pytorch中的hook机制register_forward_hook

2024-08-08 01:23:36

1、hook背景

Hook被成为钩子机制，这不是pytorch的首创，在Windows的编程中已经被普遍采用，包括进程内钩子和全局钩子。按照自己的理解，hook的作用是通过系统来维护一个链表，使得用户拦截（获取）通信消息，用于处理事件。

pytorch中包含forward和backward两个钩子注册函数，用于获取forward和backward中输入和输出，按照自己不全面的理解，应该目的是“不改变网络的定义代码，也不需要在forward函数中return某个感兴趣层的输出，这样代码太冗杂了”。

2、源码阅读

register_forward_hook()函数必须在forward（）函数调用之前被使用，因为这个函数源码注释显示这个函数“ it will not have effect on forward since this is called after :func:`forward` is called”，也就是这个函数在forward（）之后就没有作用了！！！）：

作用：获取forward过程中每层的输入和输出，用于对比hook是不是正确记录。

def register_forward_hook(self, hook):
        r"""Registers a forward hook on the module.
        The hook will be called every time after :func:`forward` has computed an output.
        It should have the following signature::
            hook(module, input, output) -> None or modified output
        The hook can modify the output. It can modify the input inplace but
        it will not have effect on forward since this is called after
        :func:`forward` is called.

        Returns:
            :class:`torch.utils.hooks.RemovableHandle`:
                a handle that can be used to remove the added hook by calling
                ``handle.remove()``
        """
        handle = hooks.RemovableHandle(self._forward_hooks)
        self._forward_hooks[handle.id] = hook
        return handle

3、定义一个用于测试hooker的类

如果随机的初始化每个层，那么就无法测试出自己获取的输入输出是不是forward中的输入输出了，所以需要将每一层的权重和偏置设置为可识别的值（比如全部初始化为1）。网络包含两层（Linear有需要求导的参数被称为一个层，而ReLU没有需要求导的参数不被称作一层），__init__()中调用initialize函数对所有层进行初始化。

注意：在forward()函数返回各个层的输出，但是ReLU6没有返回，因为后续测试的时候不对这一层进行注册hook。

class TestForHook(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()

        self.linear_1 = nn.Linear(in_features=2, out_features=2)
        self.linear_2 = nn.Linear(in_features=2, out_features=1)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.relu6 = nn.ReLU6()
        self.initialize()

    def forward(self, x):
        linear_1 = self.linear_1(x)
        linear_2 = self.linear_2(linear_1)
        relu = self.relu(linear_2)
        relu_6 = self.relu6(relu)
        layers_in = (x, linear_1, linear_2)
        layers_out = (linear_1, linear_2, relu)
        return relu_6, layers_in, layers_out
    def initialize(self):
        """ 定义特殊的初始化，用于验证是不是获取了权重"""
        self.linear_1.weight = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([[1, 1], [1, 1]]))
        self.linear_1.bias = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([1, 1]))
        self.linear_2.weight = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([[1, 1]]))
        self.linear_2.bias = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([1]))
        return True

4、定义hook函数

hook（）函数是register_forward_hook()函数必须提供的参数，好处是“用户可以自行决定拦截了中间信息之后要做什么！”，比如自己想单纯的记录网络的输入输出（也可以进行修改等更加复杂的操作）。

首先定义几个容器用于记录：

定义用于获取网络各层输入输出tensor的容器：

# 并定义module_name用于记录相应的module名字
module_name = []
features_in_hook = []
features_out_hook = []
hook函数需要三个参数，这三个参数是系统传给hook函数的，自己不能修改这三个参数：

hook函数负责将获取的输入输出添加到feature列表中；并提供相应的module名字

def hook(module, fea_in, fea_out):
    print("hooker working")
    module_name.append(module.__class__)
    features_in_hook.append(fea_in)
    features_out_hook.append(fea_out)
    return None

5、对需要的层注册hook

注册钩子必须在forward（）函数被执行之前，也就是定义网络进行计算之前就要注册，下面的代码对网络除去ReLU6以外的层都进行了注册（也可以选定某些层进行注册）：

注册钩子可以对某些层单独进行：

net = TestForHook()
net_chilren = net.children()
for child in net_chilren:
    if not isinstance(child, nn.ReLU6):
        child.register_forward_hook(hook=hook)

