Chainer v2のenable_backpropの挙動について

TL;DR

• enable_backpropは backward() 実行時ではなくforwardグラフ構築時に適用される。
  • ただし、動きがあまり直感的でないため、グラフ中に何度もenable_backpropを変更するような操作はしないほうが良い。
• chainer.configurationにおいてtrainはenable_backpropを内包しないので気をつける。
  • 標準ライブラリの chainer.extensions.Evaluatorはこれらを適切に設定してくれるので安心して大丈夫。
  • 自前のchainer.extensions.Evaluatorみたいなものを書くときは両方のconfigurationsを変更すること

目的

とうとう重い腰をあげてChainerとオレオレヘルパーライブラリをv2にあげようとしたところ、enable_backpropの挙動がきになったのでもメモ。
特に、下記の質問について考えてみる。

• グラフの途中でenable_backpropが変わったらどうなるのだろうか。 .unchain_backward()みたいなことはできるのだろうか?
• trainをFalseにしたら、enable_backpropも自動的にFalseになるのだろうか?
• 標準ライブラリの chainer.extensions.Evaluatorは信用して使って大丈夫なのだろうか?

ちなみにこの投稿はv2.0.0時点のものです。

調査

グラフの途中でenable_backpropが変わったらどうなる?

contextmanagerを使った実装だと、グラフの途中でenable_backpropが変わったらどうなるのかがとても気になります。
もし、no_backprop_modeがbackward()実行時に効果を持ち、forward計算時にはno_backprop_modeを使っていたのにbackward計算をno_backprop_modeで囲い忘れたがために異常に良い精度がでてしまった...では困ります¹。

この答えは、function_node.pyにあります。ここでの記載のとおり、no_backprop_modeの効果は計算グラフ構築時に親を登録しないところにあるので、forward計算時に指定した範囲で効果を持ちます。

通常の実行

a = chainer.Variable(np.array([0.1], dtype=np.float32))
with chainer.configuration.using_config('enable_backprop', True):
    chainer.config.show()
    b = a * 2.0
b.backward()
print a.grad

出力

cudnn_deterministic  False
debug                False
enable_backprop      True
keep_graph_on_report False
train                True
type_check           True
use_cudnn            auto
[ 2.]

backwardが範囲外にあってもちゃんと効果があることがわかります。

a = chainer.Variable(np.array([0.1], dtype=np.float32))
with chainer.configuration.using_config('enable_backprop', False):
    chainer.config.show()
    b = a * 2.0
b.backward()
print a.grad

出力

cudnn_deterministic  False
debug                False
enable_backprop      False
keep_graph_on_report False
train                True
type_check           True
use_cudnn            auto
None

また、上記で述べたように、enable_backpropは親との接続を断ち切ります。したがってcontextmanager内で新しく作られた変数ではなく、その親の勾配が0になります。

a = chainer.Variable(np.array([0.1], dtype=np.float32))
with chainer.configuration.using_config('enable_backprop', False):
    b = a * 2.0
c = b + 0.5
c.backward()
print a.grad  # None
print b.grad  # [ 1.]

しかも、backwardが呼ばれた時のconfigurationに完全に依存しないかというと、そうではありません。なので、1つの計算グラフの中で何度もenable_backpropを使うような実装はしないで、素直にunchain_backward()を使ったほうがよさそうです。

trainをFalseにしたら、enable_backpropも自動的にFalseになる?

なりません。

a = chainer.Variable(np.array([0.1], dtype=np.float32))
with chainer.configuration.using_config('train', False):
    chainer.config.show()
    b = a * 2.0
b.backward()
print a.grad

出力

cudnn_deterministic  False
debug                False
enable_backprop      True
keep_graph_on_report False
train                False
type_check           True
use_cudnn            auto
[ 2.]

なので、自分でextensions.Evaluatorみたいなコードを書く場合はenable_backpropとtrainの両方をFalseにする必要があります。

標準ライブラリの chainer.extensions.Evaluatorは信用して使って大丈夫?

大丈夫そうです。 enable_backpropとtrainの両方をFalseにしてくれています。

import chainer
import chainer.functions as F
import chainer.links as L
from chainer import training
from chainer.training import extensions

# Network definition
class MLP(chainer.Chain):
    def __init__(self, n_out):
        super(MLP, self).__init__()
        with self.init_scope():
            self.l1 = L.Linear(None, n_out)

    def __call__(self, x):
        chainer.config.show()
        print ""
        return self.l1(x)

model = L.Classifier(MLP(10))

optimizer = chainer.optimizers.Adam()
optimizer.setup(model)

# Load the MNIST dataset
train, test = chainer.datasets.get_mnist()
test = chainer.datasets.split_dataset(test, 1)[0]

train_iter = chainer.iterators.SerialIterator(train, 32)
test_iter = chainer.iterators.SerialIterator(test, 1,
                                             repeat=False, shuffle=False)
# Set up a trainer
updater = training.StandardUpdater(train_iter, optimizer)
trainer = training.Trainer(updater, (1, 'iteration'))
trainer.extend(extensions.Evaluator(test_iter, model), trigger=(1, 'iteration'))

# Run the training
trainer.run()

出力

cudnn_deterministic  False
debug                False
enable_backprop      True
keep_graph_on_report False
train                True
type_check           True
use_cudnn            auto

cudnn_deterministic  False
debug                False
enable_backprop      False
keep_graph_on_report False
train                False
type_check           True
use_cudnn            auto

ご覧のとおりenable_backpropとtrainの両方がFalseになっています。コードでいうとこのあたりが該当しています。

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1. もちろん、optimizerを呼ばないと実際にはデータが変わらないので、実用上このミスをおかしても問題ありませんが。 ↩