Caffe2 的基本数据结构（Basics of Caffe2 - Workspaces, Operators, and Nets）[4]

这篇文章主要介绍Caffe2的基本数据结构：

Workspaces
Operators
Nets

在开始之前最好先阅读以下Intro Turorial
首先，导入caffe2。其中core和worksapce模块，这是必须的两个模块。如果你要使用Caffe2生成的protocol buffers，那么你也需要从caffe2_pb2中导入caffe2_pb2模块。

# We'll also import a few standard python libraries
from matplotlib import pyplot
import numpy as np
import time# These are the droids you are looking for.
from caffe2.python import core, workspace
from caffe2.proto import caffe2_pb2

如果你看到一些警告：Caffe2不支持GPU。这说明，你正在跑的Caffe2仅仅编译了CPU模式。不用担心，Caffe2在CPU上也是可以运行的。

Workspaces

让我们先来介绍Workspace，它包含了所有数据。如果你熟悉Matlab ，worksapce包含了所有你创建的blob并保存在内存中。现在，让我们考虑一个N维的blob，blob和numpy的矩阵很像，但是它是连续的。接下来，我们将展示blob实际上是一种能指向任何C++类型对象的指针。下面，我们来看看接口是什么样的的。

Blobs()函数可以打印workspace里面所有的blobs。HasBlob则用于查询worksapce里面是否存在某个blob。不过，目前为止，我们的workspace里面没有任何东西。

print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))
print("Workspace has blob 'X'? {}".format(workspace.HasBlob("X")))

FeedBlob()函数用于向worksapce里面传递blob。

X = np.random.randn(2, 3).astype(np.float32)
print("Generated X from numpy:\n{}".format(X))
workspace.FeedBlob("X", X)

打印出来的X如下：

Generated X from numpy:
[[-0.56927377 -1.28052795 -0.95808828][-0.44225693 -0.0620895  -0.50509363]]

让我们看一下workspace里面的blob是什么样的。

print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))
print("Workspace has blob 'X'? {}".format(workspace.HasBlob("X")))
print("Fetched X:\n{}".format(workspace.FetchBlob("X")))

输出如下：

Current blobs in the workspace: [u'X']
Workspace has blob 'X'? True
Fetched X:
[[-0.56927377 -1.28052795 -0.95808828][-0.44225693 -0.0620895  -0.50509363]]

接着验证两个矩阵是否相等：

np.testing.assert_array_equal(X, workspace.FetchBlob("X"))

注意，如果你访问一个不存在的blob，将会引发一个错误：

try:workspace.FetchBlob("invincible_pink_unicorn")
except RuntimeError as err:print(err)

错误输出如下：

[enforce fail at pybind_state.cc:441] gWorkspace->HasBlob(name).

另外，有一个你目前可能还用不上的东西：你可以定义两个不同名字的workspace，并且在他们之间切换。不同workspace的bolb是相互分离的。你可以通过CurrentWorkspace()函数来访问当前的workspace。下面演示了如何切换不同的workspace和创建新的workspace。

print("Current workspace: {}".format(workspace.CurrentWorkspace()))
print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))# 切换到`gutentag` workspace，第二个参数`True`表示，如果`gutentag`不存在，则创建一个。
workspace.SwitchWorkspace("gutentag", True)# 现在重新打印，注意到当前的workspace是`gutentag`，并且其中不包含任何东西。
print("Current workspace: {}".format(workspace.CurrentWorkspace()))
print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))

程序输出：

Current workspace: default
Current blobs in the workspace: ['X']
Current workspace: gutentag
Current blobs in the workspace: []

重新切换回到defaultworkspace

workspace.SwitchWorkspace("default")
print("Current workspace: {}".format(workspace.CurrentWorkspace()))
print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))

并有如下输出：

Current workspace: default
Current blobs in the workspace: ['X']

最后，调用ResetWorkspace()函数可以清空当前的workspace的所有东西

workspace.ResetWorkspace()

