模型的加载与保存

对于模型的加载与保存，常用的场景有：

• 将已经训练一段时间的模型保存，方便下次继续训练

• 将训练好的模型保存，方便后续直接部署使用

严格来说，尚未训练好的模型的保存，称为 checkpoint 或者 snapshot 。与保存已训练好的模型（model saving） ，在概念上，略有不同。

不过，在 OneFlow 中，无论模型是否训练完毕，我们都使用 统一的接口 将其保存，因此，在其它框架中看到的model、checkpoint、snapshot 等表述，在 OneFlow 中不做区分。

在 OneFlow 中，flow.checkpoint 名称空间下有模型保存、加载的接口。

本文将介绍：

• 如何创建模型参数

• 如何保存/加载模型

• OneFlow 模型的存储结构

• 如何微调与扩展模型

get_variable 创建或获取参数

我们可以使用 oneflow.get_variable 方法创造或者获取一个对象，该对象可以用于在全局作业函数中交互信息；当调用 oneflow.get_all_variables 和 oneflow.load_variables 接口时，可以获取或更新 get_variable 创建的对象的值。

因为这个特点，get_variable 创建的对象，常用于存储模型参数。实际上，OneFlow 中很多较高层接口（如 oneflow.layers.conv2d），内部使用 get_variable 创建模型参数。

流程

get_variable 需要一个指定一个 name 参数，该参数作为创建对象的标识。

如果 name 指定的值在当前上下文环境中已经存在，那么 get_variable 会取出已有对象，并返回。

如果 name 指定的值不存在，则 get_varialbe 内部会创建一个 blob 对象，并返回。

使用 get_variable 创建对象

oneflow.get_variable 的原型如下：

def get_variable(
    name,
    shape=None,
    dtype=None,
    initializer=None,
    regularizer=None,
    trainable=None,
    model_name=None,
    random_seed=None,
    distribute=distribute_util.broadcast(),
)

以下是 oneflow.layers.conv2d 中，使用 get_variable 创造参数变量，并进一步构建网络的例子：

    #...
    weight = flow.get_variable(
        weight_name if weight_name else name_prefix + "-weight",
        shape=weight_shape,
        dtype=inputs.dtype,
        initializer=kernel_initializer
        if kernel_initializer is not None
        else flow.constant_initializer(0),
        regularizer=kernel_regularizer,
        trainable=trainable,
        model_name="weight",
    )
    output = flow.nn.conv2d(
        inputs, weight, strides, padding, data_format, dilation_rate, groups=groups, name=name
    )
    #...

initializer 设置初始化方式

我们在上文中已经看到，在调用 get_variable 时，通过设置初始化器 initializer 来指定参数的初始化方式，OneFlow 中提供了多种初始化器，可以在 oneflow 模块下查看。

在静态图机制下，设置 initializer 后，参数初始化工作由 OneFlow 框架自动完成。

OneFlow 目前支持的 initializer 列举如下，点击链接可以查看相关算法：

• constant_initializer

• zeros_initializer

• ones_initializer

• random_uniform_initializer

• random_normal_initializer

• truncated_normal_initializer

• glorot_uniform_initializer

• glorot_normal_initializer

• variance_scaling_initializer

• kaiming_initializer

• xavier_normal_initializer

• xavier_uniform_initializer

OneFlow 模型的 Python 接口

注意：由于多版本兼容的原因，使用本节介绍的接口，在脚本中都需先配置：

flow.config.enable_legacy_model_io(False)

获取/更新 variable 对象的值

我们可以使用以下两个接口，获取或更新作业函数中由 oneflow.get_variable 所创建的 variable 对象的值

• oneflow.get_all_variables : 获取所有作业函数中的的 variable 对象
• oneflow.load_variables : 更新作业函数中的 variable 对象

oneflow.get_all_variables 会返回一个字典，字典的 key 就是创建 variable 时指定的 name，key 对应的 value 就是一个张量对象，该张量对象有 numpy() 方法转为 numpy 数组。

比如，在作业函数中创建了名为 myblob 的对象：

@flow.global_function()
def job() -> tp.Numpy:
    ...
    myblob = flow.get_variable("myblob",
        shape=(3,3),
        initializer=flow.random_normal_initializer()
        )
    ...

