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模型集成

创建日期：2023年3月15日 | 最后更新：2025年10月2日 | 最后验证：2024年11月5日

本教程演示如何使用 torch.vmap 对模型集成进行向量化。

什么是模型集成？

模型集成是将多个模型的预测结果组合在一起。传统做法是分别在某些输入上运行每个模型，然后合并预测结果。然而，如果你运行的是具有相同架构的模型，则可以使用 torch.vmap 将它们结合在一起。vmap 是一种函数变换，它将函数映射到输入张量的维度上。它的用例之一是消除 for 循环，并通过向量化加速计算。

让我们演示如何使用一组简单的 MLP（多层感知机）来实现这一点。

注意

本教程需要 PyTorch 2.0.0 或更高版本。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
torch.manual_seed(0)

# Here's a simple MLP
class SimpleMLP(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleMLP, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(784, 128)
        self.fc2 = nn.Linear(128, 128)
        self.fc3 = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, x):
        x = x.flatten(1)
        x = self.fc1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.fc2(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.fc3(x)
        return x

我们先生成一批模拟数据，假设我们正在处理 MNIST 数据集。因此，模拟图像大小为 28x28，小批量（minibatch）大小为 64。此外，假设我们要组合 10 个不同模型的预测结果。

device = torch.accelerator.current_accelerator()
num_models = 10

data = torch.randn(100, 64, 1, 28, 28, device=device)
targets = torch.randint(10, (6400,), device=device)

models = [SimpleMLP().to(device) for _ in range(num_models)]

生成预测有几种选择。也许我们想给每个模型提供不同的随机化小批量数据。或者，我们想让每个模型运行相同的小批量数据（例如，如果我们正在测试不同模型初始化效果的话）。

选项 1：每个模型使用不同的小批量数据

minibatches = data[:num_models]
predictions_diff_minibatch_loop = [model(minibatch) for model, minibatch in zip(models, minibatches)]

选项 2：所有模型使用相同的小批量数据

minibatch = data[0]
predictions2 = [model(minibatch) for model in models]

使用 vmap 对集成模型进行向量化

让我们使用 vmap 来加速 for 循环。我们必须首先准备好模型以供 vmap 使用。

首先，通过堆叠每个参数来组合模型状态。例如，model[i].fc1.weight 的形状为 [784, 128]；我们将堆叠所有 10 个模型的 .fc1.weight，从而产生形状为 [10, 784, 128] 的大型权重张量。

PyTorch 提供了 torch.func.stack_module_state 辅助函数来完成此操作。

from torch.func import stack_module_state

params, buffers = stack_module_state(models)

接下来，我们需要定义一个要进行 vmap 操作的函数。给定参数、缓冲区和输入，该函数应使用这些参数、缓冲区和输入运行模型。我们将使用 torch.func.functional_call 来辅助实现。

from torch.func import functional_call
import copy

# Construct a "stateless" version of one of the models. It is "stateless" in
# the sense that the parameters are meta Tensors and do not have storage.
base_model = copy.deepcopy(models[0])
base_model = base_model.to('meta')

def fmodel(params, buffers, x):
    return functional_call(base_model, (params, buffers), (x,))

选项 1：使用不同的小批量数据获取预测结果。

默认情况下，vmap 会将函数映射到传入函数的所有输入的第一个维度上。在使用 stack_module_state 后，每个 params 和缓冲区在最前面都有一个大小为 ‘num_models’ 的额外维度，而小批量数据也具有一个大小为 ‘num_models’ 的维度。

print([p.size(0) for p in params.values()]) # show the leading 'num_models' dimension

assert minibatches.shape == (num_models, 64, 1, 28, 28) # verify minibatch has leading dimension of size 'num_models'

from torch import vmap

predictions1_vmap = vmap(fmodel)(params, buffers, minibatches)

# verify the ``vmap`` predictions match the
assert torch.allclose(predictions1_vmap, torch.stack(predictions_diff_minibatch_loop), atol=1e-3, rtol=1e-5)

[10, 10, 10, 10, 10, 10]

选项 2：使用相同的小批量数据获取预测结果。

vmap 有一个 in_dims 参数，用于指定要映射的维度。通过使用 None，我们告诉 vmap 我们希望将相同的小批量数据应用于所有 10 个模型。

predictions2_vmap = vmap(fmodel, in_dims=(0, 0, None))(params, buffers, minibatch)

assert torch.allclose(predictions2_vmap, torch.stack(predictions2), atol=1e-3, rtol=1e-5)

注意：vmap 能够转换的函数类型存在一定限制。最适合转换的函数是纯函数：即输出仅由输入确定且没有副作用（如变异）的函数。vmap 无法处理任意 Python 数据结构的变异，但它可以处理许多原地（in-place）的 PyTorch 操作。

性能

对性能数字感到好奇？以下是测试结果。

from torch.utils.benchmark import Timer
without_vmap = Timer(
    stmt="[model(minibatch) for model, minibatch in zip(models, minibatches)]",
    globals=globals())
with_vmap = Timer(
    stmt="vmap(fmodel)(params, buffers, minibatches)",
    globals=globals())
print(f'Predictions without vmap {without_vmap.timeit(100)}')
print(f'Predictions with vmap {with_vmap.timeit(100)}')

Predictions without vmap <torch.utils.benchmark.utils.common.Measurement object at 0x7fec725a5180>
[model(minibatch) for model, minibatch in zip(models, minibatches)]
  1.22 ms
  1 measurement, 100 runs , 1 thread
Predictions with vmap <torch.utils.benchmark.utils.common.Measurement object at 0x7fec7259f910>
vmap(fmodel)(params, buffers, minibatches)
  563.55 us
  1 measurement, 100 runs , 1 thread

使用 vmap 可以获得巨大的加速！

通常情况下，使用 vmap 进行向量化应比在 for 循环中运行函数更快，并且可以与手动批处理相媲美。但也有一些例外，例如如果我们尚未为特定操作实现 vmap 规则，或者底层内核未针对旧硬件（GPU）进行优化。如果您遇到这些情况，请在 GitHub 上提交 issue 告知我们。