梳理caffe代码layer(五)

本文转自:https://blog.csdn.net/langb2014/article/details/50988275

#ifndef CAFFE_LAYER_H_  
#define CAFFE_LAYER_H_  
  
#include <algorithm>  
#include <string>  
#include <vector>  
  
#include "caffe/blob.hpp"  
#include "caffe/common.hpp"  
#include "caffe/layer_factory.hpp"  
#include "caffe/proto/caffe.pb.h"  
#include "caffe/util/device_alternate.hpp"  
  
namespace caffe {  
  
/** 
 * @brief An interface for the units of computation which can be composed into a 
 *        Net. 
 * 
 * Layer%s must implement a Forward function, in which they take their input 
 * (bottom) Blob%s (if any) and compute their output Blob%s (if any). 
 * They may also implement a Backward function, in which they compute the error 
 * gradients with respect to their input Blob%s, given the error gradients with 
 * their output Blob%s. 
 */  
template <typename Dtype>  
class Layer {  
 public:  
/* 
首先获得当前网络的Phase,是train还是test,在初始化列表初始化LayerParameter,
之后blobs_这里存放的是一个指向blob类的shared_ptr指针的一个vector,
在这里是申请空间,然后将传入的layer_param中的blob拷贝过来。 
*/  
// 显示的构造函数不需要重写,任何初始工作在SetUp()中完成  
// 构造方法只复制层参数说明的值,如果层说明参数中提供了权值和偏置参数,也复制  
  explicit Layer(const LayerParameter& param)  
    : layer_param_(param) {  
      // Set phase and copy blobs (if there are any).  
// 训练还是测试?phase    
      phase_ = param.phase();  
      if (layer_param_.blobs_size() > 0) {  
// 将blobs_的大小设置为参数中的大小    
        blobs_.resize(layer_param_.blobs_size());  
        for (int i = 0; i < layer_param_.blobs_size(); ++i) {  
// 新建若干个Blob   
          blobs_[i].reset(new Blob<Dtype>());  
// 从blob文件中获取数据  
          blobs_[i]->FromProto(layer_param_.blobs(i));  
        }  
      }//用protobuf 传入的参数对blobs_ 做初始化,blobs_ 是一个vector 存放指向Blob类的智能指针。  
  
      #ifdef USE_MPI  
      //If this is a gather layer, all it subsequent layer doesn't need gradient sync.  
      //We will only change itself's property here,  
      //subsequent layers will be inferred in the Net  
    if (is_gathering()){  
        set_need_sync(false);  
      }else{  
        set_need_sync(true);  
      }  
      #endif  
    }  
  virtual ~Layer() {}  
////////////////初始化函数SetUp,每个Layer对象都必须遵循固定的调用模式,  
  /** 
   * @brief Implements common layer setup functionality. 
   * @brief 实现每个layer对象的setup函数 
   * @param bottom the preshaped input blobs 
   * @param bottom 层的输入数据,blob中的存储空间已申请 
   * @param top 
   *     the allocated but unshaped output blobs, to be shaped by Reshape 
   * @param top 层的输出数据,blob对象以构造但是其中的存储空间未申请, 
   *     具体空间大小需根据bottom blob大小和layer_param_共同决定,具体在Reshape函数现实 
   * 
   * Checks that the number of bottom and top blobs is correct. 
   * Calls LayerSetUp to do special layer setup for individual layer types, 
   * followed by Reshape to set up sizes of top blobs and internal buffers. 
   * Sets up the loss weight multiplier blobs for any non-zero loss weights. 
   * This method may not be overridden. 
   * 1. 检查输入输出blob个数是否满足要求,每个层能处理的输入输出数据不一样 
   * 2. 调用LayerSetUp函数初始化特殊的层,每个Layer子类需重写这个函数完成定制的初始化 
   * 3. 调用Reshape函数为top blob分配合适大小的存储空间 
   * 4. 为每个top blob设置损失权重乘子,非LossLayer为的top blob其值为零 
   * 
   * 此方法非虚函数,不用重写,模式固定 
   */  
  void SetUp(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top) {  
    CheckBlobCounts(bottom, top);  
    LayerSetUp(bottom, top);  
    Reshape(bottom, top);  
    SetLossWeights(top);  
  }  
/////////////////每个子类Layer必须重写的初始化函数LayerSetUp,  
  /** 
   * @brief Does layer-specific setup: your layer should implement this function 
   *        as well as Reshape. 
   * @brief 定制初始化,每个子类layer必须实现此虚函数 
   * 
   * @param bottom 
   *     the preshaped input blobs, whose data fields store the input data for 
   *     this layer 
   * @param bottom 
   *     输入blob, 数据成员data_和diff_存储了相关数据 
   * @param top 
   *     the allocated but unshaped output blobs 
   * @param top 
   *     输出blob, blob对象已构造但数据成员的空间尚未申请 
   * 
   * This method should do one-time layer specific setup. This includes reading 
   * and processing relevent parameters from the <code>layer_param_</code>. 
   * Setting up the shapes of top blobs and internal buffers should be done in 
   * <code>Reshape</code>, which will be called before the forward pass to 
   * adjust the top blob sizes. 
   * 此方法执行一次定制化的层初始化,包括从layer_param_读入并处理相关的层权值和偏置参数
   */  
  virtual void LayerSetUp(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top) {}  
/////////////////////每个子类Layer必须重写的Reshape函数,完成top blob形状的设置并为其分配存储空间,  
   /** 
   * @brief Adjust the shapes of top blobs and internal buffers to accomodate 
   *        the shapes of the bottom blobs. 
   * @brief 根据bottom blob的形状和layer_param_计算top blob的形状并为其分配存储空间 
   * 
   * @param bottom the input blobs, with the requested input shapes 
   * @param top the top blobs, which should be reshaped as needed 
   * 
   * This method should reshape top blobs as needed according to the shapes 
   * of the bottom (input) blobs, as well as reshaping any internal buffers 
   * and making any other necessary adjustments so that the layer can 
   * accomodate the bottom blobs. 
   */  
  virtual void Reshape(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top) = 0;  
  
