『MXNet』第二弹_Gluon构建模型

上节用了Sequential类来构造模型。这里我们另外一种基于Block类的模型构造方法，它让构造模型更加灵活，也将让你能更好的理解Sequential的运行机制。

回顾：

序列模型生成
层填充
初始化模型参数

net = gluon.nn.Sequential()
with net.name_scope():
    net.add(gluon.nn.Dense(1))
net.collect_params().initialize(mx.init.Normal(sigma=1))  # 模型参数初始化选择normal分布

两点讲解：

super(MLP, self).__init__(**kwargs)：调用nn.Block的__init__，提供了prefix（指定名称）和params（指定参数）两个参数。

self.name_scope()：调用nn.Block的name_scope，给域内层、参数名加上前缀prefix，和TensorFlow类似

继承Block类来构造模型

存储参数
定义向前传播如何进行
自动求导

Block类是gluon.nn里提供的一个模型构造类，我们可以继承它来定义我们想要的模型。例如，我们在这里构造一个同前提到的相同的多层感知机。这里定义的MLP类重载了Block类的两个函数：__init__和forward.

from mxnet import nd
from mxnet.gluon import nn
 
class MLP(nn.Block):
    # 声明带有模型参数的层，这里我们声明了两个全链接层。
    def __init__(self, **kwargs):
        # 调用 MLP 父类 Block 的构造函数来进行必要的初始化。这样在构造实例时还可以指定
        # 其他函数参数，例如下下一节将介绍的模型参数 params.
        super(MLP, self).__init__(**kwargs)
        # 隐藏层。
        self.hidden = nn.Dense(256, activation='relu')
        # 输出层。
        self.output = nn.Dense(10)
    # 定义模型的前向计算，即如何根据输出计算输出。
    def forward(self, x):
        return self.output(self.hidden(x))

建立之后进行forward测试，

x = nd.random.uniform(shape=(2,20))
net = MLP()
net.initialize()
net(x)

[[ 0.09543004  0.04614332 -0.00286654 -0.07790349 -0.05130243  0.02942037
   0.08696642 -0.0190793  -0.04122177  0.05088576]
 [ 0.0769287   0.03099705  0.00856576 -0.04467199 -0.06926839  0.09132434
   0.06786595 -0.06187842 -0.03436673  0.04234694]]
<NDArray 2x10 @cpu(0)>

其中，net(x)会调用了MLP继承至Block的__call__函数，这个函数将调用MLP定义的forward函数来完成前向计算。

我们无需在这里定义反向传播函数，系统将通过自动求导，来自动生成backward函数。

注意到我们不是将Block叫做层或者模型之类的名字，这是因为它是一个可以自由组建的部件。它的子类既可以一个层，例如Gluon提供的Dense类，也可以是一个模型，我们定义的MLP类，或者是模型的一个部分，例如ResNet的残差块。我们下面通过两个例子说明它。

Sequential：Block的容器

Sequential类继承自Block类，实质来说就是将初始化各个层的过程从__init__移到了add方法中。

当模型的前向计算就是简单串行计算模型里面各个层的时候，我们可以将模型定义变得更加简单，这个就是Sequential类的目的，它通过add函数来添加Block子类实例，前向计算时就是将添加的实例逐一运行。下面我们实现一个跟Sequential类有相同功能的类，这样你可以看的更加清楚它的运行机制。

class MySequential(nn.Block):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(MySequential, self).__init__(**kwargs)
 
    def add(self, block):
        # block 是一个 Block 子类实例，假设它有一个独一无二的名字。我们将它保存在
        # Block 类的成员变量 _children 里，其类型是 OrderedDict. 当调用
        # initialize 函数时，系统会自动对 _children 里面所有成员初始化。
        self._children[block.name] = block
 
    def forward(self, x):
        # OrderedDict 保证会按照插入时的顺序遍历元素。
        for block in self._children.values():
            x = block(x)
        return

我们用MySequential类来实现MLP类：

net = MySequential()
net.add(nn.Dense(256, activation='relu'))
net.add(nn.Dense(10))
net.initialize()
net(x)

[[ 0.00362228  0.00633332  0.03201144 -0.01369375  0.10336449 -0.03508018
  -0.00032164 -0.01676023  0.06978628  0.01303309]
 [ 0.03871715  0.02608213  0.03544959 -0.02521311  0.11005433 -0.0143066
  -0.03052466 -0.03852827  0.06321152  0.0038594 ]]
<NDArray 2x10 @cpu(0)>

构造复杂的模型

虽然Sequential类可以使得模型构造更加简单，不需要定义forward函数，但直接继承Block类可以极大的拓展灵活性。下面我们构造一个稍微复杂点的网络：

在前向计算中使用了NDArray函数和Python的控制流：forward函数内部是自由发挥的舞台
多次调用同一层

class FancyMLP(nn.Block):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(FancyMLP, self).__init__(**kwargs)
        # 不会被更新的随机权重。
        self.rand_weight = nd.random.uniform(shape=(20, 20))
        self.dense = nn.Dense(20, activation='relu')
 
    def forward(self, x):
        x = self.dense(x)
        # 使用了 nd 包下 relu 和 dot 函数。
        x = nd.relu(nd.dot(x, self.rand_weight) + 1)
        # 重用了 dense，等价于两层网络但共享了参数。
        x = self.dense(x)
        # 控制流，这里我们需要调用 asscalar 来返回标量进行比较。
        while x.norm().asscalar() > 1:
            x /= 2
        if x.norm().asscalar() < 0.8:
            x *= 10
        return x.sum()

在这个FancyMLP模型中，我们使用了常数权重rand_weight（注意它不是模型参数）、做了矩阵乘法操作（nd.dot）并重复使用了相同的Dense层。测试一下：

net = FancyMLP()
net.initialize()
net(x)

[ 18.57195282]

<NDArray 1 @cpu(0)>

由于FancyMLP和Sequential都是Block的子类，我们可以嵌套调用他们：

class NestMLP(nn.Block):
    def __init__(self, **kwargs):
        super(NestMLP, self).__init__(**kwargs)
        self.net = nn.Sequential()
        self.net.add(nn.Dense(64, activation='relu'),
                     nn.Dense(32, activation='relu'))
        self.dense = nn.Dense(16, activation='relu')
 
    def forward(self, x):
        return self.dense(self.net(x))
 
net = nn.Sequential()
net.add(NestMLP(), nn.Dense(20), FancyMLP())
 
net.initialize()
net(x)

[ 24.86621094]

<NDArray 1 @cpu(0)>