淺談Pytorch中autograd的若干(踩坑)總結(jié)

更新時間：2021年05月12日 10:04:51 作者：叫我西瓜超人

這篇文章主要介紹了Pytorch中autograd的若干(踩坑)總結(jié)，具有很好的參考價值，希望對大家有所幫助。一起跟隨小編過來看看吧

關(guān)于Variable和Tensor

舊版本的Pytorch中，Variable是對Tensor的一個封裝；在Pytorch大于v0.4的版本后，Varible和Tensor合并了，意味著Tensor可以像舊版本的Variable那樣運(yùn)行，當(dāng)然新版本中Variable封裝仍舊可以用，但是對Varieble操作返回的將是一個Tensor。

import torch as t
from torch.autograd import Variable
 
a = t.ones(3,requires_grad=True)
print(type(a))
#輸出：<class 'torch.Tensor'>
 
a=Variable(a)
print(type(a))
#輸出仍舊是：<class 'torch.Tensor'>
 
print(a.volatile)
#輸出：__main__:1: UserWarning: volatile was removed (Variable.volatile is always False)
a.volatile=True
print(a.volatile)
#輸出：__main__:1: UserWarning: volatile was removed (Variable.volatile is always False)
#現(xiàn)版本pytorch中移除了volatile這個屬性，即volatile總是false

葉子節(jié)點(diǎn)leaf

對于那些不是任何函數(shù)(Function)的輸出，由用戶創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)稱為葉子節(jié)點(diǎn)，葉子節(jié)點(diǎn)的grad_fn為None。

import torch as t
a = t.ones(3,requires_grad=True)
b = t.rand(3,requires_grad=True)
a，a.is_leaf
#輸出：(tensor([1., 1., 1.], requires_grad=True), True)
b
#輸出：(tensor([0.4254, 0.8763, 0.5901], requires_grad=True), True)
 
c = a*b
c.is_leaf
#輸出：False.說明c不是葉子節(jié)點(diǎn)
a.grad_fn
#輸出：None.葉子節(jié)點(diǎn)的grad_fn為None.
c.grad_fn
#輸出：<MulBackward0 object at 0x7fa45c406278>

autograd操作

首先Tensor是默認(rèn)不需要求導(dǎo)的，即requires_grad默認(rèn)為False。

import torch as t
a = t.ones(3)
a.requires_grad
#輸出：False.Tensor默認(rèn)不需要求導(dǎo)

如果某一個節(jié)點(diǎn)requires_grad被設(shè)置為True，那么所有依賴它的節(jié)點(diǎn)requires_grad都為True。

import torch as t
 
a = t.ones(3)
b = t.ones(3,requires_grad=True)
b.requires_grad
#輸出：True
c = a + b
c.requires_grad
#輸出：True.雖然c沒有指定需要求導(dǎo)，然是c依賴于b，而b需要求導(dǎo)，所以c.requires_grad=True

只有scalar才能進(jìn)行反向backward()操作，并且backward對于葉節(jié)點(diǎn)的grad的是累加的。當(dāng)只進(jìn)行計(jì)算操作不做backward，葉節(jié)點(diǎn)的grad不發(fā)生變化。

更正一下，并不是只有scaler才能進(jìn)行backward操作，矩陣和向量也可以，只不過backward()中要添加對應(yīng)維度的參數(shù)。

import torch as t
 
a = t.ones(3,requires_grad=True)
b = t.rand(3,requires_grad=True)
a,b
#輸出：(tensor([1., 1., 1.], requires_grad=True), 
#tensor([0.9373, 0.0556, 0.6426], requires_grad=True))
c = a*b
c
#輸出：tensor([0.9373, 0.0556, 0.6426], grad_fn=<MulBackward0>)
c.backward(retain_graph=True)
#輸出：RuntimeError: grad can be implicitly created only for scalar outputs
#只有數(shù)值scalar才能進(jìn)行backward操作
d = c.sum()
d.backward(retain_graph=True)
#retain_graph=True是為了保存中間緩存，否則再次backward的時候會報錯
a.grad
#輸出：tensor([0.9373, 0.0556, 0.6426])
b.grad
#輸出：tensor([1., 1., 1.])
#backward后a和b的grad產(chǎn)生了數(shù)值
e = c.sum()
e.backward(retain_graph=True)
b.grad
#輸出：tensor([2., 2., 2.]).b的grad進(jìn)行了兩次backward后進(jìn)行了累加.
f = c.sum()
b.grad
#輸出：tensor([2., 2., 2.])
#只進(jìn)行計(jì)算不backward，梯度不更新

Tensor.data和Tensor.detach()

如過tensor的數(shù)值需要參與計(jì)算又不想?yún)⑴c到計(jì)算圖的更新中，計(jì)算的時候可以用tensor.data，這樣既能利用tensor的數(shù)值，又不會更新梯度。

import torch as t
 
a = t.ones(3,4,requires_grad=True)
b = t.rand(3,4,requires_grad=True)
 
a.data.requires_grad
#輸出：False. a.data獨(dú)立于計(jì)算圖之外
 
c = a.data * b.data
d = c.sum()
d.backward()
#輸出：RuntimeError: element 0 of tensors does not require grad and does not have a grad_fn
#因?yàn)楠?dú)立于計(jì)算圖之外，requires_grad = False所以不能backward()