  /** 
   * @brief Given the bottom blobs, compute the top blobs and the loss. 
   * 
   * @param bottom 
   *     the input blobs, whose data fields store the input data for this layer 
   * @param top 
   *     the preshaped output blobs, whose data fields will store this layers' 
   *     outputs 
   * \return The total loss from the layer. 
   * 
   * The Forward wrapper calls the relevant device wrapper function 
   * (Forward_cpu or Forward_gpu) to compute the top blob values given the 
   * bottom blobs.  If the layer has any non-zero loss_weights, the wrapper 
   * then computes and returns the loss. 
   * 
   * Your layer should implement Forward_cpu and (optionally) Forward_gpu. 
   */  
//////////////前向传播函数Forward和反向传播函数Backward  
/* 
首先是Forward.这其实是一个装饰器,继承之后在调用其相应的forward_cpu或者forward_gpu,
根据输入的input data blob计算相应的output data blob,同时会反应这一层layer的total loss. 
*/  
  inline Dtype Forward(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top);  
  
  /** 
   * @brief Given the top blob error gradients, compute the bottom blob error 
   *        gradients. 
   * 
   * @param top 
   *     the output blobs, whose diff fields store the gradient of the error 
   *     with respect to themselves 
   * @param propagate_down 
   *     a vector with equal length to bottom, with each index indicating 
   *     whether to propagate the error gradients down to the bottom blob at 
   *     the corresponding index 
   * @param bottom 
   *     the input blobs, whose diff fields will store the gradient of the error 
   *     with respect to themselves after Backward is run 
   * 
   * The Backward wrapper calls the relevant device wrapper function 
   * (Backward_cpu or Backward_gpu) to compute the bottom blob diffs given the 
   * top blob diffs. 
   * 
   * Your layer should implement Forward_cpu and (optionally) Forward_gpu. 
   */  
/* 
BackWard,实现的是反向传播,也就是给定top blob和error gradient计算得到
bottom的error gradient。其输入时 output blobs ,
在Ouput blobs里面的diff存储的就是其相应的error gradients。
其中propagate_down这个参数跟Bottom的长度是一样的,
每一个Index用来指定是否需要反向传播error gradients 到对应的bottom blob。
而bottom 这里面的diff 区域存放的就是BackWard计算出来相应的gradient error. 
*/  
  inline void Backward(const vector<Blob<Dtype>*>& top,  
      const vector<bool>& propagate_down,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& bottom);  
  
  /** 
   * @brief Returns the vector of learnable parameter blobs. 
   */  
  vector<shared_ptr<Blob<Dtype> > >& blobs() {  
    return blobs_;//返回vector  blobs_  
  }  
  
  /** 
   * @brief Returns the layer parameter. 
   */  
//返回layer parameter  
  const LayerParameter& layer_param() const { return layer_param_; }  
  
  /** 
   * @brief Writes the layer parameter to a protocol buffer 
   */  
//将layer plarameter 写入protobuf  
  virtual void ToProto(LayerParameter* param, bool write_diff = false);  
  
