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UX 限制#

创建日期：2025 年 6 月 12 日 | 最后更新日期：2025 年 6 月 12 日

torch.func 像 JAX 一样，在可转换内容方面存在限制。总的来说，JAX 的限制是转换仅适用于纯函数：即，输出完全由输入决定且不包含副作用（如变异）的函数。

我们有类似的保证：我们的转换对纯函数效果很好。但是，我们也支持某些原地操作。一方面，编写与函数转换兼容的代码可能需要更改您编写 PyTorch 代码的方式；另一方面，您可能会发现我们的转换能够表达以前在 PyTorch 中难以表达的内容。

通用限制#

所有 torch.func 转换都共享一个限制，即函数不应分配给全局变量。相反，函数的所有输出都必须从函数返回。此限制源于 torch.func 的实现方式：每个转换都将 Tensor 输入包装在特殊的 torch.func Tensor 子类中，以促进转换。

所以，不要这样做

import torch
from torch.func import grad

# Don't do this
intermediate = None

def f(x):
  global intermediate
  intermediate = x.sin()
  z = intermediate.sin()
  return z

x = torch.randn([])
grad_x = grad(f)(x)

请重写 f 以返回 intermediate

def f(x):
  intermediate = x.sin()
  z = intermediate.sin()
  return z, intermediate

grad_x, intermediate = grad(f, has_aux=True)(x)

torch.autograd API#

如果您尝试在由 vmap() 或 torch.func 的 AD 转换（vjp()、jvp()、jacrev()、jacfwd()）转换的函数内部使用 torch.autograd API（如 torch.autograd.grad 或 torch.autograd.backward）时，转换可能无法对其进行转换。如果无法这样做，您将收到错误消息。

这是 PyTorch AD 支持实现方式上的根本设计限制，也是我们设计 torch.func 库的原因。请改用 torch.autograd API 的 torch.func 等效项

  • torch.autograd.grad, Tensor.backward -> torch.func.vjp 或 torch.func.grad

  • torch.autograd.functional.jvp -> torch.func.jvp

  • torch.autograd.functional.jacobian -> torch.func.jacrev 或 torch.func.jacfwd

  • torch.autograd.functional.hessian -> torch.func.hessian

vmap 限制#

注意

vmap() 是我们限制最多的转换。与 grad 相关的转换（grad()、vjp()、jvp()）没有这些限制。jacfwd()（以及 hessian()，它使用 jacfwd() 实现）是 vmap() 和 jvp() 的组合，因此也具有这些限制。

vmap(func) 是一个返回函数的转换，该函数在每个输入 Tensor 的某个新维度上映射 func。vmap 的思维模型是，它就像运行一个 for 循环：对于纯函数（即，在没有副作用的情况下），vmap(f)(x) 等同于

torch.stack([f(x_i) for x_i in x.unbind(0)])

变异：任意变异 Python 数据结构#

在存在副作用的情况下，vmap() 不再像运行 for 循环一样。例如，以下函数

def f(x, list):
  list.pop()
  print("hello!")
  return x.sum(0)

x = torch.randn(3, 1)
lst = [0, 1, 2, 3]

result = vmap(f, in_dims=(0, None))(x, lst)

将打印“hello!”一次，并从 lst 中弹出（pop）一个元素。

vmap() 只执行 f 一次，所以所有副作用只发生一次。

这是 vmap 实现方式的结果。torch.func 有一个特殊的内部 BatchedTensor 类。vmap(f)(*inputs) 获取所有 Tensor 输入，将它们转换为 BatchedTensor，并调用 f(*batched_tensor_inputs)。BatchedTensor 重写了 PyTorch API，为每个 PyTorch 运算符生成批处理（即矢量化）行为。

变异：原地 PyTorch 操作#

您可能因为收到关于 vmap 不兼容的原地操作的错误而在此处。当 vmap() 遇到不支持的 PyTorch 原地操作时会引发错误，否则会成功。不支持的操作是那些会将元素更多的 Tensor 写入到元素更少的 Tensor 中的操作。以下是如何发生的示例

def f(x, y):
  x.add_(y)
  return x

x = torch.randn(1)
y = torch.randn(3, 1)  # When vmapped over, looks like it has shape [1]

# Raises an error because `x` has fewer elements than `y`.
vmap(f, in_dims=(None, 0))(x, y)

x 是一个只有一个元素的 Tensor，y 是一个有三个元素的 Tensor。x + y 有三个元素（由于广播），但尝试将三个元素写回 x（它只有一个元素）会引发错误，因为试图将三个元素写入只有一个元素的 Tensor。

如果正在写入的 Tensor 在 vmap() 下被批处理（即，它被 vmap 了），则没有问题。

def f(x, y):
  x.add_(y)
  return x

x = torch.randn(3, 1)
y = torch.randn(3, 1)
expected = x + y

# Does not raise an error because x is being vmapped over.
vmap(f, in_dims=(0, 0))(x, y)
assert torch.allclose(x, expected)

一个常见的修复方法是将工厂函数的调用替换为它们的“new_*”等效项。例如

要了解为什么这有帮助，请看以下示例。

def diag_embed(vec):
  assert vec.dim() == 1
  result = torch.zeros(vec.shape[0], vec.shape[0])
  result.diagonal().copy_(vec)
  return result

vecs = torch.tensor([[0., 1, 2], [3., 4, 5]])