當(dāng)tensor.data被修改的時候，tensor也會同步的被修改，此時用該tensor進(jìn)行計(jì)算并backward的時候梯度的值就不再準(zhǔn)確了，因?yàn)閠ensor已經(jīng)被修改了！

import torch as t
 
a = t.ones(3,4,requires_grad=True)
b = t.rand(3,4,requires_grad=True)
c = a*b
d = c.sum()
a.data.sigmoid_()
#輸出：tensor([[0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311]])
#雖然對a.data進(jìn)行sigmoid操作，但是a的值已經(jīng)被修改了.
d.backward()
b.grad
#輸出：tensor([[0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311]])
#b的grad不準(zhǔn)了，本來應(yīng)該都是1！

為了避免因?yàn)閷ensor.data修改導(dǎo)致grad變化的情況，可以利用tensor.detach，同樣可以保證tensor不參與到計(jì)算圖當(dāng)中，但是當(dāng)tensor的值被改變的時候，再進(jìn)行backward就會報錯而不會有先前的因?yàn)閠ensor的值被改變而導(dǎo)致不準(zhǔn)的情況了。

import torch as t
 
a = t.ones(3,4,requires_grad=True)
b = t.rand(3,4,requires_grad=True)
c = a * b
d = c.sum()
a_ = a.detach()
a_.sigmoid_()
a
#輸出：tensor([[0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311],
#        [0.7311, 0.7311, 0.7311, 0.7311]], requires_grad=True)
#a的值已經(jīng)發(fā)生了改變
d.backward()
#報錯：RuntimeError: one of the variables needed for gradient computation has been modified by an inplace operation
#因?yàn)閍的值被修改了，所以不能再進(jìn)行backward

推薦用tensor.detach的方式而不是tensor.data的方式，因?yàn)檫@樣更保險！

autograd.grad和hook

在計(jì)算的時候有時候我們可能會用到非葉節(jié)點(diǎn)的grad，但是非葉節(jié)點(diǎn)的grad在backward之后就會被自動清空：

import torch as t
 
a = t.ones(3,4,requires_grad=True)
b = t.rand(3,4,requires_grad=True)
c = a*b
d = c.sum()
d.backward()
a.grad
#輸出：tensor([[0.3114, 0.3017, 0.8461, 0.6899],
#        [0.3878, 0.8712, 0.2406, 0.7396],
#        [0.6369, 0.0907, 0.4984, 0.5058]])
c.grad
#輸出：None
#c為非葉子節(jié)點(diǎn)，計(jì)算后被清空

可以用autograd.grad和hook來處理這種情況：

#利用autograd.grad獲取中間節(jié)點(diǎn)梯度
t.autograd.grad(d,c)
#輸出：(tensor([[1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.]]),)
#利用hook獲取中間節(jié)點(diǎn)梯度
import torch as t
 
a = t.ones(3,4,requires_grad=True)
b = t.rand(3,4,requires_grad=True)
c = a*b
d = c.sum()
 
def print_grad(grad):
    print(grad)
 
#給c注冊hook
c_hook = c.register_hook(print_grad)
 
d.backward()
#輸出：tensor([[1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.],
#        [1., 1., 1., 1.]])
 
#移除鉤子
c_hook.remove()

補(bǔ)充：關(guān)于Pytorch中autograd和backward的一些筆記

1 Tensor

Pytorch中所有的計(jì)算其實(shí)都可以回歸到Tensor上，所以有必要重新認(rèn)識一下Tensor。

如果我們需要計(jì)算某個Tensor的導(dǎo)數(shù)，那么我們需要設(shè)置其.requires_grad屬性為True。為方便說明，在本文中對于這種我們自己定義的變量，我們稱之為葉子節(jié)點(diǎn)(leaf nodes)，而基于葉子節(jié)點(diǎn)得到的中間或最終變量則可稱之為結(jié)果節(jié)點(diǎn)。

另外一個Tensor中通常會記錄如下圖中所示的屬性：

data: 即存儲的數(shù)據(jù)信息

requires_grad: 設(shè)置為True則表示該 Tensor 需要求導(dǎo)

grad: 該 Tensor 的梯度值，每次在計(jì)算 backward 時都需要將前一時刻的梯度歸零，否則梯度值會一直累加，這個會在后面講到。

grad_fn: 葉子節(jié)點(diǎn)通常為 None，只有結(jié)果節(jié)點(diǎn)的 grad_fn 才有效，用于指示梯度函數(shù)是哪種類型。

is_leaf: 用來指示該 Tensor 是否是葉子節(jié)點(diǎn)。

舉例：

x = torch.rand(3, requires_grad=True)
y = x ** 2
z = x + x
print(
    'x requires grad: {},  is leaf: {},  grad: {},  grad_fn: {}.'
        .format(x.requires_grad, x.is_leaf, x.grad, x.grad_fn)
)
print(
    'y requires grad: {},  is leaf: {},  grad: {},  grad_fn: {}.'
        .format(y.requires_grad, y.is_leaf, y.grad, y.grad_fn)
)
print(
    'z requires grad: {},  is leaf: {},  grad: {},  grad_fn: {}.'
        .format(z.requires_grad, z.is_leaf, z.grad, z.grad_fn)
)

