L0 torch 构建网络初步

L0 pytorch 构建简单网络

本文是L0, 目的是把pytorch构建感知器的程序，仔细剖析理解。

import torch
from torch import nn

torch.__version__

'1.3.0'

STEP 1 手工定义全连接层Linear

#torch.nn是专门为深度学习设计的模块。torch.nn的核心数据结构是Module
#它是一个抽象的概念，#既可以表示神经网络中的某个层(layer)，
#也可以表示一个包含很多层的神经网络
#class Linear(nn.Module):
#    def __init__(self,in_dim,out_dim):
#    def forward(self,x):


# 手工定义全连接层，写forward
class Linear(nn.Module):
    def __init__(self,in_dim,out_dim):
        super(Linear,self).__init__() 
        #调用nn.Moudule 的初始化函数，首先找到Linear的父类nn.Moudle
        #然后把类Linear的对象self转换为类nn.Moudle的对象，然后“被转换”的类nn.Moudle对象调用自己的__init__函数
        #也可以写成nn.Module.__init__(self)
        
        #在构造函数__init__中必须自己定义可学习的参数，并封装成Parameter
        # parameter是一种特殊的Variable，但其默认需要求导（requires_grad = True）
        self.w = nn.Parameter(torch.randn(in_dim,out_dim))
        self.b = nn.Parameter(torch.randn(out_dim))
        
    def forward(self ,x):
        x=x.matmul(self.w) #使用Tensor.matmul 实现w*x矩阵相乘
        y=x+self.b.expand_as(x) #即 y=wx + b 使用Tensor.expand_as 保证x 和b形状一致
        print("调式点1：y的输出维度为",y.shape) #测试x的维度
        return y
  

STEP2 测试Linear 层是否能正常工作

# 初始化 Linear层结构为 4*3 
layer = Linear(4, 3)

# 测试喂数据，是否有输出，理解输入输出的维度
#from torch.autograd import Variable as V
#input = V(torch.randn(2, 4))
input = torch.randn(2,4)#输入为二行样本，每行4个特征
output = layer(input)   #模型每次输入4个特征，输出3个值。
print(output) # 二行样本，输出2个3维的结果，因此y的输入维度为  torch.size([2,3])

调式点1：y的输出维度为 torch.Size([2, 3])
tensor([[-1.2798, -1.4936,  0.2399],
        [-1.1742,  1.2190, -2.8469]], grad_fn=<AddBackward0>)

理解
input = torch.randn(2,4)
output = layer(input)
1） 定义layer对输入形状都有假设：输入的不是单行样本数据，而是一个batch。此处batch的大小为2
2）若想输入单行样本数据 必须调用unsqueeze(0)函数将数据伪装成batch_size=1的batch。

# 原数据2*4，为batch为2，每batch数据为4维
#通过unsqueeze 将2*4的数据伪装成 1*2*4的数据，batch变成1，每个batch数据变成2*4
input = torch.randn(2,4)
input.unsqueeze(0).size()

torch.Size([1, 2, 4])

# 测试目前网络的参数，理解参数的维度
for name, param in layer.named_parameters():
    print(name) 
    print(param) 
    #w 维度为4*3 b的维度为1*3

w
Parameter containing:
tensor([[-0.3579, -0.6608,  0.1783],
        [ 1.6277, -0.4486, -1.9849],
        [ 0.9500, -0.1879,  1.7154],
        [-0.5778, -0.2012,  1.5576]], requires_grad=True)
b
Parameter containing:
tensor([-0.9491, -0.1104, -1.2390], requires_grad=True)

for name, param in layer.named_parameters():
    print(name, param.size())

w torch.Size([4, 3])
b torch.Size([3])

module中parameter的命名规范：
1)对于类似self.param_name = nn.Parameter(t.randn(3, 4))，命名为param_name
2)对于子Module中的parameter，会其名字之前加上当前Module的名字。
如对于self.sub_module = SubModel()，SubModel中有个parameter的名字叫做param_name，
那么二者拼接而成的parameter name 就是sub_module.param_name。
见后续采用Linear类进一步构建多层感知器的例子

STEP3 组建 二个全连接层的感知器

class Perceptron (nn.Module):
    def __init__(self, in_features, hidden_features, out_features):
        super(Perceptron,self).__init__()  #或写成nn.Module.__init__(self)
        # 利用 Linear subModel组建 layer 1 ,layer 2
        self.layer1 = Linear(in_features, hidden_features)
        self.layer2 = Linear(hidden_features, out_features)
         
    def forward(self, x):
        x = self.layer1(x)
        x = torch.sigmoid(x)
        x = self.layer2(x)
        y = torch.sigmoid(x)
        return y
 
per = Perceptron(3, 4, 1)

per

Perceptron(
  (layer1): Linear()
  (layer2): Linear()
)

# 测试网络参数
for name, param in per.named_parameters():
    print("sub_module.param_name::",name, param.size())

sub_module.param_name:: layer1.w torch.Size([3, 4])
sub_module.param_name:: layer1.b torch.Size([4])
sub_module.param_name:: layer2.w torch.Size([4, 1])
sub_module.param_name:: layer2.b torch.Size([1])

1)Module中的可学习参数可以通过**named_parameters()**或者parameters()返回迭代器，前者会给每个parameter都附上名字，使其更具有辨识度。
2)Module能够自动检测到自己的Parameter，并将其作为学习参数。

# 测试网络输入，输出
data=torch.randn(4,3)
output=per(data)
output

调式点1：y的输出维度为 torch.Size([4, 4])
调式点1：y的输出维度为 torch.Size([4, 1])





tensor([[0.5478],
        [0.6146],
        [0.6252],
        [0.8016]], grad_fn=<SigmoidBackward>)

STEP 4 利用nn.Sequential 快速搭建网络

从上面的例子，可以看出在forward()方法中必须理解网络结构，并根据网络层次的之间的关系完成网络组装。
当模型仅仅是简单的前馈网络时，可以采用nn.Sequentail()模块来快速搭建模块，而不必手动的在forward()方法手工构建。

class Seq_Perceptron (nn.Module):
    
    def __init__(self, in_features, hidden_features, out_features):
        super(Seq_Perceptron ,self).__init__()  #或写成nn.Module.__init__(self)
        # 利用 Linear subModel组建 layer 1 ,layer 2
        #self.layer1 = Linear(in_features, hidden_features)
        #self.layer2 = Linear(hidden_features, out_features)
        self.seq_layer = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_features,hidden_features),
            nn.Sigmoid(),
            nn.Linear(hidden_features,out_features),
            nn.Sigmoid()
            )
       
    def forward(self, x):
        y =  self.seq_layer(x)
        return y

# 测试网络输入，输出
per = Seq_Perceptron(3, 4, 1)
data=torch.randn(4,3)
output=per(data)
output

tensor([[0.5853],
        [0.6061],
        [0.5967],
        [0.6131]], grad_fn=<SigmoidBackward>)