Operators

Caffe2中，operator就像函数一样。从C++的角度理解，operator全部从一个通用的接口继承而来，它们通过类型进行注册，所以，我们可以在运行时调用不同的操作。operator的接口定义在caffe2/proto/caffe2.proto文件中。Operator根据输出产生相应的输出。
记住，在Caffe2的Python接口中，当我们说“创建一个operator”时，程序并没有跑起来，它只是创建了关于这个operator的protocol buffere，也就是定义了这个operator，但还没执行。之后，这个operator才会传递给C++接口禁止执行。如果你不明白什么是protobuf，那么你可以看下这个链接.
1.
下面看一个实际例子：

# Create an operator.
op = core.CreateOperator("Relu", # The type of operator that we want to run["X"], # 输入 blobs 的名字的列表["Y"], # A list of 输出 blobs by their names
)
# and we are done!

我们之前说到，创建op（operator）,事实上只是创建了一个protobuf对象。我们可以查看它的内容。

print("Type of the created op is: {}".format(type(op)))
print("Content:\n")
print(str(op))

输出如下：

Type of the created op is: <class 'caffe2.proto.caffe2_pb2.OperatorDef'>
Content:
input: "X"
output: "Y"
name: ""
type: "Relu"

现在跑起这个operator，我们首先需要向workspace中传入数据X，然后简单的调用workspace.RunOperatorOnce(operator)函数就可以。

workspace.FeedBlob("X", np.random.randn(2, 3).astype(np.float32))
workspace.RunOperatorOnce(op)

执行完后，让我们检查下这个operator是否正确操作。在这个操作中我们使用的是Relu函数。Relu函数在输入小于0时，取0，在输入大于0时，保持不变。

print("Current blobs in the workspace: {}\n".format(workspace.Blobs()))
print("X:\n{}\n".format(workspace.FetchBlob("X")))
print("Y:\n{}\n".format(workspace.FetchBlob("Y")))
print("Expected:\n{}\n".format(np.maximum(workspace.FetchBlob("X"), 0)))

输出如下,可以看到输出Y和你期望值一样，这个operator正确跑起来了：

Current blobs in the workspace: ['X', 'Y']
X:
[[ 1.03125858  1.0038228   0.0066975 ][ 1.33142471  1.80271244 -0.54222912]]
Y:
[[ 1.03125858  1.0038228   0.0066975 ][ 1.33142471  1.80271244  0.        ]]Expected:
[[ 1.03125858  1.0038228   0.0066975 ][ 1.33142471  1.80271244  0.        ]]

2.
当然Operator也支持选项参数。选项参数通过key-value对确定。下面是一个简单的例子：创建一个tensor并且用高斯随机值填充它。

op = core.CreateOperator("GaussianFill",[], # GaussianFill does not need any parameters.["Z"],shape=[100, 100], # shape argument as a list of ints.mean=1.0,  # mean as a single floatstd=1.0, # std as a single float
)
print("Content of op:\n")
print(str(op))

看看输出：

Content of op:
output: "Z"
name: ""
type: "GaussianFill"
arg {name: "std"f: 1.0
}
arg {name: "shape"ints: 100ints: 100
}
arg {name: "mean"f: 1.0
}

然后我们跑起这个op,看看事情是否如期。

workspace.RunOperatorOnce(op)
temp = workspace.FetchBlob("Z")
pyplot.hist(temp.flatten(), bins=50)
pyplot.title("Distribution of Z")

没错，就是这样。

Nets

Net其实是多个operator的集合，就像写程序时一行一行的命令。

让我们创建一个等价于下面Python代码的网络。

X = np.random.randn(2, 3)
W = np.random.randn(5, 3)
b = np.ones(5)
Y = X * W^T + b

Caffe2中的core.net是对NetDef protocol buffer的一个封装类。当创建一个网络时，这个对象完全是空的，除了拥有它的名字信息外。

net = core.Net("my_first_net")
print("Current network proto:\n\n{}".format(net.Proto()))

