模型参数的访问、初始化和共享

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小牛编辑

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2023-12-01

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。

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

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。

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

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dense0_weight，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。

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

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。

net[0].weight.data()

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。

net[0].weight.grad()

类似地，我们可以访问其他层的参数，如输出层的偏差值。

net[1].bias.data()

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。

net.collect_params()

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。

net.collect_params('.*weight')

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。

# 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]

下面使用常数来初始化权重参数。

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

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

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$[-10,-5]$和$[5,10]$两个区间里均匀分布的随机数。

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]

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。

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

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。

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]

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。

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。

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。