PyTorch学习笔记（七）：模型构造、初始化、自定义层、保存与加载、GPU计算

模型构造

回顾一下在多层感知机中含单隐藏层的多层感知机的实现方法。我们首先构造Sequential实例，然后依次添加两个全连接层。其中第一层的输出大小为256，即隐藏层单元个数是256；第二层的输出大小为10，即输出层单元个数是10。我们曾使用了Sequential类构造模型。这里我们介绍另外一种基于Module类的模型构造方法：它让模型构造更加灵活。

继承Module类来构造模型

Module类是nn模块里提供的一个模型构造类，是所有神经网络模块的基类，我们可以继承它来定义我们想要的模型。下面继承Module类构造多层感知机。这里定义的MLP类重载了Module类的__init__函数和forward函数。它们分别用于创建模型参数和定义前向计算。前向计算也即正向传播。

import torch
from torch import nn

class MLP(nn.Module):
    # 声明带有模型参数的层，这里声明了两个全连接层
    def __init__(self, **kwargs):
        # 调用MLP父类Module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，如“模型参数的访问、初始化和共享”将介绍的模型参数params
        super(MLP, self).__init__(**kwargs)
        self.hidden = nn.Linear(784, 256) # 隐藏层
        self.act = nn.ReLU()
        self.output = nn.Linear(256, 10)  # 输出层
         

    # 定义模型的前向计算，即如何根据输入x计算返回所需要的模型输出
    def forward(self, x):
        a = self.act(self.hidden(x))
        return self.output(a)

以上的MLP类中无须定义反向传播函数。系统将通过自动求梯度而自动生成反向传播所需的backward函数。

我们可以实例化MLP类得到模型变量net。下面的代码初始化net并传入输入数据X做一次前向计算。其中，net(X)会调用MLP继承自Module类的__call__函数，这个函数将调用MLP类定义的forward函数来完成前向计算。

X = torch.rand(2, 784)
net = MLP()
print(net)
net(X)

MLP(
  (hidden): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (act): ReLU()
  (output): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)





tensor([[ 0.4814,  0.0513,  0.0467,  0.0359, -0.0420,  0.1709,  0.1622,  0.1273,
         -0.1703, -0.1033],
        [ 0.4090,  0.1921,  0.0406,  0.0263,  0.0262, -0.0621,  0.1327,  0.1324,
         -0.0828, -0.2278]], grad_fn=<AddmmBackward>)

注意，这里并没有将Module类命名为Layer（层）或者Model（模型）之类的名字，这是因为该类是一个可供自由组建的部件。它的子类既可以是一个层（如PyTorch提供的Linear类），又可以是一个模型（如这里定义的MLP类），或者是模型的一个部分。我们下面通过两个例子来展示它的灵活性。

Module的子类

我们刚刚提到，Module类是一个通用的部件。事实上，PyTorch还实现了继承自Module的可以方便构建模型的类: 如Sequential、ModuleList和ModuleDict等等。

Sequential类

当模型的前向计算为简单串联各个层的计算时，Sequential类可以通过更加简单的方式定义模型。这正是Sequential类的目的：它可以接收一个子模块的有序字典（OrderedDict）或者一系列子模块作为参数来逐一添加Module的实例，而模型的前向计算就是将这些实例按添加的顺序逐一计算。

下面我们实现一个与Sequential类有相同功能的MySequential类。这或许可以帮助读者更加清晰地理解Sequential类的工作机制。

class MySequential(nn.Module):
    from collections import OrderedDict
    def __init__(self, *args):
        super(MySequential, self).__init__()
        if len(args) == 1 and isinstance(args[0], OrderedDict): # 如果传入的是一个OrderedDict
            for key, module in args[0].items():
                self.add_module(key, module)  # add_module方法会将module添加进self._modules(一个OrderedDict)
        else:  # 传入的是一些Module
            for idx, module in enumerate(args):
                self.add_module(str(idx), module)
    def forward(self, input):
        # self._modules返回一个 OrderedDict，保证会按照成员添加时的顺序遍历成员
        for module in self._modules.values():
            input = module(input)
        return input

用MySequential类来实现前面描述的MLP类，并使用随机初始化的模型做一次前向计算。

net = MySequential(
        nn.Linear(784, 256),
        nn.ReLU(),
        nn.Linear(256, 10), 
        )
print(net)
net(X)

MySequential(
  (0): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (1): ReLU()
  (2): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)





tensor([[ 0.0546, -0.1507,  0.0864, -0.1637,  0.0396, -0.0302,  0.1983, -0.0609,
          0.0281,  0.0837],
        [-0.0969, -0.1144,  0.0817, -0.2249,  0.0333, -0.0127,  0.1532,  0.0163,
         -0.0206,  0.0781]], grad_fn=<AddmmBackward>)

观察到这里MySequential类的使用跟多层感知机中Sequential类的使用没什么区别。

ModuleList类

ModuleList接收一个子模块的列表作为输入，然后也可以类似List那样进行append和extend操作

net = nn.ModuleList([nn.Linear(784, 256), nn.ReLU()])
net.append(nn.Linear(256, 10)) # # 类似List的append操作
print(net[-1])  # 类似List的索引访问
print(net)
# net(torch.zeros(1, 784)) # 会报NotImplementedError

Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
ModuleList(
  (0): Linear(in_features=784, out_features=256, bias=True)
  (1): ReLU()
  (2): Linear(in_features=256, out_features=10, bias=True)
)

既然Sequential和ModuleList都可以进行列表化构造网络，那二者区别是什么呢。ModuleList仅仅是一个储存各种模块的列表，这些模块之间没有联系也没有顺序（所以不用保证相邻层的输入输出维度匹配），而且没有实现forward功能需要自己实现，所以上面执行net(torch.zeros(1, 784))会报NotImplementedError；而Sequential内的模块需要按照顺序排列，要保证相邻层的输入输出大小相匹配，内部forward功能已经实现。

ModuleList的出现只是让网络定义前向传播时更加灵活，见下面官网的例子。

class MyModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MyModule, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(10)])

    def forward(self, x):
        # ModuleList can act as an iterable, or be indexed using ints
        for i, l in enumerate(self.linears):
            x = self.linears[i // 2](x) + l(x)
        return x

另外，ModuleList不同于一般的Python的list，加入到ModuleList里面的所有模块的参数会被自动添加到整个网络中，下面看一个例子对比一下。

class Module_ModuleList(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module_ModuleList, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10)])
    
class Module_List(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Module_List, self).__init__()
        self