tensorflow 是 自动微分的,但是如果你不给它定义微分方程的话,它啥也干不了
在使用 tensorflow
的时候,有时不可避免的会需要自定义 op
,官方文档对于 定义 op
的前向过程介绍挺详细,但是对于 梯度 的介绍有点随意。 本文主要介绍在 python
端,和在 c++
端对 op
的梯度进行定义。
第一个例子:
from tensorflow.python.framework import ops
from tensorflow.python.ops import array_ops
from tensorflow.python.ops import sparse_ops
@ops.RegisterGradient("ZeroOut")
def _zero_out_grad(op, grad):
"""The gradients for `zero_out`.
Args:
op: The `zero_out` `Operation` that we are differentiating, which we can use
to find the inputs and outputs of the original op.
grad: Gradient with respect to the output of the `zero_out` op.
Returns:
Gradients with respect to the input of `zero_out`.
"""
to_zero = op.inputs[0]
shape = array_ops.shape(to_zero)
index = array_ops.zeros_like(shape)
first_grad = array_ops.reshape(grad, [-1])[0]
to_zero_grad = sparse_ops.sparse_to_dense([index], shape, first_grad, 0)
return [to_zero_grad] # List of one Tensor, since we have one input
这个是官网的示例,从这个例子中,我们可以学到,在 python 中定义 op 的梯度的时候:
@ops.RegisterGradient("OpName")
def _computer_gradient(op, grad)
,第一个用来接收 要计算梯度的 op,第二个用来接收 上一层传回来的梯度。op
的组合。尚不清楚的是:
tensorflow
已有的操作,如果 tensorflow
没有想要的操作,应该怎么办?第二个例子:用 roi 层的实现来作为例子
@ops.RegisterGradient("RoiPool")
def _roi_pool_grad(op, grad, _):
"""The gradients for `roi_pool`.
Args:
op: The `roi_pool` `Operation` that we are differentiating, which we can use
to find the inputs and outputs of the original op.
grad: Gradient with respect to the output of the `roi_pool` op.
Returns:
Gradients with respect to the input of `RoiPool`.
"""
data = op.inputs[0]
rois = op.inputs[1]
argmax = op.outputs[1]
pooled_height = op.get_attr('pooled_height')
pooled_width = op.get_attr('pooled_width')
spatial_scale = op.get_attr('spatial_scale')
# compute gradient
data_grad = roi_pooling_op.roi_pool_grad(data, rois, argmax, grad, pooled_height, pooled_width, spatial_scale)
return [data_grad, None] # roi有两个输入,但是第二个输入不需要 梯度
这是 roi
层 定义 梯度的代码 roi
层有两个输入,两个输出。从这里我们可以学到:
op
的属性,使用 op.get_attr("attr_name")
op.inputs[i]
可以获取 op
的 第 i
个输入。op.outputs[j]
,可以获取 op
的第 i
个输出。roi
梯度的核心还是 roi_pool_grad
计算的,这个 op
不是 tensorflow
本身自带的,而是后期注册的。这个告诉我们,如果没有合适的 op
帮助我们计算 梯度,我们可以 注册一个 op
,用这个op
计算 梯度。关于多个输出的 op
tensorflow 中到底有没有多输出的 op , 这个不太清楚,但是我根据官网的
zero_out
代码写了一個鬼畜的多输出代码,没有任何实用价值,仅供娱乐
#include "tensorflow/core/framework/op.h"
#include "tensorflow/core/framework/shape_inference.h"
#include "tensorflow/core/framework/op_kernel.h"
#include <cfloat>
#include "third_party/eigen3/unsupported/Eigen/CXX11/Tensor"
#include "tensorflow/core/framework/tensor_shape.h"
#include <iostream>
using namespace std;
using namespace tensorflow;
REGISTER_OP("ZeroOut")
.Input("to_zero: int32")
.Output("zeroed: int32")
.Output("indice: int32")
;
class ZeroOutOp : public OpKernel {
public:
explicit ZeroOutOp(OpKernelConstruction* context) : OpKernel(context) {
cout<<"hello, there"<<endl;
}
void Compute(OpKernelContext* context) override {
// Grab the input tensor
const Tensor& input_tensor = context->input(0);
auto input = input_tensor.flat<int32>();
// Create an output tensor
Tensor* output_tensor = NULL;
Tensor* output_tensor_indice = NULL;
TensorShape indice_shape;
int dims[] = {1};
TensorShapeUtils::MakeShape(dims, 1, &indice_shape);
OP_REQUIRES_OK(context, context->allocate_output(0, input_tensor.shape(),
&output_tensor));
OP_REQUIRES_OK(context, context->allocate_output(1, indice_shape,
&output_tensor_indice));
auto output_flat = output_tensor->flat<int32>();
auto indice_flat = output_tensor_indice->flat<int32>();
indice_flat(0) = 3;
// Set all but the first element of the output tensor to 0.
