caffe中的Solver、SGDSolver、 solver.prototxt 学习笔记

1.Solver、SGDSolver
(Solver、SGDSolver类写自于文件：solver.h(c)pp、sgd_solvers.h(c)pp)

class SGDSolver : public Solver<Dtype>

SGDsolver类继承自Solver

2.solver.prototxt

caffe训练命令:

两个例子：

./build/tools/caffe train -solver=examples/mnist/lenet_solver.prototxt

./build/tools/caffe train -solver=ysk/solver.prototxt

-solver后面接的是 solver.prototxt,

举个solver.prototxt里内容例子：

这是Alexnet的sovler.prototxt

net: "models/bvlc_reference_caffenet/train_val.prototxt"
test_iter: 1000
test_interval: 1000
base_lr: 0.01
lr_policy: "step"
gamma: 0.1
stepsize: 100000
display: 20
max_iter: 450000
momentum: 0.9
weight_decay: 0.0005
snapshot: 10000
snapshot_prefix: "models/bvlc_reference_caffenet/caffenet_train"
solver_mode: GPU

首先要指出但是caffe默认使用的优化算法是SGD算法，写自SGDSovler类

第1行

net: "models/bvlc_reference_caffenet/train_val.prototxt"

指定网络结构的配置文件路径

第2行

test_iter: 1000

test_iter * batch_size 是每次测试的图片数。

（1）batchsize是指批大小。即每次训练在训练集中取batchsize个样本训练；
（2）epoch：1个epoch等于使用训练集中的全部样本训练一次；

这里 $epoch=batch\_size × test\_iter$

batch_size在train_val.prototxt文件中的数据层可以看到，你会看到TEST和TRAIN阶段的batch_size可能不同。

这里写图片描述

$epoch=batch\_size × test\_iter$ 体现在caffe源码，sovler.cpp的Solver::Test函数，用test_iter个测试网络进行测试，每次都进行前向传播算法(batch_size个图片)：

for (int i = 0; i < param_.test_iter(test_net_id); ++i) {
  /* ... */
    Dtype iter_loss;
    const vector<Blob<Dtype>*>& result =
        test_net->Forward(&iter_loss);
   /* ... */

  }

第3行：

test_interval: 1000

意思是每训练迭代1000次，进行一轮测试。

可见于void Solver::Step(int iters) ，Step函数主要用于训练指定的迭代次数，每训练一次，_iter++，当_iter是 test_iterval的倍数时，进行一轮测试,即TestAll()。

 while (iter_ < stop_iter) {
    // zero-init the params
    net_->ClearParamDiffs();
    if (param_.test_interval() && iter_ % param_.test_interval() == 0
        && (iter_ > 0 || param_.test_initialization())
        && Caffe::root_solver()) {
      TestAll();
      if (requested_early_exit_) {
        // Break out of the while loop because stop was requested while testing.
        break;
      }
    }

    /* ... */

    ++iter_;

  }

第4-7行：

base_lr: 0.01
lr_policy: "step"
gamma: 0.1
stepsize: 100000

主要用于控制学习策略，就是learning_rate如何变化。如果说清楚真是太罗嗦了。

caffe.proto里面对于这个的说明：

  // The learning rate decay policy. The currently implemented learning rate
  // policies are as follows:
  //    - fixed: always return base_lr.
  //    - step: return base_lr * gamma ^ (floor(iter / step))
  //    - exp: return base_lr * gamma ^ iter
  //    - inv: return base_lr * (1 + gamma * iter) ^ (- power)
  //    - multistep: similar to step but it allows non uniform steps defined by
  //      stepvalue
  //    - poly: the effective learning rate follows a polynomial decay, to be
  //      zero by the max_iter. return base_lr (1 - iter/max_iter) ^ (power)
  //    - sigmoid: the effective learning rate follows a sigmod decay
  //      return base_lr ( 1/(1 + exp(-gamma * (iter - stepsize))))
  //
  // where base_lr, max_iter, gamma, step, stepvalue and power are defined
  // in the solver parameter protocol buffer, and iter is the current iteration.

stepsize可以理解为一个训练阶段需要迭代的次数.每一次迭代训练的图片数是stepsize×batch_size

step

第8行：

display: 20

是说每迭代20次，显示一次训练相关的信息，诸如lr、loss之类的：

这里写图片描述

line 9：

max_iter: 450000

训练迭代450000次终止

line12 and 13：

snapshot: 10000
snapshot_prefix: "models/bvlc_reference_caffenet/caffenet_train"

