PyTorch 中，nn 与 nn.functional 有什么区别？

作者：infiniteft
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两者的相同之处：

• nn.Xxx和nn.functional.xxx的实际功能是相同的，即nn.Conv2d和nn.functional.conv2d 都是进行卷积，nn.Dropout 和nn.functional.dropout都是进行dropout，。。。。。；
• 运行效率也是近乎相同。

nn.functional.xxx是函数接口，而nn.Xxx是nn.functional.xxx的类封装，并且nn.Xxx都继承于一个共同祖先nn.Module。这一点导致nn.Xxx除了具有nn.functional.xxx功能之外，内部附带了nn.Module相关的属性和方法，例如train(), eval(),load_state_dict, state_dict 等。

两者的差别之处：

• 两者的调用方式不同。

nn.Xxx 需要先实例化并传入参数，然后以函数调用的方式调用实例化的对象并传入输入数据。

inputs = torch.rand(64, 3, 244, 244)
conv = nn.Conv2d(in_channels=3, out_channels=64, kernel_size=3, padding=1)
out = conv(inputs)

nn.functional.xxx同时传入输入数据和weight, bias等其他参数 。

weight = torch.rand(64,3,3,3)
bias = torch.rand(64)
out = nn.functional.conv2d(inputs, weight, bias, padding=1)

• nn.Xxx继承于nn.Module， 能够很好的与nn.Sequential结合使用， 而nn.functional.xxx无法与nn.Sequential结合使用。

 fm_layer = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=3, padding=1),
            nn.BatchNorm2d(num_features=64),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool2d(kernel_size=2),
            nn.Dropout(0.2)
  )

• nn.Xxx不需要你自己定义和管理weight；而nn.functional.xxx需要你自己定义weight，每次调用的时候都需要手动传入weight, 不利于代码复用。

使用nn.Xxx定义一个CNN 。

class CNN(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(CNN, self).__init__()

        self.cnn1 = nn.Conv2d(in_channels=1,  out_channels=16, kernel_size=5,padding=0)
        self.relu1 = nn.ReLU()
        self.maxpool1 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)

        self.cnn2 = nn.Conv2d(in_channels=16, out_channels=32, kernel_size=5,  padding=0)
        self.relu2 = nn.ReLU()
        self.maxpool2 = nn.MaxPool2d(kernel_size=2)

        self.linear1 = nn.Linear(4 * 4 * 32, 10)

    def forward(self, x):
        x = x.view(x.size(0), -1)
        out = self.maxpool1(self.relu1(self.cnn1(x)))
        out = self.maxpool2(self.relu2(self.cnn2(out)))
        out = self.linear1(out.view(x.size(0), -1))
        return out

使用nn.function.xxx定义一个与上面相同的CNN。

class CNN(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(CNN, self).__init__()

        self.cnn1_weight = nn.Parameter(torch.rand(16, 1, 5, 5))
        self.bias1_weight = nn.Parameter(torch.rand(16))

        self.cnn2_weight = nn.Parameter(torch.rand(32, 16, 5, 5))
        self.bias2_weight = nn.Parameter(torch.rand(32))

        self.linear1_weight = nn.Parameter(torch.rand(4 * 4 * 32, 10))
        self.bias3_weight = nn.Parameter(torch.rand(10))

    def forward(self, x):
        x = x.view(x.size(0), -1)
        out = F.conv2d(x, self.cnn1_weight, self.bias1_weight)
        out = F.relu(out)
        out = F.max_pool2d(out)

        out = F.conv2d(x, self.cnn2_weight, self.bias2_weight)
        out = F.relu(out)
        out = F.max_pool2d(out)

        out = F.linear(x, self.linear1_weight, self.bias3_weight)
        return out

上面两种定义方式得到CNN功能都是相同的，至于喜欢哪一种方式，是个人口味问题，但PyTorch官方推荐：具有学习参数的（例如，conv2d, linear, batch_norm)采用nn.Xxx方式，没有学习参数的（例如，maxpool, loss func, activation func）等根据个人选择使用nn.functional.xxx或者nn.Xxx方式。但关于dropout，个人强烈推荐使用nn.Xxx方式，因为一般情况下只有训练阶段才进行dropout，在eval阶段都不会进行dropout。使用nn.Xxx方式定义dropout，在调用model.eval()之后，model中所有的dropout layer都关闭，但以nn.function.dropout方式定义dropout，在调用model.eval()之后并不能关闭dropout。

class Model1(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Model1, self).__init__()
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)

    def forward(self, x):
        return self.dropout(x)

class Model2(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Model2, self).__init__()

    def forward(self, x):
        return F.dropout(x)

m1 = Model1()
m2 = Model2()
inputs = torch.rand(10)
print(m1(inputs))
print(m2(inputs))
print(20 * '-' + "eval model:" + 20 * '-' + '\r\n')
m1.eval()
m2.eval()
print(m1(inputs))
print(m2(inputs))

输出：

从上面输出可以看出m2调用了eval之后，dropout照样还在正常工作。当然如果你有强烈愿望坚持使用nn.functional.dropout，也可以采用下面方式来补救。

 class Model3(nn.Module):

    def __init__(self):
        super(Model3, self).__init__()

    def forward(self, x):
        return F.dropout(x, training=self.training)

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什么时候使用nn.functional.xxx，什么时候使用nn.Xxx?

这个问题依赖于你要解决你问题的复杂度和个人风格喜好。在nn.Xxx不能满足你的功能需求时，nn.functional.xxx是更佳的选择，因为nn.functional.xxx更加的灵活(更加接近底层），你可以在其基础上定义出自己想要的功能。

个人偏向于在能使用nn.Xxx情况下尽量使用，不行再换nn.functional.xxx ，感觉这样更能显示出网络的层次关系，也更加的纯粹（所有layer和model本身都是Module，一种和谐统一的感觉）。