# RuntimeError: vmap: inplace arithmetic(self, *extra_args) is not possible ...
vmap(diag_embed)(vecs)

在 vmap() 内部，result 是一个形状为 [3, 3] 的 Tensor。但是，尽管 vec 的形状看起来是 [3]，但 vec 的底层形状实际上是 [2, 3]。无法将 vec 复制到形状为 [3] 的 result.diagonal() 中，因为它包含的元素太多。

def diag_embed(vec):
  assert vec.dim() == 1
  result = vec.new_zeros(vec.shape[0], vec.shape[0])
  result.diagonal().copy_(vec)
  return result

vecs = torch.tensor([[0., 1, 2], [3., 4, 5]])
vmap(diag_embed)(vecs)

将 torch.zeros() 替换为 Tensor.new_zeros() 会使 result 的底层 Tensor 形状为 [2, 3, 3]，因此现在可以将底层形状为 [2, 3] 的 vec 复制到 result.diagonal() 中。

变异：out= PyTorch 操作#

vmap() 不支持 PyTorch 操作中的 out= 关键字参数。如果它在您的代码中遇到该参数，它将优雅地报错。

这不是一个根本性的限制；理论上我们将来可以支持它，但目前我们选择不这样做。

数据相关 Python 控制流#

我们尚未支持在数据相关控制流上进行 vmap。数据相关控制流是指 if 语句、while 循环或 for 循环的条件是正在被 vmap 的 Tensor。例如，以下代码会引发错误消息

def relu(x):
  if x > 0:
    return x
  return 0

x = torch.randn(3)
vmap(relu)(x)

但是，任何不依赖于 vmap 的 Tensor 中的值的控制流都可以正常工作

def custom_dot(x):
  if x.dim() == 1:
    return torch.dot(x, x)
  return (x * x).sum()

x = torch.randn(3)
vmap(custom_dot)(x)

JAX 支持使用特殊控制流运算符（例如 jax.lax.cond、jax.lax.while_loop）在数据相关控制流上进行转换。我们正在研究为 PyTorch 添加这些的等效项。

数据相关操作（.item()）#

我们不支持（也不会支持）对调用 Tensor 的 .item() 的用户定义函数进行 vmap。例如，以下代码会引发错误消息

def f(x):
  return x.item()

x = torch.randn(3)
vmap(f)(x)

请尝试重写您的代码以避免使用 .item() 调用。

您也可能遇到有关使用 .item() 的错误消息，但您可能没有使用它。在这种情况下，PyTorch 内部可能正在调用 .item() – 请在 GitHub 上提交一个 issue，我们将修复 PyTorch 内部。

动态形状操作（nonzero 及类似操作）#

vmap(f) 要求 f 应用于输入中的每个“示例”时返回的 Tensor 形状相同。诸如 torch.nonzero、torch.is_nonzero 等操作不受支持，并将因此报错。

要了解原因，请看以下示例

xs = torch.tensor([[0, 1, 2], [0, 0, 3]])
vmap(torch.nonzero)(xs)

torch.nonzero(xs[0]) 返回一个形状为 2 的 Tensor；但 torch.nonzero(xs[1]) 返回一个形状为 1 的 Tensor。我们无法构建一个单一的 Tensor 作为输出；输出需要是一个不规则 Tensor（而 PyTorch 还没有不规则 Tensor 的概念）。

随机性#

调用随机操作时的用户意图可能不明确。具体来说，一些用户可能希望随机行为在批次之间保持一致，而另一些用户可能希望它在批次之间有所不同。为了解决这个问题，vmap 接受一个随机性标志。

该标志只能传递给 vmap，并且可以取三个值：“error”、“different”或“same”，默认为“error”。在“error”模式下，任何对随机函数的调用都会产生一个错误，要求用户根据其用例使用另外两个标志之一。

在“different”随机性下，批次中的元素会产生不同的随机值。例如，

def add_noise(x):
  y = torch.randn(())  # y will be different across the batch
  return x + y

x = torch.ones(3)
result = vmap(add_noise, randomness="different")(x)  # we get 3 different values

在“same”随机性下，批次中的元素会产生相同的随机值。例如，

def add_noise(x):
  y = torch.randn(())  # y will be the same across the batch
  return x + y

x = torch.ones(3)
result = vmap(add_noise, randomness="same")(x)  # we get the same value, repeated 3 times

警告

我们的系统只能确定 PyTorch 运算符的随机行为，而不能控制 numpy 等其他库的行为。这与 JAX 解决方案的限制类似。

注意

使用任一类型受支持的随机性的多个 vmap 调用将不会产生相同的结果。与标准 PyTorch 一样，用户可以通过在 vmap 外部使用 torch.manual_seed() 或使用生成器来实现随机性可重复性。

注意

最后，我们的随机性与 JAX 不同，因为我们没有使用无状态 PRNG，部分原因是 PyTorch 没有对无状态 PRNG 的全面支持。相反，我们引入了一个标志系统，以允许我们看到的最常见的随机性形式。如果您的用例不适合这些随机性形式，请提交一个 issue。

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