如果想打印 myblob 的值，可以调用：

...
for epoch in range(20):
    ...
    job()
    all_variables = flow.get_all_variables()
    print(all_variables["myblob"].numpy())
    ...

其中的 flow.get_all_variables 获取到了字典，all_variables["myblob"].numpy() 获取了 myblob 对象并将其转为 numpy 数组。

与 get_all_variables 相反，我们可以使用 oneflow.load_variables 更新 variable 对象的值。 oneflow.load_variables 的原型如下：

def load_variables(value_dict, ignore_mismatch = True)

使用 load_variables 前，我们要准备一个字典，该字典的 key 为创建 variable 时指定的 name，value 是 numpy 数组；将字典传递给 load_variables 后，load_variables 会将根据 key 找到作业函数中的 variable 对象，并更新值。

如以下代码：

@flow.global_function(type="predict")
def job() -> tp.Numpy:
    myblob = flow.get_variable("myblob",
        shape=(3,3),
        initializer=flow.random_normal_initializer()
        )
    return myblob
myvardict = {"myblob": np.ones((3,3)).astype(np.float32)}
flow.load_variables(myvardict)
print(flow.get_all_variables()["myblob"].numpy())

虽然我们选择了 random_normal_initializer 的初始化方式，但是因为 flow.load_variables(myvardict) 更新了 myblob 的值，所以最终输出结果是：

[[1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]
 [1. 1. 1.]]

模型的保存与加载

我们通过以下两个方法，可以保存/加载模型：

• oneflow.checkpoint.save : 负责保存当前的模型到指定路径
• oneflow.checkpoint.get : 从指定路径中导入模型

save 的原型如下，可以将模型保存至 path 所指定的路径。

def save(path, var_dict=None)

可选参数 var_dict 如果不为 None，则将 var_dict 中指定的对象保存到指定路径。

get 的原型如下，可以加载之前已经保存的，由 path 路径所指定的模型。

def get(path)

它将返回一个字典，该字典可以用上文介绍的 load_variables 方法更新到模型中：

flow.load_variables(flow.checkpoint.get(save_dir))

注意：

• save 参数所指定路径对应的目录要么不存在，要么应该为空目录，否则 save 会报错(防止覆盖掉原有保存的模型)
• OneFlow 模型以一定的组织形式保存在指定的路径中，具体结构参见下文中的 OneFlow 模型的存储结构
• 虽然 OneFlow 对 save 的频率没有限制，但是过高的保存频率，会加重磁盘及带宽等资源的负担。

OneFlow 模型的存储结构

OneFlow 模型是一组已经被训练好的网络的 参数值 。模型所保存的路径下，有多个子目录，每个子目录对应了 作业函数 中模型的 name。 比如，我们先通过代码定义以下的模型：

def lenet(data, train=False):
    initializer = flow.truncated_normal(0.1)
    conv1 = flow.layers.conv2d(
        data,
        32,
        5,
        padding="SAME",
        activation=flow.nn.relu,
        name="conv1",
        kernel_initializer=initializer,
    )
    pool1 = flow.nn.max_pool2d(
        conv1, ksize=2, strides=2, padding="SAME", name="pool1", data_format="NCHW"
    )
    conv2 = flow.layers.conv2d(
        pool1,
        64,
        5,
        padding="SAME",
        activation=flow.nn.relu,
        name="conv2",
        kernel_initializer=initializer,
    )
    pool2 = flow.nn.max_pool2d(
        conv2, ksize=2, strides=2, padding="SAME", name="pool2", data_format="NCHW"
    )
    reshape = flow.reshape(pool2, [pool2.shape[0], -1])
    hidden = flow.layers.dense(
        reshape,
        512,
        activation=flow.nn.relu,
        kernel_initializer=initializer,
        name="dense1",
    )
    if train:
        hidden = flow.nn.dropout(hidden, rate=0.5, name="dropout")
    return flow.layers.dense(hidden, 10, kernel_initializer=initializer, name="dense2")

假设在训练过程中，我们调用以下代码保存模型：

flow.checkpoint.save('./lenet_models_name')