const int N = input.size();
for (int i = 1; i < N; i++) {
output_flat(i) = 0;
}
// Preserve the first input value if possible.
if (N > 0) output_flat(0) = input(0);
}
};
REGISTER_KERNEL_BUILDER(Name("ZeroOut").Device(DEVICE_CPU), ZeroOutOp);
// 编译命令
// TF_INC=$(python -c 'import tensorflow as tf; print(tf.sysconfig.get_include())')
// g++ -std=c++11 -shared zero_out.cc -o zero_out.so -fPIC -I $TF_INC -O2 -D_GLIBCXX_USE_CXX11_ABI=0
通过这个例子,学到了:
op
,run
时候返回的不是 ndarray
,而是 一个对象 <class '598f596b9f78ee7154fbfc866bcdc81d.ZeroOut'>
,我们可以通过下标索引来获取 op
的 第一,第二个 outputs
。多输出梯度的定义
当 ZeroOut 有两个输出的时候,下面这个代码会报错,
TypeError: _zero_out_grad() takes 2 positional arguments but 3 were given
, 这就说明,如果op
有 N 个输出的话,那么gradient
函数就应该有N+1
个参数,分别代表,op
和 各个输出的梯度。
# wrong!!
@ops.RegisterGradient("ZeroOut")
def _zero_out_grad(op, grad):
to_zero = op.inputs[0]
shape = array_ops.shape(to_zero)
index = array_ops.zeros_like(shape)
first_grad = array_ops.reshape(grad, [-1])[0]
to_zero_grad = sparse_ops.sparse_to_dense([index], shape, first_grad, 0)
return [to_zero_grad]
# right!!
@ops.RegisterGradient("ZeroOut")
def _zero_out_grad(op, grad, _):
to_zero = op.inputs[0]
shape = array_ops.shape(to_zero)
index = array_ops.zeros_like(shape)
first_grad = array_ops.reshape(grad, [-1])[0]
to_zero_grad = sparse_ops.sparse_to_dense([index], shape, first_grad, 0)
return [to_zero_grad]
c++ 定义 op 的梯度主要使用的 REGISTER_OP_GRADIENT 宏 和 FDH (Function Define Helper)
先从最简单的看起 ReluGrad
源码地址
#include "tensorflow/core/framework/function.h"
#include "tensorflow/core/lib/core/errors.h"
#include "tensorflow/core/util/padding.h"
#include "tensorflow/core/util/tensor_format.h"
namespace tensorflow {
typedef FunctionDefHelper FDH;
Status ReluGrad(const AttrSlice& attrs, FunctionDef* g) {
// clang-format off
*g = FDH::Define(
// Arg defs,定义参数,前向过程的输入 和 输出的梯度
{"x: T", "dy: T"},
// Ret val defs,梯度返回值定义
{"dx: T"},
// Attr defs,属性定义,
{{"T: {float, double}"}},
// Nodes,节点定义:用已有的 op 计算梯度,下面的定义过程就是梯度的计算过程。
{
{{"dx"}, "ReluGrad", {"dy", "x"}, {{"T", "$T"}}}
});
// clang-format on
return Status::OK();
}
REGISTER_OP_GRADIENT("Relu", ReluGrad);
}
一些核心 op 的 REGISTER 部分 github
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25929909