前言
PyTroch中我们经常使用到Numpy进行数据的处理，然后再转为Tensor，但是关系到数据的更改时我们要注意方法是否是共享地址，这关系到整个网络的更新。本篇就In-palce操作，拷贝操作中的注意点进行总结。
In-place操作
pytorch中原地操作的后缀为_，如.add_()或.scatter_()，就地操作是直接更改给定Tensor的内容而不进行复制的操作，即不会为变量分配新的内存。Python操作类似+=或*=也是就地操作。（我加了我自己~）
为什么in-place操作可以在处理高维数据时可以帮助减少内存使用呢，下面使用一个例子进行说明，定义以下简单函数来测量PyTorch的异位ReLU（out-of-place）和就地ReLU(in-place)分配的内存：
import torch # import main library
import torch.nn as nn # import modules like nn.ReLU()
import torch.nn.functional as F # import torch functions like F.relu() and F.relu_()
def get_memory_allocated(device, inplace = False):
'''
Function measures allocated memory before and after the ReLU function call.
INPUT:
- device: gpu device to run the operation
- inplace: True - to run ReLU in-place, False - for normal ReLU call
'''
# Create a large tensor
t = torch.randn(10000, 10000, device=device)
# Measure allocated memory
torch.cuda.synchronize()
start_max_memory = torch.cuda.max_memory_allocated() / 1024**2
start_memory = torch.cuda.memory_allocated() / 1024**2
# Call in-place or normal ReLU
if inplace:
F.relu_(t)
else:
output = F.relu(t)
# Measure allocated memory after the call
torch.cuda.synchronize()
end_max_memory = torch.cuda.max_memory_allocated() / 1024**2
end_memory = torch.cuda.memory_allocated() / 1024**2
# Return amount of memory allocated for ReLU call
return end_memory - start_memory, end_max_memory - start_max_memory
# setup the device
device = torch.device('cuda:0' if torch.cuda.is_available() else "cpu")
#开始测试
# Call the function to measure the allocated memory for the out-of-place ReLU
memory_allocated, max_memory_allocated = get_memory_allocated(device, inplace = False)
print('Allocated memory: {}'.format(memory_allocated))
print('Allocated max memory: {}'.format(max_memory_allocated))
'''
Allocated memory: 382.0
Allocated max memory: 382.0
'''
#Then call the in-place ReLU as follows:
memory_allocated_inplace, max_memory_allocated_inplace = get_memory_allocated(device, inplace = True)
print('Allocated memory: {}'.format(memory_allocated_inplace))
print('Allocated max memory: {}'.format(max_memory_allocated_inplace))
'''
Allocated memory: 0.0
Allocated max memory: 0.0
'''
看起来，使用就地操作可以帮助我们节省一些GPU内存。但是，在使用就地操作时应该格外谨慎。
就地操作的主要缺点主要原因有2点，官方文档：
1.可能会覆盖计算梯度所需的值，这意味着破坏了模型的训练过程。
2.每个就地操作实际上都需要实现来重写计算图。异地操作Out-of-place分配新对象并保留对旧图的引用，而就地操作则需要更改表示此操作的函数的所有输入的创建者。
在Autograd中支持就地操作很困难，并且在大多数情况下不鼓励使用。Autograd积极的缓冲区释放和重用使其非常高效，就地操作实际上降低内存使用量的情况很少。除非在沉重的内存压力下运行，否则可能永远不需要使用它们。
总结：Autograd很香了，就地操作要慎用。
拷贝方法
浅拷贝方法： 共享 data 的内存地址，数据会同步变化
* a.numpy() # Tensor—>Numpy array
* view() #改变tensor的形状，但共享数据内存，不要直接使用id进行判断
* y = x[:] # 索引
* torch.from_numpy() # Numpy array—>Tensor
* torch.detach() # 新的tensor会脱离计算图，不会牵扯梯度计算。
* model:forward()
还有很多选择函数也是数据共享内存，如index_select() masked_select() gather()。
以及后文提到的就地操作in-place。
深拷贝方法：
* torch.clone() # 新的tensor会保留在计算图中，参与梯度计算
下面进行验证，首先验证浅拷贝：
import torch as t import numpy as np a = np.ones(4) b = t.from_numpy(a) # Numpy->Tensor print(a) print(b) '''输出： [1. 1. 1. 1.] tensor([1., 1., 1., 1.], dtype=torch.float64) ''' b.add_(1)# add_会修改b自身 print(a) print(b) '''输出： [2. 2. 2. 2.] tensor([2., 2., 2., 2.], dtype=torch.float64) b进行add操作后, a,b同步发生了变化 '''