是说没迭代1000次，进行1次快照，即会生成一个.caffemodel和一个.solverstate文件，其中snapshow_prefix指定了文件名的前缀。

solver_mode: GPU

solve1r_mode：后填GPU或CPU，是否使用GPU运算。

还有一个iter_size可能没出现，但我估计有的

在void Solver::Step(int iters) 函数中有这么一句话

 for (int i = 0; i < param_.iter_size(); ++i) {
      loss += net_->ForwardBackward();
    }

iter_size*batch_size应该才是一次迭代实际的batchsize，即一次迭代(_iter)真正训练的图片数目。

momentum: 0.9
weight_decay: 0.0005

动量系数以及权重衰减：

权重衰减是一种正则化方法，caffe默认使用的是L2正则化。

SGD算法更新参数的方式：

1）利用负梯度方向来更新权重W：

这里写图片描述

2）加入了动量momentum μ后：

这里写图片描述

我们这儿的solver.prototxt当然是2）

3.如何实现Alexnet中的参数更新方式：

下面分析solver.pototxt和train_val.prototxt如何实现AlexNet中的参数更新方式，

即：

这里写图片描述

先得看SGDSolver中的ApplyUpdate()，这个函数在Solver.cpp中被调用，每迭代一次都要调用一次。

template <typename Dtype>
void SGDSolver<Dtype>::ApplyUpdate() {
  CHECK(Caffe::root_solver());
  Dtype rate = GetLearningRate();
  if (this->param_.display() && this->iter_ % this->param_.display() == 0) {
    LOG(INFO) << "Iteration " << this->iter_ << ", lr = " << rate;
  }
  ClipGradients();
  for (int param_id = 0; param_id < this->net_->learnable_params().size();
       ++param_id) {
    Normalize(param_id);
    Regularize(param_id);
    ComputeUpdateValue(param_id, rate);
  }
  this->net_->Update();
}

主要的是做了4件事： Normalize(param_id); Regularize(param_id); ComputeUpdateValue(param_id, rate); this->net_->Update();

即1)归一化、2)正则化、3）计算diff、4）更新data。

1）不是关心的重点

4）this->net_->Update();里做的事情是每个blob都调用自己的update函数，就是用data值减去diff值，blob里的源码是这样：

template <typename Dtype>
void Blob<Dtype>::Update() {
  // We will perform update based on where the data is located.
  switch (data_->head()) {
  case SyncedMemory::HEAD_AT_CPU:
    // perform computation on CPU
    caffe_axpy<Dtype>(count_, Dtype(-1),
        static_cast<const Dtype*>(diff_->cpu_data()),
        static_cast<Dtype*>(data_->mutable_cpu_data()));
    break;
  case SyncedMemory::HEAD_AT_GPU:
  case SyncedMemory::SYNCED:
#ifndef CPU_ONLY
    // perform computation on GPU
    caffe_gpu_axpy<Dtype>(count_, Dtype(-1),
        static_cast<const Dtype*>(diff_->gpu_data()),
        static_cast<Dtype*>(data_->mutable_gpu_data()));
#else
    NO_GPU;
#endif
    break;
  default:
    LOG(FATAL) << "Syncedmem not initialized.";
  }
}

所以2） 3）做的事情是计算diff。

我们主要看这两张图片：

这里写图片描述

axpy做的事情就是 $y=a*x+y$ 。

这里用local_decay乘上data值加上原来的diff值赋给diff，现在 $diff=local\_decay* data+diff$

这里写图片描述

这里第二个函数 $y=a*x+b*y$ ,
$data=pre\_data*momentum+local\_learning\_rate*diff$
即 $=pre\_data*momentum+local\_learning\_rate * local\_decay* data+local\_learning\_rate *diff$

第三个函数 $diff=data$ ,
即 $diff=pre\_data*momentum+local\_learning\_rate * local\_decay* data+local\_learning\_rate *diff$

这里写图片描述

到这里位置，我们图片中的 $V_{i+1}$ 就算完了。接下来只需要调用4）this->net_->Update(); （即 $W_{i+1}=W_{i}+V_{i+1}$ ）就可以了。

