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执行器(Runner)

欢迎来到 MMEngine 用户界面的核心——执行器!

作为 MMEngine 中的“集大成者”,执行器涵盖了整个框架的方方面面,肩负着串联所有组件的重要责任;因此,其中的代码和实现逻辑需要兼顾各种情景,相对庞大复杂。但是不用担心!在这篇教程中,我们将隐去繁杂的细节,速览执行器常用的接口、功能、示例,为你呈现一个清晰易懂的用户界面。阅读完本篇教程,你将会:

  • 掌握执行器的常见参数与使用方式

  • 了解执行器的最佳实践——配置文件的写法

  • 了解执行器基本数据流与简要执行逻辑

  • 亲身感受使用执行器的优越性(也许)

执行器示例

使用执行器构建属于你自己的训练流程,通常有两种开始方式:

  • 参考 API 文档,逐项确认和配置参数

  • 在已有配置(如 15 分钟上手MMDet 等下游算法库)的基础上,进行定制化修改

两种方式各有利弊。使用前者,初学者很容易迷失在茫茫多的参数项中不知所措;而使用后者,一份过度精简或过度详细的参考配置都不利于初学者快速找到所需内容。

解决上述问题的关键在于,把执行器作为备忘录:掌握其中最常用的部分,并在有特殊需求时聚焦感兴趣的部分,其余部分使用缺省值。下面我们将通过一个适合初学者参考的例子,说明其中最常用的参数,并为一些不常用参数给出进阶指引。

面向初学者的示例代码

提示

我们希望你在本教程中更多地关注整体结构,而非具体模块的实现。这种“自顶向下”的思考方式是我们所倡导的。别担心,之后你将有充足的机会和指引,聚焦于自己想要改进的模块

运行下面的示例前,请先执行本段代码准备模型、数据集与评测指标;但是在本教程中,暂时无需关注它们的具体实现
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
from torch.utils.data import Dataset

from mmengine.model import BaseModel
from mmengine.evaluator import BaseMetric
from mmengine.registry import MODELS, DATASETS, METRICS


@MODELS.register_module()
class MyAwesomeModel(BaseModel):
    def __init__(self, layers=4, activation='relu') -> None:
        super().__init__()
        if activation == 'relu':
            act_type = nn.ReLU
        elif activation == 'silu':
            act_type = nn.SiLU
        elif activation == 'none':
            act_type = nn.Identity
        else:
            raise NotImplementedError
        sequence = [nn.Linear(2, 64), act_type()]
        for _ in range(layers-1):
            sequence.extend([nn.Linear(64, 64), act_type()])
        self.mlp = nn.Sequential(*sequence)
        self.classifier = nn.Linear(64, 2)

    def forward(self, data, labels, mode):
        x = self.mlp(data)
        x = self.classifier(x)
        if mode == 'tensor':
            return x
        elif mode == 'predict':
            return F.softmax(x, dim=1), labels
        elif mode == 'loss':
            return {'loss': F.cross_entropy(x, labels)}


@DATASETS.register_module()
class MyDataset(Dataset):
    def __init__(self, is_train, size):
        self.is_train = is_train
        if self.is_train:
            torch.manual_seed(0)
            self.labels = torch.randint(0, 2, (size,))
        else:
            torch.manual_seed(3407)
            self.labels = torch.randint(0, 2, (size,))
        r = 3 * (self.labels+1) + torch.randn(self.labels.shape)
        theta = torch.rand(self.labels.shape) * 2 * torch.pi
        self.data = torch.vstack([r*torch.cos(theta), r*torch.sin(theta)]).T

    def __getitem__(self, index):
        return self.data[index], self.labels[index]

    def __len__(self):
        return len(self.data)


@METRICS.register_module()
class Accuracy(BaseMetric):
    def __init__(self):
        super().__init__()

    def process(self, data_batch, data_samples):
        score, gt = data_samples
        self.results.append({
            'batch_size': len(gt),
            'correct': (score.argmax(dim=1) == gt).sum().cpu(),
        })

    def compute_metrics(self, results):
        total_correct = sum(r['correct'] for r in results)
        total_size = sum(r['batch_size'] for r in results)
        return dict(accuracy=100*total_correct/total_size)
点击展开一段长长的示例代码。做好准备
from torch.utils.data import DataLoader, default_collate
from torch.optim import Adam
from mmengine.runner import Runner


runner = Runner(
    # 你的模型
    model=MyAwesomeModel(
        layers=2,
        activation='relu'),
    # 模型检查点、日志等都将存储在工作路径中
    work_dir='exp/my_awesome_model',