Current network proto:
name: "my_first_net"

接着创建一个blob，命名为“X”,使用高斯函数进行填充。

X = net.GaussianFill([], ["X"], mean=0.0, std=1.0, shape=[2, 3], run_once=0)
print("New network proto:\n\n{}".format(net.Proto()))

这时网络的结构如下

New network proto:
name: "my_first_net"
op {output: "X"name: ""type: "GaussianFill"arg {name: "std"f: 1.0}arg {name: "run_once"i: 0}arg {name: "shape"ints: 2ints: 3}arg {name: "mean"f: 0.0}
}

聪明的读者肯定想起了我们之前提到的core.CreateOperator()。事实上，当我们有了一个net，我们可以直接创建一个operator然后通过Python接口加到net中去。比如，你调用了net.SomeOp，这里的SomeOp是一个注册了的operator的字符串，因此上面的操作和下面等效。

op = core.CreateOperator("SomeOp", ...)
net.Proto().op.append(op)

译者注:
比如在我用op = core.CreateOperator("GaussianFill",[], ["Z"],shape=[100, 100],mean=1.0, std=1.0)创建了一个op，op的type为“GaussianFill”，这是一个注册了的类型。然后再调用net.Proto().op.append(op)把这个op添加到网络中去。
以上的操作可以同过net来调用直接实现。直接使用op的type string---“GaussianFill”作为函数名字，net.GaussianFill([], ["X"], mean=0.0, std=1.0, shape=[2, 3], run_once=0)。

当然，读者可能感到困惑，X是什么？X是一个 BlobReference，这个引用包含两样东西：
- 名字，可以通过str(X)来访问得到
- 它是哪个net创建的，记录在其中的变量_from_net
现在让我们验证它。同样记住，我们还没有跑任何东西，所以X只是个符号，里面什么也没有。别只望它会输出什么值。

print("Type of X is: {}".format(type(X)))
print("The blob name is: {}".format(str(X)))

Type of X is: <class 'caffe2.python.core.BlobReference'>
The blob name is: X

让我们继续创建W和b.

W = net.GaussianFill([], ["W"], mean=0.0, std=1.0, shape=[5, 3], run_once=0)
b = net.ConstantFill([], ["b"], shape=[5,], value=1.0, run_once=0)

现在一个简单的代码：Note由于BlonReference对象知道它由什么网络创建的，所以除了从net中创建op，你还可以通过BlobReference创建op。因此，我们可以通过如下方式创建FC操作。

Y = X.FC([W, b], ["Y"])

事实上，在底下，X.FC(...)只是简单的委托net.FC来实现，X.FC()会将X作为op的第一个输入。所以上面的操作其实等价于下面的：

Y = net.FC([X, W, b], ["Y"])

现在让我们看下当前这个网络。

print("Current network proto:\n\n{}".format(net.Proto()))

Current network proto:
name: "my_first_net"
op {output: "X"name: ""type: "GaussianFill"arg {name: "std"f: 1.0}arg {name: "run_once"i: 0}arg {name: "shape"ints: 2ints: 3}arg {name: "mean"f: 0.0}
}
op {output: "W"name: ""type: "GaussianFill"arg {name: "std"f: 1.0}arg {name: "run_once"i: 0}arg {name: "shape"ints: 5ints: 3}arg {name: "mean"f: 0.0}
}
op {output: "b"name: ""type: "ConstantFill"arg {name: "run_once"i: 0}arg {name: "shape"ints: 5}arg {name: "value"f: 1.0}
}
op {input: "X"input: "W"input: "b"output: "Y"name: ""type: "FC"
}

是不是觉得太过冗长？GOOD~让我们尝试下把它变成一个图。用ipython显示。

from caffe2.python import net_drawer
from IPython import display
graph = net_drawer.GetPydotGraph(net, rankdir="LR")
display.Image(graph.create_png(), width=800)

