只知道TF和PyTorch还不够，快来看看怎么从PyTorch转向自动微分神器JAX

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我是靠谱客的博主淡定洋葱，最近开发中收集的这篇文章主要介绍只知道TF和PyTorch还不够，快来看看怎么从PyTorch转向自动微分神器JAX，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

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本文转载自：机器之心

说到当前的深度学习框架，我们往往绕不开 TensorFlow 和 PyTorch。但除了这两个框架，一些新生力量也不容小觑，其中之一便是 JAX。它具有正向和反向自动微分功能，非常擅长计算高阶导数。这一崭露头角的框架究竟有多好用？怎样用它来展示神经网络内部复杂的梯度更新和反向传播？本文是一个教程贴，教你理解 Jax 的底层逻辑，让你更轻松地从 PyTorch 等进行迁移。

Jax 是谷歌开发的一个 Python 库，用于机器学习和数学计算。一经推出，Jax 便将其定义为一个 Python+NumPy 的程序包。它有着可以进行微分、向量化，在 TPU 和 GPU 上采用 JIT 语言等特性。简而言之，这就是 GPU 版本的 numpy，还可以进行自动微分。甚至一些研究者，如 Skye Wanderman-Milne，在去年的 NeurlPS 2019 大会上就介绍了 Jax。

但是，要让开发者从已经很熟悉的 PyTorch 或 TensorFlow 2.X 转移到 Jax 上，无疑是一个很大的改变：这两者在构建计算和反向传播的方式上有着本质的不同。PyTorch 构建一个计算图，并计算前向和反向传播过程。结果节点上的梯度是由中间节点的梯度累计而成的。

Jax 则不同，它让你用 Python 函数来表达计算过程，并用 grad( ) 将其转换为一个梯度函数，从而让你能够进行评价。但是它并不给出结果，而是给出结果的梯度。两者的对比如下所示：

这样一来，你进行编程和构建模型的方式就不一样了。所以你可以使用 tape-based 的自动微分方法，并使用有状态的对象。但是 Jax 可能让你感到很吃惊，因为运行 grad() 函数的时候，它让微分过程如同函数一样。

也许你已经决定看看如 flax、trax 或 haiku 这些基于 Jax 的工具。在看 ResNet 等例子时，你会发现它和其他框架中的代码不一样。除了定义层、运行训练外，底层的逻辑是什么样的？这些小小的 numpy 程序是如何训练了一个巨大的架构？

本文便是介绍 Jax 构建模型的教程，机器之心节选了其中的两个部分：

1. 快速回顾 PyTorch 上的 LSTM-LM 应用；

2. 看看 PyTorch 风格的代码（基于 mutate 状态），并了解纯函数是如何构建模型的（Jax）；

更多内容可以参考原文。

PyTorch 上的 LSTM 语言模型

我们首先用 PyTorch 实现 LSTM 语言模型，如下为代码：

import torch
class LSTMCell(torch.nn.Module): 
    def __init__(self, in_dim, out_dim): 
        super(LSTMCell, self).__init__() 
        self.weight_ih = torch.nn.Parameter(torch.rand(4*out_dim, in_dim)) 
        self.weight_hh = torch.nn.Parameter(torch.rand(4*out_dim, out_dim)) 
        self.bias = torch.nn.Parameter(torch.zeros(4*out_dim,))  


    def forward(self, inputs, h, c): 
        ifgo = self.weight_ih @ inputs + self.weight_hh @ h + self.bias 
        i, f, g, o = torch.chunk(ifgo, 4) 
        i = torch.sigmoid(i) 
        f = torch.sigmoid(f) 
        g = torch.tanh(g) 
        o = torch.sigmoid(o) 
        new_c = f * c + i * g 
        new_h = o * torch.tanh(new_c) 
        return (new_h, new_c)

然后，我们基于这个 LSTM 神经元构建一个单层的网络。这里会有一个嵌入层，它和可学习的 (h,c)0 会展示单个参数如何改变。

class LSTMLM(torch.nn.Module): 
    def __init__(self, vocab_size, dim=17): 
        super().__init__() 
        self.cell = LSTMCell(dim, dim) 
        self.embeddings = torch.nn.Parameter(torch.rand(vocab_size, dim)) 
        self.c_0 = torch.nn.Parameter(torch.zeros(dim))