    # 训练所用数据
    train_dataloader=DataLoader(
        dataset=MyDataset(
            is_train=True,
            size=10000),
        shuffle=True,
        collate_fn=default_collate,
        batch_size=64,
        pin_memory=True,
        num_workers=2),
    # 训练相关配置
    train_cfg=dict(
        by_epoch=True,   # 根据 epoch 计数而非 iteration
        max_epochs=10,
        val_begin=2,     # 从第 2 个 epoch 开始验证
        val_interval=1), # 每隔 1 个 epoch 进行一次验证

    # 优化器封装,MMEngine 中的新概念,提供更丰富的优化选择。
    # 通常使用默认即可,可缺省。有特殊需求可查阅文档更换,如
    # 'AmpOptimWrapper' 开启混合精度训练
    optim_wrapper=dict(
        optimizer=dict(
            type=Adam,
            lr=0.001)),
    # 参数调度器,用于在训练中调整学习率/动量等参数
    param_scheduler=dict(
        type='MultiStepLR',
        by_epoch=True,
        milestones=[4, 8],
        gamma=0.1),

    # 验证所用数据
    val_dataloader=DataLoader(
        dataset=MyDataset(
            is_train=False,
            size=1000),
        shuffle=False,
        collate_fn=default_collate,
        batch_size=1000,
        pin_memory=True,
        num_workers=2),
    # 验证相关配置,通常为空即可
    val_cfg=dict(),
    # 验证指标与验证器封装,可自由实现与配置
    val_evaluator=dict(type=Accuracy),

    # 以下为其他进阶配置,无特殊需要时尽量缺省
    # 钩子属于进阶用法,如无特殊需要,尽量缺省
    default_hooks=dict(
        # 最常用的默认钩子,可修改保存 checkpoint 的间隔
        checkpoint=dict(type='CheckpointHook', interval=1)),

    # `luancher` 与 `env_cfg` 共同构成分布式训练环境配置
    launcher='none',
    env_cfg=dict(
        cudnn_benchmark=False,   # 是否使用 cudnn_benchmark
        backend='nccl',   # 分布式通信后端
        mp_cfg=dict(mp_start_method='fork')),  # 多进程设置
    log_level='INFO',

    # 加载权重的路径 (None 表示不加载)
    load_from=None
    # 从加载的权重文件中恢复训练
    resume=False
)

# 开始训练你的模型吧
runner.train()

示例代码讲解

真是一段长长的代码!但是如果你通读了上述样例,即使不了解实现细节,你也一定大体理解了这个训练流程,并感叹于执行器代码的紧凑与可读性(也许)。这也是 MMEngine 所期望的:结构化、模块化、标准化的训练流程,使得复现更加可靠、对比更加清晰。

上述例子可能会让你产生如下问题:

参数项实在是太多了!

不用担心,正如我们前面所说,把执行器作为备忘录。执行器涵盖了方方面面,防止你漏掉重要内容,但是这并不意味着你需要配置所有参数。如15分钟上手中的极简例子(甚至,舍去 val_evaluator val_dataloaderval_cfg)也可以正常运行。所有的参数由你的需求驱动,不关注的内容往往缺省值也可以工作得很好。

为什么有些传入参数是 dict?

是的,这与 MMEngine 的风格相关。在 MMEngine 中我们提供了两种不同风格的执行器构建方式:a)基于手动构建的,以及 b)基于注册机制的。如果你感到迷惑,下面的例子将给出一个对比:

from mmengine.model import BaseModel
from mmengine.runner import Runner
from mmengine.registry import MODELS # 模型根注册器,你的自定义模型需要注册到这个根注册器中

@MODELS.register_module() # 用于注册的装饰器
class MyAwesomeModel(BaseModel): # 你的自定义模型
    def __init__(self, layers=18, activation='silu'):
        ...

