The Basic Knowledge of Torch Train Pipeline
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这篇博客主要讲解 PyTorch 训练模型的整个流程的具体细节， 包括如何在前向过程中构建计算图；后向传播过程中如何计算并保存梯度；优化器如何根据梯度更新模型参数。(建议先阅读我之前关于 torch.autograd 的博客 The Basic Knowledge of PyTorch Autograd )
Torch 训练的整体流程
我们以最简单的乘法为例：两个标量 $x_1$ 和 $x_2$ 相乘得到 $v$；然后使用v.backward()函数反向计算 $x_1$ 和 $x_2$ 的梯度；最后使用 SGD 优化器更新 $x_1$ 和 $x_2$。代码如下：
接着我们使用torchviz的make_dot函数获取 PyTorch 构建的计算图：
可以看到，计算图的方向与前向计算过程刚好相反。这里，我们将简单描述 Torch 训练的整体流程：在执行乘法过程中，Torch 分别为 $x_1$ 和 $x_2$ 构建一个AccumulateGrad节点，并将 $x_1$ / $x_2$ 存储在对应的AccumulateGrad节点的variable属性中；然后根据*的乘法操作为 $v$ 构建一个MulBackwrad0节点，并将其存储在 $v$ 的grad_fn属性中。
而在后向传播计算梯度的过程中，执行v.backward()函数时，Torch 首先会获取到存储在 $v$ 的grad_fn属性中MulBackwrad0节点，然后将初始梯度gradient作为输入传递给其.backward()函数计算该节点的输入的梯度，即 $x_1$ 和 $x_2$ 的梯度；接着将 $x_1$ 和 $x_2$ 的梯度作为输入传递给各自对应的AccumulateGrad节点的.backward()函数实现将梯度累加到 $x_1$ 和 $x_2$ 的.grad属性中。
在 SGD 优化器更新 $x_1$ 和 $x_2$ 的过程中，SGD 的step()函数遍历初始化时传入的params参数，判断其required_grad属性是否为True，若为True，则取出其data属性和grad属性，将data减去grad，得到更新后的参数params。
前向过程构建计算图
介绍基本知识：Node $\rightarrow$ Edge $\rightarrow$ MulBackward0
叙述过程：Tensor.mul $\rightarrow$ torch._C._TensorBase.__mul__ $\rightarrow$ mul_Tensor $\rightarrow$ collect_next_edges $\rightarrow$ gradient_edge $\rightarrow$ set_next_edges $\rightarrow$ set_history $\rightarrow$ set_gradient_edge
不知道你们有没有这样的疑惑：在我们的代码中，只是简单的编写了两个tensor的矩阵相乘：tensor = tensor1 * tensor2；而 PyTorch 便自动为我们构建了一个计算图(可以看到tensor的.grad_fn属性为MulBackward0；如果tensor1 / tensor2的.required_grad属性为True)。这是如何实现的？虽然我们在前面的博客 The Basic Knowledge of PyTorch Autograd 中讲了关于 PyTorch 自动求导的过程，知道了每个节点是在初等函数执行时立即创建的，但并没有涉及到具体的代码对应过程(即在tensor = tensor1 * tensor2背后究竟是哪些代码实现了计算图的创建)。实际上，PyTorch 在Tensor类中实现了对每个初等函数的重载，使得每个初等函数操作并不只是简单的实现初等函数而已。例如对于mul操作，Tensor类内的重载实现为：
可以看到，其内部实现是使用 C++ 语言来编写的，继续追溯到 C++ 源代码中，可以看到mul操作的具体实现为：
这个代码有点吓人，让我们一步步来。其中，self, other分别是mul操作的第一个tensor和第二个tensor。首先，第 $4$ 行代码的compute_requires_grad()函数判断self/other的required_grad属性是否为True，只要有一个为True，则_any_requires_grad为True，表示此时的mul操作需要生成节点，同时其生成的输出的required_grad也为True。在得到_any_requires_grad为True后(第 $6$ 行代码)，代码会创建一个MulBackward0作为该mul操作在计算图上的节点(第 $8$ 行代码)，同时将其赋值给grad_fn；而set_next_edges()则是设置当前的MulBackward0节点与之前操作生成的节点的连接。
接下来，让我们继续深入每个部分。首先，self/other是一个Tensor，当设置其required_grad的属性为 True 时，会执行下面的set_requires_grad()函数：
其会为self/other创建一个新的属性autograd_meta_(AutogradMeta类)，该属性用于存储self/other的梯度(grad_)和节点(grad_fn_)等)，对应于 Python 代码里的.grad和grad_fn属性。(当然其还有梯度累加器(grad_accumulator_用于累加多个父节点传递的梯度)
其次，计算图的每个节点的类型均为Node结构体(对应于 Python 代码中的Function类)。下图是Node结构体的具体内容：
其中，operator()和apply()分别是节点的前向和反向计算函数(对应于 Python 代码中的forward()和backward()函数)，不同的节点可以重写它们以实现不同的计算过程。而next_edges_则是存储节点所连接的前向节点(对应于 Python 代码中的next_functions)。因此，next_edges_中的每条边都是Edge结构体，结构体中存储执行前向节点的指针。下图是Edge结构体的具体内容：
所以，mul_Tensor()函数中的MulBackward0操作即是Node结构体的子结构体，其主要重写了apply()方法用于计算mul操作的反向过程(其没有重写operator()方法，因为mul操作的前向过程在mul_Tensor()函数中实现)，如下图所示：