    @property 
    def hc_0(self): 
        return (torch.tanh(self.c_0), self.c_0)


    def forward(self, seq, hc): 
         loss = torch.tensor(0.) 
          for idx in seq: 
              loss -= torch.log_softmax(self.embeddings @ hc[0], dim=-1)[idx] 
              hc = self.cell(self.embeddings[idx,:], *hc) 
          return loss, hc  


    def greedy_argmax(self, hc, length=6): 
        with torch.no_grad(): 
            idxs = [] 
            for i in range(length): 
                idx = torch.argmax(self.embeddings @ hc[0]) 
                idxs.append(idx.item()) 
                hc = self.cell(self.embeddings[idx,:], *hc) 
        return idxs

构建后，进行训练：

torch.manual_seed(0)
# As training data, we will have indices of words/wordpieces/characters,
# we just assume they are tokenized and integerized (toy example obviously).
import jax.numpy as jnp
vocab_size = 43 # prime trick! :)
training_data = jnp.array([4, 8, 15, 16, 23, 42])


lm = LSTMLM(vocab_size=vocab_size)
print("Sample before:", lm.greedy_argmax(lm.hc_0))


bptt_length = 3 # to illustrate hc.detach-ing


for epoch in range(101): 
    hc = lm.hc_0 
    totalloss = 0. 
    for start in range(0, len(training_data), bptt_length): 
        batch = training_data[start:start+bptt_length] 
        loss, (h, c) = lm(batch, hc) 
        hc = (h.detach(), c.detach()) 
        if epoch % 50 == 0: 
            totalloss += loss.item() 
        loss.backward() 
        for name, param in lm.named_parameters(): 
            if param.grad is not None: 
                param.data -= 0.1 * param.grad 
                del param.grad 
     if totalloss: 
         print("Loss:", totalloss)
         
print("Sample after:", lm.greedy_argmax(lm.hc_0))
Sample before: [42, 34, 34, 34, 34, 34]
Loss: 25.953862190246582
Loss: 3.7642268538475037
Loss: 1.9537211656570435
Sample after: [4, 8, 15, 16, 23, 42]

可以看到，PyTorch 的代码已经比较清楚了，但是还是有些问题。尽管我非常注意，但是还是要关注计算图中的节点数量。那些中间节点需要在正确的时间被清除。

纯函数

为了理解 JAX 如何处理这一问题，我们首先需要理解纯函数的概念。如果你之前做过函数式编程，那你可能对以下概念比较熟悉：纯函数就像数学中的函数或公式。它定义了如何从某些输入值获得输出值。重要的是，它没有「副作用」，即函数的任何部分都不会访问或改变任何全局状态。

我们在 Pytorch 中写代码时充满了中间变量或状态，而且这些状态经常会改变，这使得推理和优化工作变得非常棘手。因此，JAX 选择将程序员限制在纯函数的范围内，不让上述情况发生。

在深入了解 JAX 之前，可以先看几个纯函数的例子。纯函数必须满足以下条件：

你在什么情况下执行函数、何时执行函数应该不影响输出——只要输入不变，输出也应该不变；
无论我们将函数执行了 0 次、1 次还是多次，事后应该都是无法辨别的。

以下非纯函数都至少违背了上述条件中的一条：

import random
import time
nr_executions = 0


def pure_fn_1(x): 
    return 2 * x
    
def pure_fn_2(xs): 
    ys = [] 
    for x in xs: 
        # Mutating stateful variables *inside* the function is fine! 
        ys.append(2 * x) 
    return ys


def impure_fn_1(xs): 
    # Mutating arguments has lasting consequences outside the function! :( 
    xs.append(sum(xs)) 
    return xs


def impure_fn_2(x): 
    # Very obviously mutating 
    global state is bad... global 
    nr_executions nr_executions += 1 
    return 2 * x


def impure_fn_3(x): 
    # ...but just accessing it is, too, because now the function depends on the 
    # execution context! 
    return nr_executions * x


def impure_fn_4(x): 
    # Things like IO are classic examples of impurity. 
    # All three of the following lines are violations of purity: 
    print("Hello!") 
    user_input = input() 
    execution_time = time.time() 
    return 2 * x


def impure_fn_5(x): 
    # Which constraint does this violate? Both, actually! You access the current 
    # state of randomness *and* advance the number generator! 
    p = random.random() 
    return p * x
Let's see a pure function that JAX operates on: the example from the intro figure.