運(yùn)行結(jié)果：

x requires grad: True, is leaf: True, grad: None, grad_fn: None.

y requires grad: True, is leaf: False, grad: None, grad_fn: <PowBackward0 object at 0x0000021A3002CD88>.

z requires grad: True, is leaf: False, grad: None, grad_fn: <AddBackward0 object at 0x0000021A3002CD88>.

2 torch.autograd.backward

如下代碼：

x = torch.tensor(1.0, requires_grad=True)
y = torch.tensor(2.0, requires_grad=True)
z = x**2+y
z.backward()
print(z, x.grad, y.grad)
>>> tensor(3., grad_fn=<AddBackward0>) tensor(2.) tensor(1.)

當(dāng) z 是一個標(biāo)量，當(dāng)調(diào)用它的 backward 方法后會根據(jù)鏈?zhǔn)椒▌t自動計(jì)算出葉子節(jié)點(diǎn)的梯度值。

但是如果遇到 z 是一個向量或者是一個矩陣的情況，這個時候又該怎么計(jì)算梯度呢？這種情況我們需要定義grad_tensor來計(jì)算矩陣的梯度。

在介紹為什么使用之前我們先看一下源代碼中backward的接口是如何定義的：

torch.autograd.backward(
        tensors, 
        grad_tensors=None, 
        retain_graph=None, 
        create_graph=False, 
        grad_variables=None)

tensor: 用于計(jì)算梯度的 tensor。也就是說這兩種方式是等價的：torch.autograd.backward(z) == z.backward()

grad_tensors: 在計(jì)算非標(biāo)量的梯度時會用到。他其實(shí)也是一個tensor，它的shape一般需要和前面的tensor保持一致。

retain_graph: 通常在調(diào)用一次 backward 后，pytorch 會自動把計(jì)算圖銷毀，所以要想對某個變量重復(fù)調(diào)用 backward，則需要將該參數(shù)設(shè)置為True

create_graph: 當(dāng)設(shè)置為True的時候可以用來計(jì)算更高階的梯度

grad_variables: 這個官方說法是 grad_variables' is deprecated. Use 'grad_tensors' instead. 也就是說這個參數(shù)后面版本中應(yīng)該會丟棄，直接使用grad_tensors就好了。

pytorch設(shè)計(jì)了grad_tensors這么一個參數(shù)。它的作用相當(dāng)于“權(quán)重”。

先看一個例子：

x = torch.ones(2,requires_grad=True)
z = x + 2
z.backward()
>>> ...
RuntimeError: grad can be implicitly created only for scalar outputs

上面的報錯信息意思是只有對標(biāo)量輸出它才會計(jì)算梯度，而求一個矩陣對另一矩陣的導(dǎo)數(shù)束手無策。

x = torch.ones(2,requires_grad=True)
z = x + 2
z.sum().backward()
print(x.grad)
>>> tensor([1., 1.])

而grad_tensors這個參數(shù)就扮演了幫助求和的作用。

換句話說，就是對 Z 和一個權(quán)重張量grad_tensors進(jìn)行 hadamard product 后求和。這也是 grad_tensors 需要與傳入的 tensor 大小一致的原因。

x = torch.ones(2,requires_grad=True)
z = x + 2
z.backward(torch.ones_like(z)) # grad_tensors需要與輸入tensor大小一致
print(x.grad)
>>> tensor([1., 1.])

3 torch.autograd.grad

torch.autograd.grad(
        outputs, 
        inputs, 
        grad_outputs=None, 
        retain_graph=None, 
        create_graph=False, 
        only_inputs=True, 
        allow_unused=False)

看了前面的內(nèi)容后再看這個函數(shù)就很好理解了，各參數(shù)作用如下：

outputs: 結(jié)果節(jié)點(diǎn)，即被求導(dǎo)數(shù)

inputs: 葉子節(jié)點(diǎn)

grad_outputs: 類似于backward方法中的grad_tensors

retain_graph: 同上

create_graph: 同上

only_inputs: 默認(rèn)為True，如果為True，則只會返回指定input的梯度值。若為False，則會計(jì)算所有葉子節(jié)點(diǎn)的梯度，并且將計(jì)算得到的梯度累加到各自的.grad屬性上去。

allow_unused: 默認(rèn)為False, 即必須要指定input,如果沒有指定的話則報錯。

注意該函數(shù)返回的是 tuple 類型。

以上為個人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個參考，也希望大家多多支持腳本之家。如有錯誤或未考慮完全的地方，望不吝賜教。

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