# 基于注册机制的例子
runner = Runner(
    model=dict(
        type='MyAwesomeModel',
        layers=50,
        activation='relu'),
    ...
)

# 基于手动构建的例子
model = MyAwesomeModel(layers=18, activation='relu')
runner = Runner(
    model=model,
    ...
)

类似上述例子,执行器中的参数大多同时支持两种输入类型。以上两种写法基本是等价的,区别在于:前者以 dict 作为输入时,该模块会在需要时在执行器内部被构建;而后者是构建完成后传递给执行器。如果你对于注册机制并不了解,下面的示意图展示了它的核心思想:注册器维护着模块的构建方式和它的名字之间的映射。如果你在使用中发现问题,或者想要进一步了解完整用法,我们推荐阅读注册器(Registry)文档。

Runner Registry 示意图

看到这你可能仍然很疑惑,为什么我要传入字典让 Runner 来构建实例,这样又有什么好处?如果你有产生这样的疑问,那我们就会很自豪的回答:“当然!(没有好处)”。事实上,基于注册机制的构建方式只有在结合配置文件时才会发挥它的最大优势。这里直接传入字典的写法也并非使用执行器的最佳实践。在这里,我们希望你能够通过这个例子读懂并习惯这种写法,方便理解我们马上将要讲到的执行器最佳实践——配置文件。敬请期待!

如果你作为初学者无法立刻理解,使用手动构建的方式依然不失为一种好选择,甚至在小规模使用、试错和调试时是一种更加推荐的方式,因为对于 IDE 更加友好。但我们也希望你能够读懂并习惯基于注册机制的写法,并且在后续教程中不会因此而产生不必要的混淆和疑惑。

我应该去哪里找到 xxx 参数的可能配置选项?

你可以在对应模块的教程中找到丰富的说明和示例,你也可以在 API 文档 中找到 Runner 的所有参数。如果上述两种方式都无法解决你的疑问,你随时可以在我们的讨论区中发起话题,帮助我们更好地改进文档。

我来自 MMDet/MMCls...下游库,为什么例子写法与我接触的不同?

OpenMMLab 下游库广泛采用了配置文件的方式。我们将在下个章节,基于上述示例稍微变换,从而展示配置文件——MMEngine 中执行器的最佳实践——的用法。

执行器最佳实践——配置文件

MMEngine 提供了一套支持 Python 语法的、功能强大的配置文件系统。你可以从之前的示例代码中近乎(我们将在下面说明)无缝地转换到配置文件。下面给出一段示例代码:

# 以下代码存放在 example_config.py 文件中
# 基本拷贝自上面的示例,并将每项结尾的逗号删去
model = dict(type='MyAwesomeModel',
    layers=2,
    activation='relu')
work_dir = 'exp/my_awesome_model'

train_dataloader = dict(
    dataset=dict(type='MyDataset',
        is_train=True,
        size=10000),
    sampler=dict(
        type='DefaultSampler',
        shuffle=True),
    collate_fn=dict(type='default_collate'),
    batch_size=64,
    pin_memory=True,
    num_workers=2)
train_cfg = dict(
    by_epoch=True,
    max_epochs=10,
    val_begin=2,
    val_interval=1)
optim_wrapper = dict(
    optimizer=dict(
        type='Adam',
        lr=0.001))
param_scheduler = dict(
    type='MultiStepLR',
    by_epoch=True,
    milestones=[4, 8],
    gamma=0.1)

val_dataloader = dict(
    dataset=dict(type='MyDataset',
        is_train=False,
        size=1000),
    sampler=dict(
        type='DefaultSampler',
        shuffle=False),
    collate_fn=dict(type='default_collate'),
    batch_size=1000,
    pin_memory=True,
    num_workers=2)
val_cfg = dict()
val_evaluator = dict(type='Accuracy')

default_hooks = dict(
    checkpoint=dict(type='CheckpointHook', interval=1))
launcher = 'none'
env_cfg = dict(
    cudnn_benchmark=False,
    backend='nccl',
    mp_cfg=dict(mp_start_method='fork'))
log_level = 'INFO'
load_from = None
resume = False

此时,我们只需要在训练代码中加载配置,然后运行即可

from mmengine.config import Config
from mmengine.runner import Runner
config = Config.fromfile('example_config.py')
runner = Runner.from_cfg(config)
runner.train()

