PyTorch模型容器与AlexNet构建示例详解

• 模型容器与AlexNet构建
• nn.Sequetial
• 总结
• nn.ModuleList
• nn.ModuleDict
• 容器总结
• AlexNet实现

文章和代码已经归档至【Github仓库：https://github.com/timerring/dive-into-AI】

除了上述的模块之外，还有一个重要的概念是模型容器 (Containers)，常用的容器有 3 个，这些容器都是继承自nn.Module。

• nn.Sequetial：按照顺序包装多个网络层
• nn.ModuleList：像 python 的 list 一样包装多个网络层，可以迭代
• nn.ModuleDict：像 python 的 dict 一样包装多个网络层，通过 (key, value) 的方式为每个网络层指定名称。

深度学习中，特征提取和分类器这两步被融合到了一个神经网络中。在卷积神经网络中，前面的卷积层以及池化层可以认为是特征提取部分，而后面的全连接层可以认为是分类器部分。比如 LeNet 就可以分为特征提取和分类器两部分，这 2 部分都可以分别使用nn.Seuqtial来包装。

代码如下：

class LeNetSequetial(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNet2, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 6, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2, 2),
            nn.Conv2d(6, 16, 5),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(2, 2)
        )
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Linear(16*5*5, 120),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(120, 84),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(84, classes)
        )
    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = x.view(x.size()[0], -1)
        x = self.classifier(x)
        return x

在初始化时，nn.Sequetial会调用__init__()方法，将每一个子 module 添加到 自身的_modules属性中。这里可以看到，我们传入的参数可以是一个 list，或者一个 OrderDict。如果是一个 OrderDict，那么则使用 OrderDict 里的 key，否则使用数字作为 key。

def __init__(self, *args):
        super(Sequential, self).__init__()
        if len(args) == 1 and isinstance(args[0], OrderedDict):
            for key, module in args[0].items():
                self.add_module(key, module)
        else:
            for idx, module in enumerate(args):
                self.add_module(str(idx), module)

网络初始化完成后有两个子module：features和classifier。

而features中的子 module 如下，每个网络层以序号作为 key：

在进行前向传播时，会进入 LeNet 的forward()函数，首先调用第一个Sequetial容器：self.features，由于self.features也是一个 module，因此会调用__call__()函数，里面调用

result = self.forward(*input, **kwargs)，进入nn.Seuqetial的forward()函数，在这里依次调用所有的 module。上一个module的输出是下一个module的输入。

def forward(self, input):
        for module in self:
            input = module(input)
        return input

在上面可以看到在nn.Sequetial中，里面的每个子网络层 module 是使用序号来索引的，即使用数字来作为key。

一旦网络层增多，难以查找特定的网络层，这种情况可以使用 OrderDict (有序字典)。可以与上面的代码对比一下

class LeNetSequentialOrderDict(nn.Module):
    def __init__(self, classes):
        super(LeNetSequentialOrderDict, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(OrderedDict({
            'conv1': nn.Conv2d(3, 6, 5),
            'relu1': nn.ReLU(inplace=True),
            'pool1': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
            'conv2': nn.Conv2d(6, 16, 5),
            'relu2': nn.ReLU(inplace=True),
            'pool2': nn.MaxPool2d(kernel_size=2, stride=2),
        }))
        self.classifier = nn.Sequential(OrderedDict({
            'fc1': nn.Linear(16*5*5, 120),
            'relu3': nn.ReLU(),
            'fc2': nn.Linear(120, 84),
            'relu4': nn.ReLU(inplace=True),
            'fc3': nn.Linear(84, classes),
        }))
        ...
        ...
        ...

nn.Sequetial是nn.Module的容器，用于按顺序包装一组网络层，有以下两个特性。

• 顺序性：各网络层之间严格按照顺序构建，我们在构建网络时，一定要注意前后网络层之间输入和输出数据之间的形状是否匹配
• 自带forward()函数：在nn.Sequetial的forward()函数里通过 for 循环依次读取每个网络层，执行前向传播运算。这使得我们我们构建的模型更加简洁

nn.ModuleList是nn.Module的容器，用于包装一组网络层，以迭代的方式调用网络层，主要有以下 3 个方法：

• append()：在 ModuleList 后面添加网络层
• extend()：拼接两个 ModuleList
• insert()：在 ModuleList 的指定位置中插入网络层

下面的代码通过列表生成式来循环迭代创建 20 个全连接层，非常方便，只是在forward()函数中需要手动调用每个网络层。

class ModuleList(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleList, self).__init__()
        self.linears = nn.ModuleList([nn.Linear(10, 10) for i in range(20)])
    def forward(self, x):
        for i, linear in enumerate(self.linears):
            x = linear(x)
        return x
net = ModuleList()
print(net)
fake_data = torch.ones((10, 10))
output = net(fake_data)
print(output)

nn.ModuleDict是nn.Module的容器，用于包装一组网络层，以索引的方式调用网络层，主要有以下 5 个方法：

• clear()：清空 ModuleDict
• items()：返回可迭代的键值对 (key, value)
• keys()：返回字典的所有 key
• values()：返回字典的所有 value
• pop()：返回一对键值，并从字典中删除

下面的模型创建了两个ModuleDict：self.choices和self.activations，在前向传播时通过传入对应的 key 来执行对应的网络层。

class ModuleDict(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ModuleDict, self).__init__()
        self.choices = nn.ModuleDict({
            'conv': nn.Conv2d(10, 10, 3),
            'pool': nn.MaxPool2d(3)
        })
        self.activations = nn.ModuleDict({
            'relu': nn.ReLU(),
            'prelu': nn.PReLU()
        })
    def forward(self, x, choice, act):
        x = self.choices[choice](x)
        x = self.activations[act](x)
        return x
net = ModuleDict()
fake_img = torch.randn((4, 10, 32, 32))
output = net(fake_img, 'conv', 'relu')
# output = net(fake_img, 'conv', 'prelu')
print(output)

• nn.Sequetial：顺序性，各网络层之间严格按照顺序执行，常用于 block 构建，在前向传播时的代码调用变得简洁
• nn.ModuleList：迭代行，常用于大量重复网络构建，通过 for 循环实现重复构建
• nn.ModuleDict：索引性，常用于可选择的网络层

AlexNet 特点如下：

• 采用 ReLU 替换饱和激活函数，减轻梯度消失
• 采用 LRN (Local Response Normalization) 对数据进行局部归一化，减轻梯度消失
• 采用 Dropout 提高网络的鲁棒性，增加泛化能力
• 使用 Data Augmentation，包括 TenCrop 和一些色彩修改

AlexNet 的网络结构可以分为两部分：features 和 classifier。

可以在计算机视觉库torchvision.models中找到 AlexNet 的代码，通过看可知使用了nn.Sequential来封装网络层。

class AlexNet(nn.Module):
    def __init__(self, num_classes=1000):
        super(AlexNet, self).__init__()
        self.features = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=11, stride=4, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(64, 192, kernel_size=5, padding=2),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
            nn.Conv2d(192, 384, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(384, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Conv2d(256, 256, kernel_size=3, padding=1),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2),
        )
        self.avgpool = nn.AdaptiveAvgPool2d((6, 6))
        self.classifier = nn.Sequential(
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(256 * 6 * 6, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Dropout(),
            nn.Linear(4096, 4096),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(4096, num_classes),
        )
    def forward(self, x):
        x = self.features(x)
        x = self.avgpool(x)
        x = torch.flatten(x, 1)
        x = self.classifier(x)
        return x