//返回 ,设置一个blob top 在给定 index 的 loss  
  /** 
   * @brief Returns the scalar loss associated with a top blob at a given index. 
   */  
  inline Dtype loss(const int top_index) const {  
    return (loss_.size() > top_index) ? loss_[top_index] : Dtype(0);  
  }  
  
  /** 
   * @brief Sets the loss associated with a top blob at a given index. 
   */  
  inline void set_loss(const int top_index, const Dtype value) {  
    if (loss_.size() <= top_index) {  
      loss_.resize(top_index + 1, Dtype(0));  
    }  
    loss_[top_index] = value;  
  }  
//一些返回特定参数的函数:  
  /** 
   * 获得bottom或者top blob的数量状态,比较简单,看名字即可 
   */  
    // 虚函数,而且还是内联的,返回层类型    
  virtual inline const char* type() const { return ""; }    
    
   // 虚函数,获得bottom blob的精确个数    
  virtual inline int ExactNumBottomBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,获得bottom blob的最小个数    
  virtual inline int MinBottomBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,获得bottom blob的最大个数    
  virtual inline int MaxBottomBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,获得top blob的精确个数    
  virtual inline int ExactNumTopBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,获得top blob的最小个数    
  virtual inline int MinTopBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,获得top blob的最大个数    
  virtual inline int MaxTopBlobs() const { return -1; }    
    
   // 虚函数,bottom blob和top blob的个数是否一致    
  virtual inline bool EqualNumBottomTopBlobs() const { return false; }    
    
   // 返回当前层是否自动创建匿名top blobs    
   // 如果返回true,表明网络初始化的时候创建了了足够多的匿名top blobs    
   // 来满足ExactNumTopBlobs或者MinTopBlobs所要求的top blobs的个数    
  virtual inline bool AutoTopBlobs() const { return false; }    
/* 
AllowforceBackward用来设置是否强制梯度返回,因为有些层其实不需要梯度信息 ,
后面两个函数分别查看以及设置是是否需要计算梯度。 
*/    
  
   // 对于一个给定的bottom blob,返回是否允许强制反传    
  virtual inline bool AllowForceBackward(const int bottom_index) const {    
    return true;    
  }    
  
//set_param_propagate_down,param_propagate_down 函数:设置对于那些bottom 需要反向传播。  
  /** 
   * @brief Specifies whether the layer should compute gradients w.r.t. a 
   *        parameter at a particular index given by param_id. 
   * 
   * You can safely ignore false values and always compute gradients 
   * for all parameters, but possibly with wasteful computation. 
   */  
  inline bool param_propagate_down(const int param_id) {  
    return (param_propagate_down_.size() > param_id) ?  
        param_propagate_down_[param_id] : false;  
  }  
  /** 
   * @brief Sets whether the layer should compute gradients w.r.t. a 
   *        parameter at a particular index given by param_id. 
   */  
  inline void set_param_propagate_down(const int param_id, const bool value) {  
    if (param_propagate_down_.size() <= param_id) {  
      param_propagate_down_.resize(param_id + 1, true);  
    }  
    param_propagate_down_[param_id] = value;  
  }  
  
  #ifdef USE_MPI  
  /** 
   * @brief Checks whether the layer accepts specifed parallel type 
   * 
   * If not supported, will halt the program with hints 
   */  
  inline virtual bool is_gathering() {return false;}  
  inline virtual bool is_scattering() {return false;}  
  inline bool need_sync(){return need_sync_;}  
  inline void set_need_sync(bool val){need_sync_ = val;}  
  #endif  
  
  
protected:  
  /** The protobuf that stores the layer parameters */  
  // 层说明参数,从protocal buffers格式的网络结构说明文件中读取  
  LayerParameter layer_param_;  
  /** The phase: TRAIN or TEST */  
  // 层状态,参与网络的训练还是测试  
  Phase phase_;  
  /** The vector that stores the learnable parameters as a set of blobs. */  
  // 层权值和偏置参数,使用向量是因为权值参数和偏置是分开保存在两个blob中的  
  vector<shared_ptr<Blob<Dtype> > > blobs_;  
  /** Vector indicating whether to compute the diff of each param blob. */  
  // 标志每个top blob是否需要计算反向传递的梯度值  
  vector<bool> param_propagate_down_;  
  
  /** The vector that indicates whether each top blob has a non-zero weight in 
   *  the objective function. */  
  // 非LossLayer为零,LossLayer中表示每个top blob计算的loss的权重  
  vector<Dtype> loss_;  
  
