4.2. 模型参数的访问、初始化和共享

4.2. 模型参数的访问、初始化和共享

在“线性回归的简洁实现”一节中，我们通过init模块来初始化模型的全部参数。我们也介绍了访问模型参数的简单方法。本节将深入讲解如何访问和初始化模型参数，以及如何在多个层之间共享同一份模型参数。

我们先定义一个与上一节中相同的含单隐藏层的多层感知机。我们依然使用默认方式初始化它的参数，并做一次前向计算。与之前不同的是，在这里我们从MXNet中导入了init模块，它包含了多种模型初始化方法。

In [1]:

from mxnet import init, nd
from mxnet.gluon import nn
 
net = nn.Sequential()
net.add(nn.Dense(256, activation='relu'))
net.add(nn.Dense(10))
net.initialize()  # 使用默认初始化方式
 
X = nd.random.uniform(shape=(2, 20))
Y = net(X)  # 前向计算

4.2.1. 访问模型参数

对于使用Sequential类构造的神经网络，我们可以通过方括号[]来访问网络的任一层。回忆一下上一节中提到的Sequential类与Block类的继承关系。对于Sequential实例中含模型参数的层，我们可以通过Block类的params属性来访问该层包含的所有参数。下面，访问多层感知机net中隐藏层的所有参数。索引0表示隐藏层为Sequential实例最先添加的层。

In [2]:

net[0].params, type(net[0].params)

Out[2]:

(dense0_ (
   Parameter dense0_weight (shape=(256, 20), dtype=float32)
   Parameter dense0_bias (shape=(256,), dtype=float32)
 ), mxnet.gluon.parameter.ParameterDict)

可以看到，我们得到了一个由参数名称映射到参数实例的字典（类型为ParameterDict类）。其中权重参数的名称为dense0weight，它由net[0]的名称（dense0）和自己的变量名（weight）组成。而且可以看到，该参数的形状为(256,20)，且数据类型为32位浮点数（float32）。为了访问特定参数，我们既可以通过名字来访问字典里的元素，也可以直接使用它的变量名。下面两种方法是等价的，但通常后者的代码可读性更好。

In [3]:

net[0].params['dense0_weight'], net[0].weight

Out[3]:

(Parameter dense0_weight (shape=(256, 20), dtype=float32),
 Parameter dense0_weight (shape=(256, 20), dtype=float32))

Gluon里参数类型为Parameter类，它包含参数和梯度的数值，可以分别通过data函数和grad函数来访问。因为我们随机初始化了权重，所以权重参数是一个由随机数组成的形状为(256,20)的NDArray。

In [4]:

net[0].weight.data()

Out[4]:

[[ 0.06700657 -0.00369488  0.0418822  ... -0.05517294 -0.01194733
  -0.00369594]
 [-0.03296221 -0.04391347  0.03839272 ...  0.05636378  0.02545484
  -0.007007  ]
 [-0.0196689   0.01582889 -0.00881553 ...  0.01509629 -0.01908049
  -0.02449339]
 ...
 [ 0.00010955  0.0439323  -0.04911506 ...  0.06975312  0.0449558
  -0.03283203]
 [ 0.04106557  0.05671307 -0.00066976 ...  0.06387014 -0.01292654
   0.00974177]
 [ 0.00297424 -0.0281784  -0.06881659 ... -0.04047417  0.00457048
   0.05696651]]
<NDArray 256x20 @cpu(0)>

权重梯度的形状和权重的形状一样。因为我们还没有进行反向传播计算，所以梯度的值全为0。

In [5]:

net[0].weight.grad()

Out[5]:

[[0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 ...
 [0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]
 [0. 0. 0. ... 0. 0. 0.]]
<NDArray 256x20 @cpu(0)>

类似地，我们可以访问其他层的参数，如输出层的偏差值。

In [6]:

net[1].bias.data()

Out[6]:

[0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0. 0.]
<NDArray 10 @cpu(0)>

最后，我们可以使用collect_params函数来获取net变量所有嵌套（例如通过add函数嵌套）的层所包含的所有参数。它返回的同样是一个由参数名称到参数实例的字典。

In [7]:

net.collect_params()

Out[7]:

sequential0_ (
  Parameter dense0_weight (shape=(256, 20), dtype=float32)
  Parameter dense0_bias (shape=(256,), dtype=float32)
  Parameter dense1_weight (shape=(10, 256), dtype=float32)
  Parameter dense1_bias (shape=(10,), dtype=float32)
)

这个函数可以通过正则表达式来匹配参数名，从而筛选需要的参数。

In [8]:

net.collect_params('.*weight')

Out[8]:

sequential0_ (
  Parameter dense0_weight (shape=(256, 20), dtype=float32)
  Parameter dense1_weight (shape=(10, 256), dtype=float32)
)

4.2.2. 初始化模型参数

我们在“数值稳定性和模型初始化”一节中描述了模型的默认初始化方法：权重参数元素为[-0.07,0.07]之间均匀分布的随机数，偏差参数则全为0。但我们经常需要使用其他方法来初始化权重。MXNet的init模块里提供了多种预设的初始化方法。在下面的例子中，我们将权重参数初始化成均值为0、标准差为0.01的正态分布随机数，并依然将偏差参数清零。