了解了各个变量的基本结构后，我们回到mul_Tensor()函数中。可以猜到，set_next_edges()应该是要将之前操作生成的节点赋值到当前的MulBackward0节点的next_edges_中。首先需要获取之前操作生成的节点，通过collect_next_edges()函数实现。如下图所示：
这个代码更吓人，还是让我们一步步来！首先，collect_next_edges()函数是通过输入mul操作的输入数据，即self, other；然后创建MakeNextFunctionList结构体的实例make，并调用其apply()方法(即MakeNextFunctionList的operator()方法)实现的获取之前操作生成的节点。而MakeNextFunctionList的operator()方法同样输入mul操作的输入数据，然后构建next_edges数组，接着通过调用gradient_edge()方法获取每个输入数据里保存的之前操作生成的节点(使用Edge结构体包装)，并将其存储在next_edges数组中，最后将next_edges数组返回给collect_next_edges()函数。而gradient_edge()方法输入mul操作的输入数据，判断其是否保存的之前操作生成的节点gradient = self.grad_fn()：若有，则说明该输入数据属于中间数据，则将其包装成Edge结构体后返回；若没有，则说明该输入数据属于最原始的输入数据，则将其保存的节点设置为AccumulateBackward节点(通过调用grad_accumulator()函数获得)，并其包装成Edge结构体后返回（这就是为什么每个叶子节点前都有一个AccumulateBackward节点的原因）。从gradient_edge()方法返回到MakeNextFunctionList的operator()方法，再返回到collect_next_edges()函数，即可得到当前的MulBackward0节点的之前操作生成的节点。然后通过set_next_edges()将其赋值到next_edges_中。如下图所示：
完成了在set_next_edges()后，接下来便需要计算前向过程(对应于 Python 代码中的Function类的forward()方法)，获得计算结果result(mul_Tensor()函数中的第 $15 \sim 20$ 行)。
最后，需要将生成的MulBackward0节点保存到输出result中(对应 Python 代码的outputs.grad_fn = now_fn)，其通过set_history()函数实现。如下图所示：
首先，set_history()函数是通过输入前向过程的输出result和生成的MulBackward0节点，然后调用set_gradient_edge()方法实现的将MulBackward0节点保存在输出result的AutogradMeta属性的grad_fn_中。而set_gradient_edge()方法则是通过输入同样的前向过程的输出result和生成的MulBackward0节点，取出result的AutogradMeta属性meta，将MulBackward0赋值在其grad_fn_属性中。
至此，我们终于“稍微”搞懂了 PyTorch 自动化构建计算图的过程。原来在我们写了一个简单的tensor = tensor1 * tensor2代码背后，PyTorch 执行了如此多的额外代码操作来实现计算图的构建。
后向传播过程计算并保存梯度
敬请期待！
优化器根据梯度更新模型参数
不同于前向过程和后向过程，其代码需要深入到底层的 C++ 源代码进行理解，优化器利用计算得到的梯度更新模型参数的过程主要在 Python 源代码中实现。现在让我们以最简单的 SGD 优化器为例：首先我们需要初始化一个 SGD 优化器实例，它至少需要输入两个参数（模型参数params(即 $x_1$ 和 $x_2$)和初始学习率lr），如下图所示：
在经过前向过程(v = x1 * x2)和后向过程(v.backward())后，此时 $x_1$ 和 $x_2$ 的grad属性内已经存储了计算得到的梯度。因此，我们能想到的最直接的做法就是遍历params的每一个参数，判断每个参数的required_grad属性是否为True；若是，则取出其对应的grad属性内存储的梯度，并将该参数与其梯度(乘以学习率)进行相减即可实现参数更新。因此 SGD 类的简单实现应该如下图所示：
但是这里有个问题，前面我们说过，PyTorch 重载了Tensor类的所有初等函数操作；因此，当我们执行param -= grad * self.lr操作时，我们实际上会在原有计算图的基础上再构建一个SubBackward0节点分支，如下图所示：
因此，为了不让 PyTorch 继续构建计算图，我们需要设置with torch.no_grad()来“告诉” PyTorch 下面的操作不需要构建计算图，此时Tensor类的所有初等函数操作就不会构建计算图。因此，改进的SGD 类代码如下图所示：
而在 SGD 的源代码中，PyTorch 使用另一种方式来避免计算图的构建，通过使用torch._dynamo.graph_break()实现计算图的脱离来确保初等函数操作就不会继续构建计算图。
了解了如何简单实现 SGD 后，接下来让我们进入 SGD 的源代码来验证我们的实现是否正确。首先是 SGD 如何保存输入进来的params参数，下图为 SGD 的__init__()函数部分代码：
可以看到，SGD 是通过调用其父类Optimizer的__init__()函数将输入进来的参数保存在self.param_groups列表内。接下来就是 SGD 的step()函数，下图为 SGD 的step()函数部分代码：
首先，step()函数对每个self.param_groups列表内的每个参数组group，调用self._init_group()判断其每个参数p的grad属性是否为None：如果不是，则表示需要更新该参数，则将其存储在params_with_grad列表中，同时使用d_p_list列表存储其对应的梯度p.grad。
接着，对于那些需要更新的参数params_with_grad，调用sgd()函数进行参数更新。在sgd()函数中，进行一系列的检查后，调用_single_tensor_sgd()函数进行参数更新。 而_single_tensor_sgd()函数则是遍历params_with_grad列表中的所有参数，对于每个参数param列表，取出其在d_p_list列表中的对应的梯度d_p，并使用原地更新的方式进行参数更新：param.add_(d_p, alpha=-lr)。由于是原地更新，且传入优化器的参照即为模型参数，因此对应的模型中的参数也会同步进行更新。
至此，我们终于完成了 PyTorch 训练模型的整个流程的具体细节（深入到底层代码），包括如何在前向过程中构建计算图；