实操教程｜PyTorch AutoGrad C++层实现

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转载最新推荐文章于 2026-08-23 16:31:03 发布 408 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

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作者丨xxy-zhihu@知乎

来源丨https://zhuanlan.zhihu.com/p/339039943

编辑丨极市平台

极市导读

本文为一篇实操教程，作者介绍了PyTorch AutoGrad C++层实现中各个概念的解释。

autograd依赖的数据结构

at::Tensor：shared ptr 指向 TensorImpl

TensorImpl：对 at::Tensor 的实现

包含一个类型为 [AutogradMetaInterface](c10::AutogradMetaInterface) 的autograd_meta_，在tensor是需要求导的variable时，会被实例化为 [AutogradMeta](c10::AutogradMetaInterface) ，里面包含了autograd需要的信息

Variable: 就是Tensor，为了向前兼容保留的

using Variable = at::Tensor;
概念上有区别, Variable 是需要计算gradient的, Tensor 是不需要计算gradient的
Variable的 AutogradMeta是对 [AutogradMetaInterface](c10::AutogradMetaInterface)的实现，里面包含了一个 Variable，就是该variable的gradient
带有version和view
会实例化 AutogradMeta , autograd需要的关键信息都在这里

AutoGradMeta : 记录 Variable 的autograd历史信息

包含一个叫grad_的 Variable，即 AutoGradMeta 对应的var的梯度tensor
包含类型为 Node 指针的 grad_fn （var在graph内部时）和 grad_accumulator（var时叶子时）, 记录生成grad_的方法
包含 output_nr ，标识var对应 grad_fn的输入编号
构造函数包含一个类型为 Edge的gradient_edge, gradient_edge.function 就是 grad_fn, 另外 gradient_edge.input_nr 记录着对应 grad_fn的输入编号，会赋值给 AutoGradMeta 的 output_nr

autograd::Edge: 指向autograd::Node的一个输入

包含类型为 Node 指针，表示edge指向的Node
包含 input_nr，表示edge指向的Node的输入编号

autograd::Node: 对应AutoGrad Graph中的Op

是所有autograd op的抽象基类，子类重载apply方法
- next_edges_记录出边
- input_metadata_记录输入的tensor的metadata
实现的子类一般是可求导的函数和他们的梯度计算op
Node in AutoGrad Graph
- Variable通过Edge关联Node的输入和输出
- 多个Edge指向同一个Var时，默认做累加
call operator
- 最重要的方法，实现计算
next_edge
- 缝合Node的操作
- 获取Node的出边，next_edge(index)/next_edges()
- add_next_edge()，创建

前向计算

PyTorch通过tracing只生成了后向AutoGrad Graph.

代码是生成的，需要编译才能看到对应的生成结果

gen_variable_type.py生成可导版本的op
生成的代码在 pytorch/torch/csrc/autograd/generated/
前向计算时，进行了tracing，记录了后向计算图构建需要的信息
这里以relu为例，代码在pytorch/torch/csrc/autograd/generated/VariableType_0.cpp

Tensor relu(const Tensor & self) {                                                                                                                                                                   auto& self_ = unpack(self, "self", 0);                                                                                                                                                             std::shared_ptr<ReluBackward0> grad_fn;                                                                                                                                                            if (compute_requires_grad( self )) { // 如果输入var需要grad    // ReluBackward0的类型是Node                                                                                                                                                                grad_fn = std::shared_ptr<ReluBackward0>(new ReluBackward0(), deleteNode);                                                                                                                          // collect_next_edges(var)返回输入var对应的指向的    // grad_fn（前一个op的backward或者是一个accumulator的）的输入的Edge    // set_next_edges()，在grad_fn中记录这些Edge（这里完成了后向的构图）    grad_fn->set_next_edges(collect_next_edges( self ));     // 记录当前var的一个版本                                                                                                                                              grad_fn->self_ = SavedVariable(self, false);                                                                                                                                                     }                                                                                                                                                                                                  #ifndef NDEBUG                                                                                                                                                                                     c10::optional<Storage> self__storage_saved =                                                                                                                                                         self_.has_storage() ? c10::optional<Storage>(self_.storage()) : c10::nullopt;                                                                                                                    c10::intrusive_ptr<TensorImpl> self__impl_saved;                                                                                                                                                   if (self_.defined()) self__impl_saved = self_.getIntrusivePtr();                                                                                                                                   #endif                                                                                                                                                                                             auto tmp = ([&]() {                                                                                                                                                                                  at::AutoNonVariableTypeMode non_var_type_mode(true);                                                                                                                                               return at::relu(self_); // 前向计算                                                                                                                                                                          })();                                                                                                                                                                                              auto result = std::move(tmp);                                                                                                                                                                      #ifndef NDEBUG                                                                                                                                                                                     if (self__storage_saved.has_value())                                                                                                                                                                 AT_ASSERT(self__storage_saved.value().is_alias_of(self_.storage()));                                                                                                                             if (self__impl_saved) AT_ASSERT(self__impl_saved == self_.getIntrusivePtr());                                                                                                                      #endif                                                                                                                                                                                             if (grad_fn) {                   // grad_fn增加一个输入，记录输出var的metadata作为grad_fn的输入      // 输出var的AutoGradMeta实例化，输出var的AutoGradMeta指向起grad_fn的输入                                                                                                                                                                            set_history(flatten_tensor_args( result ), grad_fn);                                                                                                                                           }                                                                                                                                                                                                  return result;                                                                                                                                                                                   }

可以看到和 grad_fn 相关的操作trace了一个op的计算，构建了后向计算图.

后向计算

autograd::backward():计算output var的梯度值，调用的 run_backward()

autograd::grad() ：计算有output var和到特定input的梯度值，调用的 run_backward()

autograd::run_backward()

对于要求梯度的output var，获取其指向的grad_fn作为roots，是后向图的起点
对于有input var的，获取其指向的grad_fn作为output_edges, 是后向图的终点
调用 autograd::Engine::get_default_engine().execute(...) 执行后向计算

autograd::Engine::execute(...)

创建 GraphTask ，记录了一些配置信息
创建 GraphRoot ，是一个Node，把所有的roots作为其输出边，Node的apply()返回的是roots的grad【这里已经得到一个单起点的图】
计算依赖 compute_dependencies(...)
- 从GraphRoot开始，广度遍历，记录所有碰到的grad_fn的指针，并统计grad_fn被遇到的次数，这些信息记录到GraphTask中
GraphTask 初始化：当有input var时，判断后向图中哪些节点是真正需要计算的
GraphTask 执行
- 选择CPU or GPU线程执行
- 以CPU为例，调用的 autograd::Engine::thread_main(...)

autograd::Engine::thread_main(...)

evaluate_function(...) ，输入输出的处理，调度
- call_function(...) , 调用对应的Node计算
- 执行后向过程中的生成的中间grad Tensor，如果不释放，可以用于计算高阶导数；（同构的后向图，之前的grad tensor是新的输出，grad_fn变成之前grad_fn的backward，这些新的输出还可以再backward）
具体的执行机制可以支撑单独开一个Topic分析，在这里讨论到后向图完成构建为止.