# (almost) 1-D linear regression
def f(w, x): 
    return w * x


print(f(13., 42.))
546.0

目前为止还没有出现什么状况。JAX 现在允许你将下列函数转换为另一个函数，不是返回结果，而是返回函数结果针对函数第一个参数的梯度。

import jax
import jax.numpy as jnp


# Gradient: with respect to weights! JAX uses the first argument by default.
df_dw = jax.grad(f)


def manual_df_dw(w, x): 
    return x
    
assert df_dw(13., 42.) == manual_df_dw(13., 42.)


print(df_dw(13., 42.))
42.0

到目前为止，前面的所有内容你大概都在 JAX 的 README 文档见过，内容也很合理。但怎么跳转到类似 PyTorch 代码里的那种大模块呢？

首先，我们来添加一个偏置项，并尝试将一维线性回归变量包装成一个我们习惯使用的对象——一种线性回归「层」（LinearRegressor「layer」）:

class LinearRegressor(): 
    def __init__(self, w, b): 
    self.w = w 
    self.b = b 
    
    def predict(self, x): 
        return self.w * x + self.b 
        
    def rms(self, xs: jnp.ndarray, ys: jnp.ndarray): 
        return jnp.sqrt(jnp.sum(jnp.square(self.w * xs + self.b - ys)))
        
my_regressor = LinearRegressor(13., 0.)


# A kind of loss fuction, used for training
xs = jnp.array([42.0])
ys = jnp.array([500.0])
print(my_regressor.rms(xs, ys))


# Prediction for test data
print(my_regressor.predict(42.))
46.0
546.0

接下来要怎么利用梯度进行训练呢？我们需要一个纯函数，它将我们的模型权重作为函数的输入参数，可能会像这样：

def loss_fn(w, b, xs, ys): 
    my_regressor = LinearRegressor(w, b) 
    return my_regressor.rms(xs=xs, ys=ys)
    
# We use argnums=(0, 1) to tell JAX to give us
# gradients wrt first and second parameter.
grad_fn = jax.grad(loss_fn, argnums=(0, 1))


print(loss_fn(13., 0., xs, ys))
print(grad_fn(13., 0., xs, ys))
46.0
(DeviceArray(42., dtype=float32), DeviceArray(1., dtype=float32))

你要说服自己这是对的。现在，这是可行的，但显然，在 loss_fn 的定义部分枚举所有参数是不可行的。

幸运的是，JAX 不仅可以对标量、向量、矩阵进行微分，还能对许多类似树的数据结构进行微分。这种结构被称为 pytree，包括 python dicts：

def loss_fn(params, xs, ys): 
    my_regressor = LinearRegressor(params['w'], params['b']) 
    return my_regressor.rms(xs=xs, ys=ys)


grad_fn = jax.grad(loss_fn)


print(loss_fn({'w': 13., 'b': 0.}, xs, ys))
print(grad_fn({'w': 13., 'b': 0.}, xs, ys))
46.0
{'b': DeviceArray(1., dtype=float32), 'w': DeviceArray(42., dtype=float32)}So this already looks nicer! We could write a training loop like this:

现在看起来好多了！我们可以写一个下面这样的训练循环：

params = {'w': 13., 'b': 0.}


for _ in range(15): 
    print(loss_fn(params, xs, ys)) 
    grads = grad_fn(params, xs, ys) 
    for name in params.keys(): 
        params[name] -= 0.002 * grads[name]
        
# Now, predict:
LinearRegressor(params['w'], params['b']).predict(42.)
46.0
42.47003
38.940002
35.410034
31.880066
28.350098
24.820068
21.2901
17.760132
14.230164
10.700165
7.170166
3.6401978
0.110198975
3.4197998
DeviceArray(500.1102, dtype=float32)

注意，现在已经可以使用更多的 JAX helper 来进行自我更新：由于参数和梯度拥有共同的（类似树的）结构，我们可以想象将它们置于顶端，创造一个新树，其值在任何地方都是这两个树的「组合」，如下所示:

def update_combiner(param, grad, lr=0.002): 
    return param - lr * grad
    
params = jax.tree_multimap(update_combiner, params, grads)
# instead of:
# for name in params.keys():
# params[name] -= 0.1 * grads[name]

参考链接：https://sjmielke.com/jax-purify.htm