目前为止，我们已经定义了一个Net，但是并没有执行任何东西。记住，上面的net只是一个protobuf，仅仅定义了网路的结构。当我们真正跑起这个网络时，底层发生的事件如下。
- 实例化protobuf中定义的C++net 对象
- 调用实例化后的net的Run()函数
在我们进行任何操作前，我们应该先使用ResetWorkspace()清空workspace里的东
西。
NOTE有两种方式通过python来跑一个网络。我们选择第一种来展示。

使用 workspace.RunNetOnce()
第二种更复杂点：需要两步，a) 调用workspace.CreateNet()创建C++net对象，b)使用workspace.RunNet(),这步需要传递网络的名字作为参数。

第一种

workspace.ResetWorkspace()
print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))
workspace.RunNetOnce(net)
print("Blobs in the workspace after execution: {}".format(workspace.Blobs()))
# Let's dump the contents of the blobs
for name in workspace.Blobs():print("{}:\n{}".format(name, workspace.FetchBlob(name)))

输出如下：

Current blobs in the workspace: []
Blobs in the workspace after execution: ['W', 'X', 'Y', 'b']
W:
[[-0.96537346  0.42591459  0.66788739][-0.47695673  2.25724339 -0.10370601][-0.20327474 -3.07469416  0.47715324][-1.62159526  0.73711687 -1.42365313][ 0.60718107 -0.50448036 -1.17132831]]
X:
[[-0.99601173 -0.61438894  0.10042733][ 0.23359862  0.15135486  0.77555442]]
Y:
[[ 1.76692021  0.07781416  3.13944149  2.01927781  0.58755434][ 1.35693741  1.14979863  0.85720366 -0.37135673  0.15705228]]
b:
[ 1.  1.  1.  1.  1.]

第二种
现在尝试第二种方法去创建这个网络，并跑起它。

workspace.ResetWorkspace()
print("Current blobs in the workspace: {}".format(workspace.Blobs()))
workspace.CreateNet(net)
workspace.RunNet(net.Proto().name)#传入名字
print("Blobs in the workspace after execution: {}".format(workspace.Blobs()))
for name in workspace.Blobs():print("{}:\n{}".format(name, workspace.FetchBlob(name)))

输出

Current blobs in the workspace: []
Blobs in the workspace after execution: ['W', 'X', 'Y', 'b']
W:
[[-0.29295802  0.02897477 -1.25667715][-1.82299471  0.92877913  0.33613944][-0.64382178 -0.68545657 -0.44015241][ 1.10232282  1.38060772 -2.29121733][-0.55766547  1.97437167  0.39324901]]
X:
[[-0.47522315 -0.40166432  0.7179445 ][-0.8363331  -0.82451206  1.54286408]]
Y:
[[ 0.22535783  1.73460138  1.2652775  -1.72335696  0.7543118 ][-0.71776152  2.27745867  1.42452145 -4.59527397  0.4452306 ]]
b:
[ 1.  1.  1.  1.  1.]

RunNetOnce()和RunNet()之间有不少差异，其中最大的差异就是计算耗时。因为RunNetOnce()涉及到protobuf的序列化，和实例化网络。这可能会使用很长时间。让我们来看下开销。

# It seems that %timeit magic does not work well with
# C++ extensions so we'll basically do for loops
start = time.time()
for i in range(1000):workspace.RunNetOnce(net)
end = time.time()
print('Run time per RunNetOnce: {}'.format((end - start) / 1000))start = time.time()
for i in range(1000):workspace.RunNet(net.Proto().name)
end = time.time()
print('Run time per RunNet: {}'.format((end - start) / 1000))

输出如下：

Run time per RunNetOnce: 0.000364284992218
Run time per RunNet: 4.42600250244e-06

可以看到RunNet()更快。

结语：以上就是Caffe2的Python接口的一些主要部件。装载请注明出处：
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