注解

虽然是 Python 语法,但合法的配置文件需要满足以下条件:所有的变量必须是基本类型(例如 str dict int等)。因此,配置文件系统高度依赖于注册机制,以实现从基本类型到其他类型(如 nn.Module)的构建。

注解

使用配置文件时,你通常不需要手动注册所有模块。例如,torch.optim 中的所有优化器(如 Adam SGD等)都已经在 mmengine.optim 中注册完成。使用时的经验法则是:尝试直接使用 PyTorch 中的组件,只有当出现报错时再手动注册。

注解

当使用配置文件写法时,你的自定义模块的实现代码通常存放在独立文件中,可能并未被正确注册,进而导致构建失败。我们推荐你阅读注册器文档中 custom_imports 相关的内容以更好地使用配置文件系统。

警告

虽然与示例中的写法一致,但 from_cfg__init__ 的缺省值处理可能存在些微不同,例如 env_cfg 参数。

执行器配置文件已经在 OpenMMLab 的众多下游库(MMCls,MMDet…)中被广泛使用,并成为事实标准与最佳实践。配置文件的功能远不止如此,如果你对于继承、覆写等进阶功能感兴趣,请参考配置(Config)文档。

基本数据流

提示

在本章节中,我们将会介绍执行器内部各模块之间的数据传递流向与格式约定。如果你还没有基于 MMEngine 构建一个训练流程,本章节的部分内容可能会比较抽象、枯燥;你也可以暂时跳过,并在将来有需要时结合实践进行阅读。

接下来,我们将稍微深入执行器的内部,结合图示来理清其中数据的流向与格式约定。

基本数据流

上图是执行器的基本数据流,其中虚线边框、灰色填充的不同形状代表不同的数据格式,实线方框代表模块或方法。由于 MMEngine 强大的灵活性与可扩展性,你总可以继承某些关键基类并重载其中的方法,因此上图并不总是成立。只有当你没有自定义 RunnerTrainLoop ,并且你的自定义模型没有重载 train_stepval_steptest_step 方法时上图才会成立(而这在检测、分割等任务上是常见的,参考模型教程)。

可以确切地说明图中传递的每项数据的具体类型吗?

很遗憾,这一点无法做到。虽然 MMEngine 做了大量类型注释,但 Python 是一门高度动态化的编程语言,同时以数据为核心的深度学习系统也需要足够的灵活性来处理纷繁复杂的数据源,你有充分的自由决定何时需要(有时是必须)打破类型约定。因此,在你自定义某一或某几个模块(如 val_evaluator )时,你需要确保它的输入与上游(如 model 的输出)兼容,同时输出可以被下游解析。MMEngine 将处理数据的灵活性交给了用户,因而也需要用户保证数据流的兼容性——当然,实际上手后会发现,这一点并不十分困难。

数据一致性的考验一直存在于深度学习领域,MMEngine 也在尝试用自己的方式改进。如果你有兴趣,可以参考数据集基类抽象数据接口文档——但是请注意,它们主要面向进阶用户

dataloader、model 和 evaluator 之间的数据格式是如何约定的?

针对图中所展示的基本数据流,上述三个模块之间的数据传递可以用如下伪代码表示

# 训练过程
for data_batch in train_dataloader:
    data_batch = data_preprocessor(data_batch)
    if isinstance(data_batch, dict):
        losses = model.forward(**data_batch, mode='loss')
    elif isinstance(data_batch, (list, tuple)):
        losses = model.forward(*data_batch, mode='loss')
    else:
        raise TypeError()

# 验证过程
for data_batch in val_dataloader:
    data_batch = data_preprocessor(data_batch)
    if isinstance(data_batch, dict):
        outputs = model.forward(**data_batch, mode='predict')
    elif isinstance(data_batch, (list, tuple)):
        outputs = model.forward(**data_batch, mode='predict')
    else:
        raise TypeError()
    evaluator.process(data_samples=outputs, data_batch=data_batch)
metrics = evaluator.evaluate(len(val_dataloader.dataset))

上述伪代码的关键点在于:

  • data_preprocessor 的输出需要经过解包后传递给 model

  • evaluator 的 data_samples 参数接收模型的预测结果,而 data_batch 参数接收 dataloader 的原始数据

什么是 data_preprocessor?我可以用它做裁减缩放等图像预处理吗?