那么 lenet_models_name 及其子目录结构为：

lenet_models_name/
├── conv1-bias
│   ├── meta
│   └── out
├── conv1-weight
│   ├── meta
│   └── out
├── conv2-bias
│   ├── meta
│   └── out
├── conv2-weight
│   ├── meta
│   └── out
├── dense1-bias
│   ├── meta
│   └── out
├── dense1-weight
│   ├── meta
│   └── out
├── dense2-bias
│   ├── meta
│   └── out
├── dense2-weight
│   ├── meta
│   └── out
├── snapshot_done
└── System-Train-TrainStep-train_job
    ├── meta
    └── out

可以看到：

• 作业函数中的网络模型，每个变量对应一个子目录

• 以上每个子目录中，都有 out 和 meta 文件，out 以二进制的形式存储了网络参数的值，meta 以文本的形式存储了网络的结构信息

• snapshot_done 是一个空文件，如果它存在，表示网络已经训练完成

• System-Train-TrainStep-train_job 中保存有快照的训练步数

模型的微调与扩展

在模型的微调和迁移学习中，我们经常需要：

• 模型中的一部分参数加载自原有模型

• 模型中的另一部分（新增的）参数需要初始化

我们可以使用 oneflow.load_variables 完成以上操作。以下举一个用于阐述概念的简单例子。

首先，我们先定义一个模型，训练后保存至 ./mlp_models_1：

@flow.global_function(type="train")
def train_job(
    images: tp.Numpy.Placeholder((BATCH_SIZE, 1, 28, 28), dtype=flow.float),
    labels: tp.Numpy.Placeholder((BATCH_SIZE,), dtype=flow.int32),
) -> tp.Numpy:
    with flow.scope.placement("cpu", "0:0"):
        initializer = flow.truncated_normal(0.1)
        reshape = flow.reshape(images, [images.shape[0], -1])
        hidden = flow.layers.dense(
            reshape,
            512,
            activation=flow.nn.relu,
            kernel_initializer=initializer,
            name="dense1",
        )
        dense2 = flow.layers.dense(
            hidden, 10, kernel_initializer=initializer, name="dense2"
        )
        loss = flow.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels, dense2)
    lr_scheduler = flow.optimizer.PiecewiseConstantScheduler([], [0.1])
    flow.optimizer.SGD(lr_scheduler, momentum=0).minimize(loss)
    return loss

然后，我们拓展网络结构，为以上模型多增加一层 dense3：

@flow.global_function(type="train")
def train_job(
    images: tp.Numpy.Placeholder((BATCH_SIZE, 1, 28, 28), dtype=flow.float),
    labels: tp.Numpy.Placeholder((BATCH_SIZE,), dtype=flow.int32),
) -> tp.Numpy:
    with flow.scope.placement("cpu", "0:0"):
        #... 原有网络结构
        dense3 = flow.layers.dense(
            dense2, 10, kernel_initializer=initializer, name="dense3"
        )
        loss = flow.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels, dense3)
    #...

最后，从原来保存的模型加载参数，并开始训练：

if __name__ == "__main__":
    flow.load_variables(flow.checkpoint.get("./mlp_models_1"))
    (train_images, train_labels), (test_images, test_labels) = flow.data.load_mnist(
        BATCH_SIZE, BATCH_SIZE
    )
    for i, (images, labels) in enumerate(zip(train_images, train_labels)):
        loss = train_job(images, labels)
        if i % 20 == 0:
            print(loss.mean())
    flow.checkpoint.save("./mlp_ext_models_1")

新增的 dense3 层参数，在原模型中不存在，OneFlow 会自动初始化它们的值。

代码

脚本 mlp_mnist_origin.py 中构建了“骨干网络”，并将训练好的模型保存至 ./mlp_models_1。

运行：

wget https://docs.oneflow.org/master/code/basics_topics/mlp_mnist_origin.py
python3 mlp_mnist_origin.py

训练完成后，将会在当前工作路径下得到 mlp_models_1 目录。

脚本 mlp_mnist_finetune.py 中的网络在原有基础上进行“微调”（为骨干网络增加一层dense3）后，加载 ./mlp_models_1，并继续训练。

运行：

wget https://docs.oneflow.org/master/code/basics_topics/mlp_mnist_finetune.py
python3 mlp_mnist_finetune.py

微调后的模型，保存在 ./mlp_ext_models_1 中。

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