6.1. 层和块

之前首次介绍神经网络时，我们关注的是具有单一输出的线性模型。 在这里，整个模型只有一个输出。 注意，单个神经网络 （1）接受一些输入； （2）生成相应的标量输出； （3）具有一组相关 参数（parameters），更新这些参数可以优化某目标函数。

然后，当考虑具有多个输出的网络时， 我们利用矢量化算法来描述整层神经元。 像单个神经元一样，层（1）接受一组输入， （2）生成相应的输出， （3）由一组可调整参数描述。 当我们使用softmax回归时，一个单层本身就是模型。 然而，即使我们随后引入了多层感知机，我们仍然可以认为该模型保留了上面所说的基本架构。

对于多层感知机而言，整个模型及其组成层都是这种架构。 整个模型接受原始输入（特征），生成输出（预测）， 并包含一些参数（所有组成层的参数集合）。 同样，每个单独的层接收输入（由前一层提供）， 生成输出（到下一层的输入），并且具有一组可调参数， 这些参数根据从下一层反向传播的信号进行更新。

事实证明，研究讨论“比单个层大”但“比整个模型小”的组件更有价值。 例如，在计算机视觉中广泛流行的ResNet-152架构就有数百层， 这些层是由层组（groups of layers）的重复模式组成。 这个ResNet架构赢得了2015年ImageNet和COCO计算机视觉比赛 的识别和检测任务 ()。 目前ResNet架构仍然是许多视觉任务的首选架构。 在其他的领域，如自然语言处理和语音， 层组以各种重复模式排列的类似架构现在也是普遍存在。

为了实现这些复杂的网络，我们引入了神经网络块的概念。 块（block）可以描述单个层、由多个层组成的组件或整个模型本身。 使用块进行抽象的一个好处是可以将一些块组合成更大的组件， 这一过程通常是递归的，如 图6.1.1所示。 通过定义代码来按需生成任意复杂度的块， 我们可以通过简洁的代码实现复杂的神经网络。

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图6.1.1 多个层被组合成块，形成更大的模型

从编程的角度来看，块由类（class）表示。 它的任何子类都必须定义一个将其输入转换为输出的前向传播函数， 并且必须存储任何必需的参数。 注意，有些块不需要任何参数。 最后，为了计算梯度，块必须具有反向传播函数。 在定义我们自己的块时，由于自动微分（在 3.5节 中引入） 提供了一些后端实现，我们只需要考虑前向传播函数和必需的参数。

在构造自定义块之前，我们先回顾一下多层感知机 （ 5.3节 ）的代码。 下面的代码生成一个网络，其中包含一个具有256个单元和ReLU激活函数的全连接隐藏层， 然后是一个具有10个隐藏单元且不带激活函数的全连接输出层。

import mlx.core as mx
import mlx.nn as nn

net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
X = mx.random.uniform(shape=(2, 20))
net(X)

array([[0.109861, 0.1711, -0.143398, ..., 0.195292, -0.208789, 0.126438],
       [-0.0241736, 0.236935, -0.0414951, ..., 0.258634, -0.149961, 0.0697886]], dtype=float32)

在这个例子中，我们通过实例化nn.Sequential来构建我们的模型， 层的执行顺序是作为参数传递的。 简而言之，nn.Sequential定义了一种特殊的Layer， 即在PaddlePaddle中表示一个块的类， 它维护了一个由Layer组成的有序列表。 注意，两个全连接层都是Linear类的实例， Linear类本身就是Layer的子类。 另外，到目前为止，我们一直在通过net(X)调用我们的模型来获得模型的输出。 这实际上是net.__call__(X)的简写。 这个前向传播函数非常简单： 它将列表中的每个块连接在一起，将每个块的输出作为下一个块的输入。

6.1.1. 自定义块

要想直观地了解块是如何工作的，最简单的方法就是自己实现一个。 在实现我们自定义块之前，我们简要总结一下每个块必须提供的基本功能。

在下面的代码片段中，我们从零开始编写一个块。 它包含一个多层感知机，其具有256个隐藏单元的隐藏层和一个10维输出层。 注意，下面的MLP类继承了表示块的类。 我们的实现只需要提供我们自己的构造函数（Python中的__init__函数）和前向传播函数。

class MLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        # 调用MLP的父类Module的构造函数来执行必要的初始化。
        # 这样，在类实例化时也可以指定其他函数参数，例如模型参数params（稍后将介绍）
        super().__init__()
        self.hidden = nn.Linear(20, 256)
        self.out = nn.Linear(256, 10)

    # 定义模型的前向传播，即如何根据输入`X`返回所需的模型输出
    def __call__(self, X):
        return self.out(nn.relu(self.hidden(X)))

我们首先看一下前向传播函数，它以X作为输入， 计算带有激活函数的隐藏表示，并输出其未规范化的输出值。 在这个MLP实现中，两个层都是实例变量。 要了解这为什么是合理的，可以想象实例化两个多层感知机（net1和net2）， 并根据不同的数据对它们进行训练。 当然，我们希望它们学到两种不同的模型。

接着我们实例化多层感知机的层，然后在每次调用前向传播函数时调用这些层。 注意一些关键细节： 首先，我们定制的__init__函数通过super().__init__() 调用父类的__init__函数， 省去了重复编写模版代码的痛苦。 然后，我们实例化两个全连接层， 分别为self.hidden和self.out。 注意，除非我们实现一个新的运算符， 否则我们不必担心反向传播函数或参数初始化， 系统将自动生成这些。

我们来试一下这个函数：

net = MLP()
net(X).shape

(2, 10)