虽然图中的 data preprocessor 与 model 是分离的,但在实际中前者是后者的一部分,因此可以在模型文档中的数据处理器章节找到。

通常来说,数据处理器不需要额外关注和指定,默认的数据处理器只会自动将数据搬运到 GPU 中。但是,如果你的模型与数据加载器的数据格式不匹配,你也可以自定义一个数据处理器来进行格式转换。

裁减缩放等图像预处理更推荐在数据变换中进行,但如果是 batch 相关的数据处理(如 batch-resize 等),可以在这里实现。

为什么 model 产生了 3 个不同的输出? loss、predict、tensor 是什么含义?

15 分钟上手对此有一定的描述,你需要在自定义模型的 forward 函数中实现 3 条数据通路,适配训练、验证等不同需求。模型文档中对此有详细解释。

我可以看出红线是训练流程,蓝线是验证/测试流程,但绿线是什么?

在目前的执行器流程中,'tensor' 模式的输出并未被使用,大多数情况下用户无需实现。但一些情况下输出中间结果可以方便地进行 debug

如果我重载了 train_step 等方法,上图会完全失效吗?

默认的 train_stepval_steptest_step 的行为,覆盖了从数据进入 data preprocessormodel 输出 losspredict 结果的这一段流程,不影响其余部分。

为什么使用执行器(可选)

提示

这一部分内容并不能教会你如何使用执行器乃至整个 MMEngine,如果你正在被雇主/教授/DDL催促着几个小时内拿出成果,那这部分可能无法帮助到你,请随意跳过。但我们仍强烈推荐抽出时间阅读本章节,这可以帮助你更好地理解并使用 MMEngine

放轻松,接下来是闲聊时间

恭喜你通关了执行器!这真是一篇长长的、但还算有趣(希望如此)的教程。无论如何,请相信这些都是为了让你更加轻松——不论是本篇教程、执行器,还是 MMEngine。

执行器是 MMEngine 中所有模块的“管理者”。所有的独立模块——不论是模型、数据集这些看得见摸的着的,还是日志记录、分布式训练、随机种子等相对隐晦的——都在执行器中被统一调度、产生关联。事物之间的关系是复杂的,但执行器为你处理了一切,并提供了一个清晰易懂的配置式接口。这样做的好处主要有:

  1. 你可以轻易地在已搭建流程上修改/添加所需配置,而不会搅乱整个代码。也许你起初只有单卡训练,但你随时可以添加1、2行的分布式配置,切换到多卡甚至多机训练

  2. 你可以享受 MMEngine 不断引入的新特性,而不必担心后向兼容性。混合精度训练、可视化、崭新的分布式训练方式、多种设备后端……我们会在保证后向兼容性的前提下不断吸收社区的优秀建议与前沿技术,并以简洁明了的方式提供给你

  3. 你可以集中关注并实现自己的惊人想法,而不必受限于其他恼人的、不相关的细节。执行器的缺省值会为你处理绝大多数的情况

所以,MMEngine 与执行器会确实地让你更加轻松。只要花费一点点努力完成迁移,你的代码与实验会随着 MMEngine 的发展而与时俱进;如果再花费一点努力,MMEngine 的配置系统可以让你更加高效地管理数据、模型、实验。便利性与可靠性,这些正是我们努力的目标。

蓝色药丸,还是红色药丸——你准备好加入吗?

下一步的建议

如果你想要进一步地:

实现自己的模型结构

参考模型(Model)

使用自己的数据集

参考数据集(Dataset)与数据加载器(DataLoader)

更换模型评测/验证指标

参考模型精度评测(Evaluation)

调整优化器封装(如开启混合精度训练、梯度累积等)与更换优化器

参考优化器封装(OptimWrapper)

动态调整学习率等参数(如 warmup )

参考优化器参数调整策略(Parameter Scheduler)

其他
  • 左侧的“常用功能”中包含更多常用的与新特性的示例代码可供参考

  • “进阶教程”中有更多面向资深开发者的内容,可以更加灵活地配置训练流程、日志、可视化等

  • 如果以上所有内容都无法实现你的新想法,那么钩子(Hook)值得一试

  • 欢迎在我们的 讨论版 中发起话题求助!

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