以pytorch的forward hook为例探究hook机制

在看pytorch的nn.Module部分的源码的时候，看到了一堆"钩子"，也就是hook，然后去研究了一下这是啥玩意。

基本概念

在深度学习中，hook 是一种可以在模型的不同阶段插入自定义代码的机制。通过自定义数据在通过模型的特定层的额外行为，可以用来监控状态，协助调试，获得中间结果。

以前向hook为例

前向hook是模型在forward过程中会调用的hook，通过torch.nn.Module的register_forward_hook() 函数，将一个自定义的hook函数注册给模型的一个层
该层在进行前向之后，根据其输入和输出会进行相应的行为。

import torch
import torch.nn as nn

# 定义模型
class SimpleModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SimpleModel, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(10, 5)
        self.fc2 = nn.Linear(5, 2)

    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)
        return self.fc2(x)

model = SimpleModel()

# 自定义的forward hook
def my_forward_hook(module, input, output):
    print(f"层: {module}")
    print(f"输入: {input}")
    print(f"输出: {output}")


# 为模型的fc1层注册hook
hook = model.fc1.register_forward_hook(my_forward_hook)

# 移除这个hook
hook.remove()

接口

hook函数的格式

需要是一个接受三个特定参数，返回None的函数

def hook_function(module, input, output):
    # 自定义逻辑
    return None

• module: 触发钩子的模型层，事实上是调用register_forward_hook的nn.Module实例
• input: 传递给该层的输入张量（可能是元组），是前向传播时该层接收到的输入。
• output: 该层的输出张量，是前向传播时该层生成的输出。
  函数内部可以做自定义行为，可以在函数内部对output进行修改，从而改变模型的输出。

注册hook

hook = model.fc1.register_forward_hook(my_forward_hook)

hook.remove()

对于定义好的hook函数，将其作为参数，调用需要注册的模型层的注册函数即可。
如果不再需要这个hook，调用remove函数。

简单的源码讨论

还是以forward hook为例。一个nn.Module具有成员_forward_hooks，这是一个有序字典，在__init__()函数调用的时候被初始化

self._forward_hooks = OrderedDict()

注册钩子的register函数。
每个hook对应一个RemovableHandle对象，以其id作为键注册到hook字典中，利用其remove函数实现移除。

def register_forward_hook(
        self,
        hook: Union[
            Callable[[T, Tuple[Any, ...], Any], Optional[Any]],
            Callable[[T, Tuple[Any, ...], Dict[str, Any], Any], Optional[Any]],
        ],
        *,
        prepend: bool = False,
        with_kwargs: bool = False,
        always_call: bool = False,
    ) -> RemovableHandle:
        handle = RemovableHandle(
            self._forward_hooks,
            extra_dict=[
                self._forward_hooks_with_kwargs,
                self._forward_hooks_always_called,
            ],
        )
        self._forward_hooks[handle.id] = hook
        if with_kwargs:
            self._forward_hooks_with_kwargs[handle.id] = True
        if always_call:
            self._forward_hooks_always_called[handle.id] = True
        if prepend:
            self._forward_hooks.move_to_end(handle.id, last=False)  # type: ignore[attr-defined]
        return handle

#简化版的handle类
class RemovableHandle:
    def __init__(self, hooks_dict, handle_id):
        self.hooks_dict = hooks_dict
        self.id = handle_id

    def remove(self):
        del self.hooks_dict[self.id]