6、测试forward（）返回的特征和hook记录的是否一致

6.1 测试forward（）提供的输入输出特征

由于前面的forward（）函数返回了需要记录的特征，这里可以直接测试：

out, features_in_forward, features_out_forward = net(x)
print("*"*5+"forward return features"+"*"*5)
print(features_in_forward)
print(features_out_forward)
print("*"*5+"forward return features"+"*"*5)

得到下面的输出是理所当然的：

*****forward return features*****
(tensor([[0.1000, 0.1000],
[0.1000, 0.1000]]), tensor([[1.2000, 1.2000],
[1.2000, 1.2000]], grad_fn=<AddmmBackward>), tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<AddmmBackward>))
(tensor([[1.2000, 1.2000],
[1.2000, 1.2000]], grad_fn=<AddmmBackward>), tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<AddmmBackward>), tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<ThresholdBackward0>))
*****forward return features*****

6.2 hook记录的输入特征和输出特征

hook通过list结构进行记录，所以可以直接print

测试features_in是不是存储了输入：

print("*"*5+"hook record features"+"*"*5)
print(features_in_hook)
print(features_out_hook)
print(module_name)
print("*"*5+"hook record features"+"*"*5)

得到和forward一样的结果：

*****hook record features*****
[(tensor([[0.1000, 0.1000],
[0.1000, 0.1000]]),), (tensor([[1.2000, 1.2000],
[1.2000, 1.2000]], grad_fn=<AddmmBackward>),), (tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<AddmmBackward>),)]
[tensor([[1.2000, 1.2000],
[1.2000, 1.2000]], grad_fn=<AddmmBackward>), tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<AddmmBackward>), tensor([[3.4000],
[3.4000]], grad_fn=<ThresholdBackward0>)]
[<class 'torch.nn.modules.linear.Linear'>,
<class 'torch.nn.modules.linear.Linear'>,
<class 'torch.nn.modules.activation.ReLU'>]
*****hook record features*****

6.3 把hook记录的和forward做减法

如果害怕会有小数点后面的数值不一致，或者数据类型的不匹配，可以对hook记录的特征和forward记录的特征做减法：

测试forward返回的feautes_in是不是和hook记录的一致：

print("sub result'")
for forward_return, hook_record in zip(features_in_forward, features_in_hook):
    print(forward_return-hook_record[0])

得到的全部都是0，说明hook没问题：

sub result
tensor([[0., 0.],
        [0., 0.]])
tensor([[0., 0.],
        [0., 0.]], grad_fn=<SubBackward0>)
tensor([[0.],
        [0.]], grad_fn=<SubBackward0>)

7、完整代码

import torch
import torch.nn as nn

class TestForHook(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()

        self.linear_1 = nn.Linear(in_features=2, out_features=2)
        self.linear_2 = nn.Linear(in_features=2, out_features=1)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.relu6 = nn.ReLU6()
        self.initialize()

    def forward(self, x):
        linear_1 = self.linear_1(x)
        linear_2 = self.linear_2(linear_1)
        relu = self.relu(linear_2)
        relu_6 = self.relu6(relu)
        layers_in = (x, linear_1, linear_2)
        layers_out = (linear_1, linear_2, relu)
        return relu_6, layers_in, layers_out

    def initialize(self):
        """ 定义特殊的初始化，用于验证是不是获取了权重"""
        self.linear_1.weight = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([[1, 1], [1, 1]]))
        self.linear_1.bias = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([1, 1]))
        self.linear_2.weight = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([[1, 1]]))
        self.linear_2.bias = torch.nn.Parameter(torch.FloatTensor([1]))
        return True

定义用于获取网络各层输入输出tensor的容器，并定义module_name用于记录相应的module名字

module_name = []
features_in_hook = []
features_out_hook = []

hook函数负责将获取的输入输出添加到feature列表中，并提供相应的module名字

def hook(module, fea_in, fea_out):
    print("hooker working")
    module_name.append(module.__class__)
    features_in_hook.append(fea_in)
    features_out_hook.append(fea_out)
    return None

定义全部是1的输入：

x = torch.FloatTensor([[0.1, 0.1], [0.1, 0.1]])