所以呢 $V_{i}$ 实际上是 $pre\_data$ ， $\epsilon$ 实际上是 $local\_learning\_rate$ ,0.0005实际上是 $local\_decay$ ， $W_{i}$ 就是 $data$ ， $< >$ 里的就是等号右边的 $diff$

template <typename Dtype>
void SGDSolver<Dtype>::Regularize(int param_id) {
  const vector<Blob<Dtype>*>& net_params = this->net_->learnable_params();
  const vector<float>& net_params_weight_decay =
      this->net_->params_weight_decay();
  Dtype weight_decay = this->param_.weight_decay();
  string regularization_type = this->param_.regularization_type();
  Dtype local_decay = weight_decay * net_params_weight_decay[param_id];
  switch (Caffe::mode()) {
  case Caffe::CPU: {
    if (local_decay) {
      if (regularization_type == "L2") {
        // add weight decay
        caffe_axpy(net_params[param_id]->count(),
            local_decay,
            net_params[param_id]->cpu_data(),
            net_params[param_id]->mutable_cpu_diff());
      } else if (regularization_type == "L1") {
        caffe_cpu_sign(net_params[param_id]->count(),
            net_params[param_id]->cpu_data(),
            temp_[param_id]->mutable_cpu_data());
        caffe_axpy(net_params[param_id]->count(),
            local_decay,
            temp_[param_id]->cpu_data(),
            net_params[param_id]->mutable_cpu_diff());
      } else {
        LOG(FATAL) << "Unknown regularization type: " << regularization_type;
      }
    }
    break;
  }
  case Caffe::GPU: {
#ifndef CPU_ONLY
    if (local_decay) {
      if (regularization_type == "L2") {
        // add weight decay
        caffe_gpu_axpy(net_params[param_id]->count(),
            local_decay,
            net_params[param_id]->gpu_data(),
            net_params[param_id]->mutable_gpu_diff());
      } else if (regularization_type == "L1") {
        caffe_gpu_sign(net_params[param_id]->count(),
            net_params[param_id]->gpu_data(),
            temp_[param_id]->mutable_gpu_data());
        caffe_gpu_axpy(net_params[param_id]->count(),
            local_decay,
            temp_[param_id]->gpu_data(),
            net_params[param_id]->mutable_gpu_diff());
      } else {
        LOG(FATAL) << "Unknown regularization type: " << regularization_type;
      }
    }
#else
    NO_GPU;
#endif
    break;
  }
  default:
    LOG(FATAL) << "Unknown caffe mode: " << Caffe::mode();
  }
}

template <typename Dtype>
void SGDSolver<Dtype>::ComputeUpdateValue(int param_id, Dtype rate) {
  const vector<Blob<Dtype>*>& net_params = this->net_->learnable_params();
  const vector<float>& net_params_lr = this->net_->params_lr();
  Dtype momentum = this->param_.momentum();
  Dtype local_rate = rate * net_params_lr[param_id];
  // Compute the update to history, then copy it to the parameter diff.
  switch (Caffe::mode()) {
  case Caffe::CPU: {
    caffe_cpu_axpby(net_params[param_id]->count(), local_rate,
              net_params[param_id]->cpu_diff(), momentum,
              history_[param_id]->mutable_cpu_data());
    caffe_copy(net_params[param_id]->count(),
        history_[param_id]->cpu_data(),
        net_params[param_id]->mutable_cpu_diff());
    break;
  }
  case Caffe::GPU: {
#ifndef CPU_ONLY
    sgd_update_gpu(net_params[param_id]->count(),
        net_params[param_id]->mutable_gpu_diff(),
        history_[param_id]->mutable_gpu_data(),
        momentum, local_rate);
#else
    NO_GPU;
#endif
    break;
  }
  default:
    LOG(FATAL) << "Unknown caffe mode: " << Caffe::mode();
  }
}

还得说明：

学习率local_learning_rate的计算方法：

  Dtype local_rate = rate * net_params_lr[param_id];

net_params_lr[param_id]是某一层的一个局部lr，而rate是

Dtype SGDSolver::GetLearningRate() 里根据sovler.prototxt设置的参数，

base_lr: 0.01
lr_policy: "step"
gamma: 0.1
stepsize: 100000

计算出的

权重衰减local_decay的计算方法：

 const vector<float>& net_params_weight_decay =
      this->net_->params_weight_decay();
  Dtype weight_decay = this->param_.weight_decay();
  Dtype local_decay = weight_decay * net_params_weight_decay[param_id];

weight_dacay是solver.prototxt中的weight_decay，net_params_weight_decay[param_id]是某一层的权重衰减，比如：

这里写图片描述

上面是某一层w或者b的学习率和权重衰减。

实际的学习率或者权重衰减是在他们的基础上乘上全局的

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