块的一个主要优点是它的多功能性。 我们可以子类化块以创建层（如全连接层的类）、 整个模型（如上面的MLP类）或具有中等复杂度的各种组件。 我们在接下来的章节中充分利用了这种多功能性， 比如在处理卷积神经网络时。

6.1.2. 顺序块

现在我们可以更仔细地看看Sequential类是如何工作的， 回想一下Sequential的设计是为了把其他模块串起来。 为了构建我们自己的简化的MySequential， 我们只需要定义两个关键函数：

  1. 一种将块逐个追加到列表中的函数；

  2. 一种前向传播函数，用于将输入按追加块的顺序传递给块组成的“链条”。

下面的MySequential类提供了与默认Sequential类相同的功能。

class MySequential(nn.Module):
    def __init__(self, *args):
        super().__init__()
        self.layers = []
        for idx, module in enumerate(args):
            self.layers.append(module)

    def __call__(self, X):
        for module in self.layers:
            X = module(X)
        return X

注意MLX的实现与其他框架的不同之处：(to be reviewed) - MLX使用普通Python列表self.layers来存储模块，而不是特殊的有序字典 - 前向传播在__call__方法中实现，简单地遍历列表中的每个层 这种简单直观的实现方式是MLX框架的特点之一，使代码更简洁易懂。当我们需要构建复杂模型时，可以使用这种模块化方式来组织代码，提高可读性和可维护性。

当MySequential的前向传播函数被调用时， 每个添加的块都按照它们被添加的顺序执行。 现在可以使用我们的MySequential类重新实现多层感知机。

net = MySequential(nn.Linear(20, 256), nn.ReLU(), nn.Linear(256, 10))
net(X).shape

(2, 10)

请注意，MySequential的用法与之前为Sequential类编写的代码相同 （如 5.3节 中所述）。

6.1.3. 在前向传播函数中执行代码

Sequential类使模型构造变得简单， 允许我们组合新的架构，而不必定义自己的类。 然而，并不是所有的架构都是简单的顺序架构。 当需要更强的灵活性时，我们需要定义自己的块。 例如，我们可能希望在前向传播函数中执行Python的控制流。 此外，我们可能希望执行任意的数学运算， 而不是简单地依赖预定义的神经网络层。

到目前为止， 我们网络中的所有操作都对网络的激活值及网络的参数起作用。 然而，有时我们可能希望合并既不是上一层的结果也不是可更新参数的项， 我们称之为常数参数（constant parameter）。 例如，我们需要一个计算函数 \(f(\mathbf{x},\mathbf{w}) = c \cdot \mathbf{w}^\top \mathbf{x}\)的层， 其中\(\mathbf{x}\)是输入， \(\mathbf{w}\)是参数， \(c\)是某个在优化过程中没有更新的指定常量。 因此我们实现了一个FixedHiddenMLP类，如下所示：

class FixedHiddenMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        # 不计算梯度的随机权重参数。因此其在训练期间保持不变
        self.rand_weight = mx.random.uniform(shape=(20, 20))
        self.linear = nn.Linear(20, 20)

    def __call__(self, X):
        X = self.linear(X)
        # 使用创建的常量参数以及relu和mm函数
        X = nn.relu(X @ self.rand_weight + 1)
        # 复用全连接层。这相当于两个全连接层共享参数。
        X = self.linear(X)
        # 控制流
        while X.abs().sum() > 1:
            X /= 2
        return X.sum()

在这个FixedHiddenMLP模型中，我们实现了一个隐藏层， 其权重（self.rand_weight）在实例化时被随机初始化，之后为常量。 这个权重不是一个模型参数，因此它永远不会被反向传播更新。 然后，神经网络将这个固定层的输出通过一个全连接层。

注意，在返回输出之前，模型做了一些不寻常的事情： 它运行了一个while循环，在\(L_1\)范数大于\(1\)的条件下， 将输出向量除以\(2\)，直到它满足条件为止。 最后，模型返回了X中所有项的和。 注意，此操作可能不会常用于在任何实际任务中， 我们只展示如何将任意代码集成到神经网络计算的流程中。

net = FixedHiddenMLP()
net(X)

array(0.30357, dtype=float32)

我们可以混合搭配各种组合块的方法。 在下面的例子中，我们以一些想到的方法嵌套块。

class NestMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.net = nn.Sequential(nn.Linear(20, 64), nn.ReLU(),
                                 nn.Linear(64, 32), nn.ReLU())
        self.linear = nn.Linear(32, 16)

    def __call__(self, X):
        return self.linear(self.net(X))

chimera = nn.Sequential(NestMLP(), nn.Linear(16, 20), FixedHiddenMLP())
chimera(X)

array(-0.195087, dtype=float32)

6.1.4. 效率

读者可能会开始担心操作效率的问题。 毕竟，我们在一个高性能的深度学习库中进行了大量的字典查找、 代码执行和许多其他的Python代码。 Python的问题全局解释器锁 是众所周知的。 在深度学习环境中，我们担心速度极快的GPU可能要等到CPU运行Python代码后才能运行另一个作业。

6.1.5. 小结

  • 一个块可以由许多层组成；一个块可以由许多块组成。

  • 块可以包含代码。

  • 块负责大量的内部处理，包括参数初始化和反向传播。

  • 层和块的顺序连接由Sequential块处理。

6.1.6. 练习

  1. 如果将MySequential中存储块的方式更改为Python列表，会出现什么样的问题？

  2. 实现一个块，它以两个块为参数，例如net1和net2，并返回前向传播中两个网络的串联输出。这也被称为平行块。

  3. 假设我们想要连接同一网络的多个实例。实现一个函数，该函数生成同一个块的多个实例，并在此基础上构建更大的网络。