PyTorch : torch.nn.xxx 和 torch.nn.functional.xxx

PyTorch : torch.nn.xxx 和 torch.nn.functional.xxx

在寫 PyTorch 代碼時，我們會發現在 torch.nn.xxx 和 torch.nn.functional.xxx 中有一些功能重復的操作，比如卷積、激活、池化。這些操作有什么不同？各有什么用處？

首先可以觀察源碼：

eg：torch.nn.Conv2d

CLASS torch.nn.Conv2d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True, padding_mode='zeros')

eg：torch.nn.functional

torch.nn.functional.conv2d(input, weight, bias=None, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1) → Tensor

從中，我們可以發現，nn.Conv2d 是一個類，而 nn.functional.conv2d是一個函數。

換言之：

• nn.Module 實現的 layer 是由 class Layer(nn.Module) 定義的特殊類
• nn.functional 中的函數更像是純函數，由 def function(input) 定義

此外：

1. 兩者的調用方式不同：調用 nn.xxx 時要先在里面傳入超參數，然后再將數據以函數調用的方式傳入 nn.xxx

   # torch.nn
   inputs =  torch.randn(64, 3, 244, 244)
   self.conv = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=64, kernel_size=3, padding=1)
   outputs = self.conv(inputs)
   
   # torch.nn.functional	需要同時傳入數據和 weight，bias等參數
   inputs =  torch.randn(64, 3, 244, 244)
   weight = torch.randn(64, 3, 3, 3)
   bias = torch.randn(64)
   outputs = nn.functinoal.conv2d(inputs, weight, bias, padding=1)
   

2. nn.xxx 能夠放在 nn.Sequential里，而 nn.functional.xxx 就不行

3. nn.functional.xxx 需要自己定義 weight，每次調用時都需要手動傳入 weight，而 nn.xxx 則不用

   import torch
   import torch.nn as nn
   import torch.nn.functional as F
   
   # torch.nn 定義的CNN
   class CNN(nn.Module):
       def __init__(self):
           super(CNN, self).__init__()
           
           self.conv_1 = nn.Conv2d(1, 16, krenel_size=5, padding=0)
           self.relu_1 = nn.ReLU(inplace=True)
           self.maxpool_1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)
   
           self.conv_2 = nn.Conv2d(16, 32, krenel_size=5, padding=0)
           self.relu_2 = nn.ReLU(inplace=True)
           self.maxpool_2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)   
           
           self.linear = nn.Linear(4*4*32, 10)
         
       def forward(self, x):
           x = x.view(x.size(0), -1)
           out = self.maxpool_1(self.relu_1(self.conv_1(x)))
           out = self.maxpool_2(self.relu_2(self.conv_2(out)))
           out = self.linear(out.view(x.size(0), -1))
           return out
       
   # torch.nn.functional 定義一個相同的CNN
   class CNN(nn.Module):
       def __init__(self):
           super(CNN, self).__init__()
           
           self.conv_1_weight = nn.Parameter(torch.randn(16, 1, 5, 5))
           self.bias_1_weight = nn.Parameter(torch.randn(16))
           
           self.conv_2_weight = nn.Parameter(torch.randn(32, 16, 5, 5))
           self.bias_2_weight = nn.Parameter(torch.randn(32))
           
           self.linear_weight = nn.Parameter(torch.randn(4 * 4 * 32, 10))
           self.bias_weight = nn.Parameter(torch.randn(10))
         
       def forward(self, x):
           x = x.view(x.size(0), -1)
           out = F.conv2d(x, self.conv_1_weight, self.bias_1_weight)
           out = F.conv2d(out, self.conv_2_weight, self.bias_2_weight)
           out = F.linear(out.view(x.size(0), -1), self.linear_weight, self.bias_weight)
   

4. 在使用Dropout時，推薦使用 nn.xxx。因為一般只有訓練時才使用 Dropout，在驗證或測試時不需要使用 Dropout。使用 nn.Dropout時，如果調用 model.eval() ，模型的 Dropout 層都會關閉；但如果使用 nn.functional.dropout，在調用 model.eval() 時，不會關閉 Dropout。

5. 當我們想要自定義卷積核時，是不能使用torch.nn.ConvNd 的，因為它里面的權重都是需要學習的參數，沒有辦法自行定義。但是，我們可以使用 torch.nn.functional.conv2d() 。

References:

1. pytorch：nn與nn.functional的區別——簡書