  #ifdef USE_MPI  
  /** 
   * For parallel use 
   */  
  bool need_sync_;  
  #endif  
/////////////////////////////这两个函数非虚函数,它们内部会调用如下虚函数完成数据前向传递和  
/////////////////////////////误差反向传播,根据执行环境的不同每个子类Layer必须重写CPU和GPU版本,  
  /** @brief Using the CPU device, compute the layer output. */  
  virtual void Forward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top) = 0;  
  /** 
   * @brief Using the GPU device, compute the layer output. 
   *        Fall back to Forward_cpu() if unavailable. 
   */  
  virtual void Forward_gpu(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& top) {  
    // LOG(WARNING) << "Using CPU code as backup.";  
    return Forward_cpu(bottom, top);  
  }  
  
  /** 
   * @brief Using the CPU device, compute the gradients for any parameters and 
   *        for the bottom blobs if propagate_down is true. 
   */  
  virtual void Backward_cpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,  
      const vector<bool>& propagate_down,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) = 0;  
  /** 
   * @brief Using the GPU device, compute the gradients for any parameters and 
   *        for the bottom blobs if propagate_down is true. 
   *        Fall back to Backward_cpu() if unavailable. 
   */  
  virtual void Backward_gpu(const vector<Blob<Dtype>*>& top,  
      const vector<bool>& propagate_down,  
      const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {  
    // LOG(WARNING) << "Using CPU code as backup.";  
    Backward_cpu(top, propagate_down, bottom);  
  }  
  
  /** 
   * Called by the parent Layer's SetUp to check that the number of bottom 
   * and top Blobs provided as input match the expected numbers specified by 
   * the {ExactNum,Min,Max}{Bottom,Top}Blobs() functions. 
   */  
  virtual void CheckBlobCounts(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
                               const vector<Blob<Dtype>*>& top) {  
    if (ExactNumBottomBlobs() >= 0) {  
      CHECK_EQ(ExactNumBottomBlobs(), bottom.size())  
          << type() << " Layer takes " << ExactNumBottomBlobs()  
          << " bottom blob(s) as input.";  
    }// 保证输入bottom 数量和要求的相同  
    if (MinBottomBlobs() >= 0) {  
      CHECK_LE(MinBottomBlobs(), bottom.size())  
          << type() << " Layer takes at least " << MinBottomBlobs()  
          << " bottom blob(s) as input.";  
    }//保证输入的bottom数量大于或等于要求的最小数量  
    if (MaxBottomBlobs() >= 0) {  
      CHECK_GE(MaxBottomBlobs(), bottom.size())  
          << type() << " Layer takes at most " << MaxBottomBlobs()  
          << " bottom blob(s) as input.";  
    }//保证输入的bottom数量小于或等于要求的最大数量  
    if (ExactNumTopBlobs() >= 0) {  
      CHECK_EQ(ExactNumTopBlobs(), top.size())  
          << type() << " Layer produces " << ExactNumTopBlobs()  
          << " top blob(s) as output.";  
    }// 保证输入top数量和要求的相同  
    if (MinTopBlobs() >= 0) {  
      CHECK_LE(MinTopBlobs(), top.size())  
          << type() << " Layer produces at least " << MinTopBlobs()  
          << " top blob(s) as output.";  
    }//保证输入的top数量大于或等于要求的最小数量  
    if (MaxTopBlobs() >= 0) {  
      CHECK_GE(MaxTopBlobs(), top.size())  
          << type() << " Layer produces at most " << MaxTopBlobs()  
          << " top blob(s) as output.";  
    }//保证输入的top数量小于或等于要求的最大数量  
    if (EqualNumBottomTopBlobs()) {  
      CHECK_EQ(bottom.size(), top.size())  
          << type() << " Layer produces one top blob as output for each "  
          << "bottom blob input.";  
    }//保证输入的bottom数量和输出的top数量相同  
  }  
  
  /** 
   * Called by SetUp to initialize the weights associated with any top blobs in 
   * the loss function. Store non-zero loss weights in the diff blob. 
   */  
/* 
SetLoss是非常重要的一个步骤,是被SetUp调用来初始化top bottom的weights,
并且存储非零的loss weights 在diff blob里面 
*/  
  inline void SetLossWeights(const vector<Blob<Dtype>*>& top) {  
    const int num_loss_weights = layer_param_.loss_weight_size();  
    if (num_loss_weights) {  
      CHECK_EQ(top.size(), num_loss_weights) << "loss_weight must be "  
          "unspecified or specified once per top blob.";  
      for (int top_id = 0; top_id < top.size(); ++top_id) {  
        const Dtype loss_weight = layer_param_.loss_weight(top_id);  
        if (loss_weight == Dtype(0)) { continue; }//如果为0不对loss进行操作  
        this->set_loss(top_id, loss_weight);  
        const int count = top[top_id]->count();  
        Dtype* loss_multiplier = top[top_id]->mutable_cpu_diff();  
        caffe_set(count, loss_weight, loss_multiplier);//将loss_multiplier设为loss_weight  
      }   
    }  
  }  
  
