Torcheck —— 测试你的 PyTorch 模型

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· 2021-06-19

引言

你是否有过这样的经历：长时间训练 PyTorch 模型，结果发现在模型的 forward 方法中输入了一行错误？你是否曾经遇到过这样的情况：你从模型中获得了一些合理的输出，但是不确定这是否表明你构建的模型是正确的，或者这只是因为深度学习是如此强大，即使是错误的模型架构也会产生下降的结果。

就我个人而言，测试深度学习模型有时会让我抓狂。最突出的痛点是：

它的黑盒特性使它很难测试。即使不是不可能，也需要很多专业知识来理解中间结果
长的训练时间大大减少了迭代次数
没有专门的工具。通常，您希望在一个小样本数据集上测试模型，这需要重复编写样板代码，以便进行设置优化、计算损失和反向传播

为了减少这种开销，我之前做了一些研究。这里有一篇详细文章：https://thenerdstation.medium.com/how-to-unit-test-machine-learning-code-57cf6fd81765，其核心思想是，我们永远不能百分之百确定我们的模型是正确的，但至少它应该能够通过一些合理性检验。换句话说，这些合理性检验是必要的，但可能还不够。

为了节省您的时间，以下是他提出的所有合理性检验的摘要：

如果一个模型参数在训练过程中没有被故意冻结，那么它应该在训练过程中不断变化。这可以是 PyTorch 线性层的张量
模型参数在训练过程中不应该改变，如果它被冻结。这可能是一个你不想更新的预训练好的层
根据您的模型属性，模型输出的范围应该服从某些条件。例如，如果它是一个分类模型，它的输出不应该都在范围(0,1)内。否则，很有可能您在计算损失之前错误地将 softmax 最大激活函数应用于输出
(这实际上不是来自那篇文章，而是一个常见的问题)在大多数情况下，模型参数不应该包含 NaN 或 Inf(infinite number)，这同样适用于模型输出

除了提出这些检查，他还构建了一个 Python 包来实现这些检查。这是一个很好的包，但仍然有未解决的痛点。这个包是几年前创建的，现在已经不再维护了。

因此，受这种合理性检验思想的启发，目标是创建一个易于使用的 Python 包，创建 torcheck！其主要创新包括：

不再需要额外的测试代码。只需添加几行代码指定训练前的检查，torcheck 将在训练发生时执行检查，并在检查失败时提出信息性错误消息
可以在不同的级别检查模型。你可以指定子模块、线性层甚至权重张量的检查，而不是检验整个模型！这样就可以对复杂体系结构的检查进行更多的自定义

接下来，我们会给你一个关于 torcheck 的快速教程。

假设我们已经编写了一个 ConvNet 模型来对 MNIST 数据集进行分类：

# modelclass CNN(nn.Module):        def __init__(self):        super().__init__()        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 1, kernel_size=1, stride=1)        self.conv2 = nn.Conv2d(1, 8, kernel_size=3, stride=1, padding=1)        self.conv3 = nn.Conv2d(8, 16, kernel_size=3, stride=1, padding=1)        self.relu = nn.ReLU()        self.maxpool = nn.MaxPool2d(2, 2)        self.fc1 = nn.Linear(16 * 7 * 7, 128)        self.fc2 = nn.Linear(128, 10)            def forward(self, x):        output = self.relu(self.conv1(x))        output = self.relu(self.conv2(x))        output = self.maxpool(output)        output = self.relu(self.conv3(output))        output = self.maxpool(output)        output = output.view(output.size()[0], -1)        output = self.relu(self.fc1(output))        output = self.fc2(output)        return output

# training routinemodel = CNN()optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)for epoch in range(num_epochs):    for x, y in dataloader:        y_pred = model(x)        loss = F.cross_entropy(y_pred, y)        loss.backward()        optimizer.step()        optimizer.zero_grad()在模型代码中实际上有一个细微的错误。你们中的一些人可能已经注意到了：在第16行中，我们不小心把 x 放在了右边，而应该是 output。