In [9]:

# 非首次对模型初始化需要指定force_reinit为真
net.initialize(init=init.Normal(sigma=0.01), force_reinit=True)
net[0].weight.data()[0]

Out[9]:

[ 0.01074176  0.00066428  0.00848699 -0.0080038  -0.00168822  0.00936328
  0.00357444  0.00779328 -0.01010307 -0.00391573  0.01316619 -0.00432926
  0.0071536   0.00925416 -0.00904951 -0.00074684  0.0082254  -0.01878511
  0.00885884  0.01911872]
<NDArray 20 @cpu(0)>

下面使用常数来初始化权重参数。

In [10]:

net.initialize(init=init.Constant(1), force_reinit=True)
net[0].weight.data()[0]

Out[10]:

[1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.]
<NDArray 20 @cpu(0)>

如果只想对某个特定参数进行初始化，我们可以调用Parameter类的initialize函数，它与Block类提供的initialize函数的使用方法一致。下例中我们对隐藏层的权重使用Xavier随机初始化方法。

In [11]:

net[0].weight.initialize(init=init.Xavier(), force_reinit=True)
net[0].weight.data()[0]

Out[11]:

[ 0.00512482 -0.06579044 -0.10849719 -0.09586414  0.06394844  0.06029618
 -0.03065033 -0.01086642  0.01929168  0.1003869  -0.09339568 -0.08703034
 -0.10472868 -0.09879824 -0.00352201 -0.11063069 -0.04257748  0.06548801
  0.12987629 -0.13846186]
<NDArray 20 @cpu(0)>

4.2.3. 自定义初始化方法

有时候我们需要的初始化方法并没有在init模块中提供。这时，可以实现一个Initializer类的子类，从而能够像使用其他初始化方法那样使用它。通常，我们只需要实现_init_weight这个函数，并将其传入的NDArray修改成初始化的结果。在下面的例子里，我们令权重有一半概率初始化为0，有另一半概率初始化为

和两个区间里均匀分布的随机数。

In [12]:

class MyInit(init.Initializer):
    def _init_weight(self, name, data):
        print('Init', name, data.shape)
        data[:] = nd.random.uniform(low=-10, high=10, shape=data.shape)
        data *= data.abs() >= 5
 
net.initialize(MyInit(), force_reinit=True)
net[0].weight.data()[0]

Init dense0_weight (256, 20)
Init dense1_weight (10, 256)

Out[12]:

[-5.3659673  7.5773945  8.986376  -0.         8.827555   0.
  5.9840508 -0.         0.         0.         7.4857597 -0.
 -0.         6.8910007  6.9788704 -6.1131554  0.         5.4665203
 -9.735263   9.485172 ]
<NDArray 20 @cpu(0)>

此外，我们还可以通过Parameter类的set_data函数来直接改写模型参数。例如，在下例中我们将隐藏层参数在现有的基础上加1。

In [13]:

net[0].weight.set_data(net[0].weight.data() + 1)
net[0].weight.data()[0]

Out[13]:

[-4.3659673  8.5773945  9.986376   1.         9.827555   1.
  6.9840508  1.         1.         1.         8.48576    1.
  1.         7.8910007  7.9788704 -5.1131554  1.         6.4665203
 -8.735263  10.485172 ]
<NDArray 20 @cpu(0)>

4.2.4. 共享模型参数

在有些情况下，我们希望在多个层之间共享模型参数。“模型构造”一节介绍了如何在Block类的forward函数里多次调用同一个层来计算。这里再介绍另外一种方法，它在构造层的时候指定使用特定的参数。如果不同层使用同一份参数，那么它们在前向计算和反向传播时都会共享相同的参数。在下面的例子里，我们让模型的第二隐藏层（shared变量）和第三隐藏层共享模型参数。

In [14]:

net = nn.Sequential()
shared = nn.Dense(8, activation='relu')
net.add(nn.Dense(8, activation='relu'),
        shared,
        nn.Dense(8, activation='relu', params=shared.params),
        nn.Dense(10))
net.initialize()
 
X = nd.random.uniform(shape=(2, 20))
net(X)
 
net[1].weight.data()[0] == net[2].weight.data()[0]

Out[14]:

[1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.]
<NDArray 8 @cpu(0)>

我们在构造第三隐藏层时通过params来指定它使用第二隐藏层的参数。因为模型参数里包含了梯度，所以在反向传播计算时，第二隐藏层和第三隐藏层的梯度都会被累加在shared.params.grad()里。

4.2.5. 小结

有多种方法来访问、初始化和共享模型参数。
可以自定义初始化方法。

4.2.6. 练习

查阅有关init模块的MXNet文档，了解不同的参数初始化方法。
尝试在net.initialize()后、net(X)前访问模型参数，观察模型参数的形状。
构造一个含共享参数层的多层感知机并训练。在训练过程中，观察每一层的模型参数和梯度。