  DISABLE_COPY_AND_ASSIGN(Layer);  
};  // class Layer  
  
/* 
前传调用对应的Forward_cpu或者Forward_gpu而我们知道Forward_cpu是纯虚函数,
必须要实而Forward_gpu是虚函数,如果不实现就调用 Forward_cpu函数了。
前传(你必须实现自己的Forward_cpu,实现Forward_gpu是可选的) 
*/  
// Forward and backward wrappers. You should implement the cpu and  
// gpu specific implementations instead, and should not change these  
// functions.  
template <typename Dtype>  
inline Dtype Layer<Dtype>::Forward(const vector<Blob<Dtype>*>& bottom,  
    const vector<Blob<Dtype>*>& top) {  
  Dtype loss = 0;    
  // 根据bottom设置top的形状    
  Reshape(bottom, top);    
  // 设置运行模式CPU or GPU    
  switch (Caffe::mode()) {    
  case Caffe::CPU:    
    // 调用CPU的前传    
    Forward_cpu(bottom, top);    
    // 前传计算完之后计算损失(只有最后一层才进行计算,其余层都不用)    
    for (int top_id = 0; top_id < top.size(); ++top_id) {    
      if (!this->loss(top_id)) { continue; }    
      const int count = top[top_id]->count();    
      // 获取前传的数据    
      const Dtype* data = top[top_id]->cpu_data();    
      // 获取梯度(\frac{\partial Loss}{\partial net})    
      const Dtype* loss_weights = top[top_id]->cpu_diff();    
      // data与loss_weight的点积,即得损失函数关于当前层权重的偏导了    
    // \frac{\partial Loss}{\partial net} * \frac{\partial net}{\frac{W}}    
    // = \frac{\partial Loss}{\partial W}    
      loss += caffe_cpu_dot(count, data, loss_weights);    
    }    
    break;    
  case Caffe::GPU:    
    // GPU前传    
    Forward_gpu(bottom, top);    
#ifndef CPU_ONLY    
    // 同上,只不过这里用GPU来计算点积了    
    for (int top_id = 0; top_id < top.size(); ++top_id) {    
      if (!this->loss(top_id)) { continue; }    
      const int count = top[top_id]->count();    
      // 获取GPU上的数据    
      const Dtype* data = top[top_id]->gpu_data();    
      const Dtype* loss_weights = top[top_id]->gpu_diff();    
      Dtype blob_loss = 0;    
      caffe_gpu_dot(count, data, loss_weights, &blob_loss);    
      loss += blob_loss;    
    }    
#endif    
    break;  
  default:  
    LOG(FATAL) << "Unknown caffe mode.";  
  }  
  return loss;  
}  
  
template <typename Dtype>  
inline void Layer<Dtype>::Backward(const vector<Blob<Dtype>*>& top,  
    const vector<bool>& propagate_down,  
    const vector<Blob<Dtype>*>& bottom) {  
  switch (Caffe::mode()) {  
  case Caffe::CPU:  
    Backward_cpu(top, propagate_down, bottom);  
//根据blob top 的error 梯度(diff)计算bottom 的 error 梯度。 propagate_down 是长度   
//和bottom 相同的vector ,用于控制是否需要对对应的bottom 元素传播梯度。具体layer具体定义。  
    break;  
  case Caffe::GPU:  
    Backward_gpu(top, propagate_down, bottom);  
    break;  
  default:  
    LOG(FATAL) << "Unknown caffe mode.";  
  }  
}  
////////////////Layer的序列化函数,将layer的层说明参数layer_param_,层权值和偏置  
////////////////参数blobs_复制到LayerParameter对象,便于写到磁盘,  
// Serialize LayerParameter to protocol buffer  
template <typename Dtype>  
void Layer<Dtype>::ToProto(LayerParameter* param, bool write_diff) {  
  param->Clear();  
  param->CopyFrom(layer_param_); // 复制层说明参数layer_param_  
  param->clear_blobs();  
  // 复制层权值和偏置参数blobs_  
  for (int i = 0; i < blobs_.size(); ++i) {  
    blobs_[i]->ToProto(param->add_blobs(), write_diff);  
  }  
}  
  
}  // namespace caffe  
  
#endif  // CAFFE_LAYER_H_  

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