现在让我们看看 torcheck 如何帮助我们检验这个隐藏的错误！

步骤0：安装

在我们开始之前，首先用一行代码安装软件包。

$ pip install torcheck
步骤1: 添加 torcheck 代码

接下来我们将添加代码。Torcheck 代码总是驻留在循环训练之前，在模型和优化器实例化之后，如下所示：

# model and optimizer instantiationmodel = CNN()optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
############################ torcheck code goes here ############################
# training routinefor epoch in range(num_epochs):    for x, y in dataloader:        y_pred = model(x)        loss = F.cross_entropy(y_pred, y)        loss.backward()        optimizer.step()        optimizer.zero_grad()
步骤1.1：注册优化器

首先，用 torcheck 注册你的优化器:

torcheck.register(optimizer)
步骤1.2：增加合理性检验

接下来，添加要在四个类别中执行的所有检验。

1. 参数改变/不改变

对于我们的例子，我们希望在训练过程中更改所有的模型参数：

# check all the model parameters will change# module_name is optional, but it makes error messages more informative when checks failtorcheck.add_module_changing_check(model, module_name="my_model")附注

为了演示 torcheck 的全部功能，让我们假设稍后你已经冻结了卷积层，只想微调线性层。在这种情况下将会像这样:

# check the first convolutional layer's parameters won't changetorcheck.add_module_unchanging_check(model.conv1, module_name="conv_layer_1")# check the second convolutional layer's parameters won't changetorcheck.add_module_unchanging_check(model.conv2, module_name="conv_layer_2")# check the third convolutional layer's parameters won't changetorcheck.add_module_unchanging_check(model.conv3, module_name="conv_layer_3")# check the first linear layer's parameters will changetorcheck.add_module_changing_check(model.fc1, module_name="linear_layer_1")# check the second linear layer's parameters will changetorcheck.add_module_changing_check(model.fc2, module_name="linear_layer_2")2. 输出范围检查

因为我们的模型是一个分类模型，所以我们想要添加前面提到的检验：模型输出不应该都在范围(0,1)内。

# check model outputs are not all within (0, 1)# aka softmax hasn't been applied before loss calculationtorcheck.add_module_output_range_check(    model,    output_range=(0, 1),    negate_range=True,)negate_range = True 参数带有“ not all”的含义。如果您只是想检查模型输出都在某个范围内，只需删除该参数。

尽管 torcheck 不适用于我们的示例，但是它还允许你检查子模块的中间输出。

3. NaN 检查

我们当然希望确保模型参数在训练期间不会变成 NaN，并且模型输出不包含 NaN。添加 NaN 检查很简单：

# check whether model parameters become NaN or outputs contain NaNtorcheck.add_module_nan_check(model)4. Inf 检查

类似地，添加 Inf 检查：

# check whether model parameters become infinite or outputs contain infinite valuetorcheck.add_module_inf_check(model)在添加了所有感兴趣的检验之后，最终的训练代码如下：

# model and optimizer instantiationmodel = CNN()optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
# torcheck codetorcheck.register(optimizer)torcheck.add_module_changing_check(model, module_name="my_model")torcheck.add_module_output_range_check(model, output_range=(0, 1), negate_range=True)torcheck.add_module_nan_check(model)torcheck.add_module_inf_check(model)
# training routinefor epoch in range(num_epochs):    for x, y in dataloader:        y_pred = model(x)        loss = F.cross_entropy(y_pred, y)        loss.backward()        optimizer.step()        optimizer.zero_grad()步骤2：训练和修复

现在让我们像往常一样进行训练，看看会发生什么：

$ python run.pyTraceback (most recent call last):  (stack trace information here)RuntimeError: The following errors are detected while training:Module my_model's conv1.weight should change.Module my_model's conv1.bias should change.砰！我们立即得到一个错误消息，说我们的模型的 conv1.weight 和 conv1.bias 不会改变。一定是 model.conv1出了什么问题。

正如预期的那样，我们转向模型代码，注意错误，修复它，并重新运行训练。

(可选)步骤3：关闭检验

耶! 我们的模型通过了所有的检验。最后，我们可以对其进行关闭：

torcheck.disable()当你想要在验证集上运行模型，或者只想从你的模型训练中消除检查耗时，这是非常有用的。

如果你还想继续使用，只需要：

torcheck.enable()

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