Tensor和numpy对象共享内存（浅拷贝操作），所以他们之间的转换很快，且会同步变化。
造torch中y = x + y这样的运算是会新开内存的，然后将y指向新内存。为了进行验证，我们可以使用Python自带的id函数：如果两个实例的ID一致，那么它们所对应的内存地址相同；但需要注意是在torch中还有些特殊，数据共享时直接打印tensor的id仍然会出现不同。
x = torch.tensor([1, 2]) y = torch.tensor([3, 4]) id_0 = id(y) y = y + x print(id(y) == id_0) # False
这时使用索引操作不会开辟新的内存，而想指定结果到原来的y的内存，我们可以使用索引来进行替换操作。比如把x + y的结果通过[:]写进y对应的内存中。
x = torch.tensor([1, 2]) y = torch.tensor([3, 4]) id_0 = id(y) y[:] = y + x print(id(y) == id_0) # True
另外，以下两种方式也可以索引到相同的内存：
- torch.add(x, y, out=y)
- y += x, y.add_(x)
x = torch.tensor([1, 2]) y = torch.tensor([3, 4]) id_0 = id(y) torch.add(x, y, out=y) # y += x, y.add_(x) print(id(y) == id_0) # True
clone() 与 detach() 对比
Torch 为了提高速度，向量或是矩阵的赋值是指向同一内存的，这不同于 Matlab。如果需要保存旧的tensor即需要开辟新的存储地址而不是引用，可以用 clone() 进行深拷贝，
首先我们来打印出来clone()操作后的数据类型定义变化：
(1). 简单打印类型
import torch a = torch.tensor(1.0, requires_grad=True) b = a.clone() c = a.detach() a.data *= 3 b += 1 print(a) # tensor(3., requires_grad=True) print(b) print(c) ''' 输出结果： tensor(3., requires_grad=True) tensor(2., grad_fn=<AddBackward0>) tensor(3.) # detach()后的值随着a的变化出现变化 '''
grad_fn=<CloneBackward>，表示clone后的返回值是个中间变量，因此支持梯度的回溯。clone操作在一定程度上可以视为是一个identity-mapping函数。
detach()操作后的tensor与原始tensor共享数据内存，当原始tensor在计算图中数值发生反向传播等更新之后，detach()的tensor值也发生了改变。
注意： 在pytorch中我们不要直接使用id是否相等来判断tensor是否共享内存，这只是充分条件，因为也许底层共享数据内存，但是仍然是新的tensor，比如detach()，如果我们直接打印id会出现以下情况。
import torch as t a = t.tensor([1.0,2.0], requires_grad=True) b = a.detach() #c[:] = a.detach() print(id(a)) print(id(b)) #140568935450520 140570337203616
显然直接打印出来的id不等，我们可以通过简单的赋值后观察数据变化进行判断。
(2). clone()的梯度回传
detach()函数可以返回一个完全相同的tensor,与旧的tensor共享内存，脱离计算图，不会牵扯梯度计算。
而clone充当中间变量，会将梯度传给源张量进行叠加，但是本身不保存其grad，即值为None
import torch a = torch.tensor(1.0, requires_grad=True) a_ = a.clone() y = a**2 z = a ** 2+a_ * 3 y.backward() print(a.grad) # 2 z.backward() print(a_.grad) # None. 中间variable，无grad print(a.grad) ''' 输出： tensor(2.) None tensor(7.) # 2*2+3=7 '''
使用torch.clone()获得的新tensor和原来的数据不再共享内存，但仍保留在计算图中，clone操作在不共享数据内存的同时支持梯度梯度传递与叠加，所以常用在神经网络中某个单元需要重复使用的场景下。
通常如果原tensor的requires_grad=True，则：
- clone()操作后的tensor requires_grad=True
- detach()操作后的tensor requires_grad=False。
import torch torch.manual_seed(0) x= torch.tensor([1., 2.], requires_grad=True) clone_x = x.clone() detach_x = x.detach() clone_detach_x = x.clone().detach() f = torch.nn.Linear(2, 1) y = f(x) y.backward() print(x.grad) print(clone_x.requires_grad) print(clone_x.grad) print(detach_x.requires_grad) print(clone_detach_x.requires_grad) ''' 输出结果如下： tensor([-0.0053, 0.3793]) True None False False '''
另一个比较特殊的是当源张量的 require_grad=False，clone后的张量 require_grad=True，此时不存在张量回传现象，可以得到clone后的张量求导。
如下：
import torch a = torch.tensor(1.0) a_ = a.clone() a_.requires_grad_() #require_grad=True y = a_ ** 2 y.backward() print(a.grad) # None print(a_.grad) ''' 输出： None tensor(2.) '''
总结：
torch.detach() —新的tensor会脱离计算图，不会牵扯梯度计算
torch.clone() — 新的tensor充当中间变量，会保留在计算图中，参与梯度计算（回传叠加），但是一般不会保留自身梯度。
原地操作(in-place, such as resize_ / resize_as_ / set_ / transpose_) 在上面两者中执行都会引发错误或者警告。
引用官方文档的话：如果你使用了in-place operation而没有报错的话，那么你可以确定你的梯度计算是正确的。另外尽量避免in-place的使用。