", x.grad) print(mod.weight.grad)
Grad Input (Variable containing: 1.00000e-02 * 5.1902 -2.3778 -4.4071 [torch.FloatTensor of size 1x3] , Variable containing: 0.1000 0.2000 0.3000 [torch.FloatTensor of size 1x3] ) Grad Output (Variable containing: 0.1000 [torch.FloatTensor of size 1x1] ,) ['*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*', '*'] x.grad Variable containing: 0 -0 -0 [torch.FloatTensor of size 1x3] Variable containing: 0 0 0 [torch.FloatTensor of size 1x3]
可以看出, grad_in
保存的是,此模块 Function
方法的输入的值的梯度。 grad_out
保存的是,此模块 forward
方法返回值的梯度。我们不能在 grad_in
上直接修改,但是我们可以返回一个新的 new_grad_in
作为 Function
方法 inputs
的梯度。
上述代码对 variable
和 module
同时注册了 backward hook
,这里要注意的是,无论是 module hook
还是 variable hook
,最终还是注册到 Function
上的。这点通过查看 Varible
的 register_hook
源码和 Module
的 __call__
源码得知。
Module的register_backward_hook的行为在未来的几个版本可能会改变
BP过程中 Function
中的动作可能是这样的
class Function: def __init__(self): ... def forward(self, inputs): ... return outputs def backward(self, grad_outs): ... return grad_ins def _backward(self, grad_outs): hooked_grad_outs = grad_outs for hook in hook_in_outputs: hooked_grad_outs = hook(hooked_grad_outs) grad_ins = self.backward(hooked_grad_outs) hooked_grad_ins = grad_ins for hook in hooks_in_module: hooked_grad_ins = hook(hooked_grad_ins) return hooked_grad_ins
关于 pytorch run_backward()
的可能实现猜测为。
def run_backward(variable, gradient): creator = variable.creator if creator is None: variable.grad = variable.hook(gradient) return grad_ins = creator._backward(gradient) vars = creator.saved_variables for var, grad in zip(vars, grad_ins): run_backward(var, var.grad)
中间Variable的梯度在BP的过程中是保存到GradBuffer中的(C++源码中可以看到), BP完会释放. 如果retain_grads=True的话,就不会被释放
总结
以上为个人经验,希望能给大家一个参考,也希望大家多多支持脚本之家。