PyTorch代码调试利器: 自动print每行代码的Tensor信息

机器之心发布
作者：zasdfgbnm

本文介绍一个用于 PyTorch 代码的实用工具 TorchSnooper。作者是TorchSnooper的作者，也是PyTorch开发者之一

GitHub 项目地址： https://github.com/zasdfgbnm/TorchSnooper

大家可能遇到这样子的困扰：比如说运行自己编写的 PyTorch 代码的时候，PyTorch 提示你说数据类型不匹配，需要一个 double 的 tensor 但是你给的却是 float；再或者就是需要一个 CUDA tensor, 你给的却是个 CPU tensor。比如下面这种：

RuntimeError: Expected object of scalar type Double but got scalar type Float

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这种问题调试起来很麻烦，因为你不知道从哪里开始出问题的。比如你可能在代码的第三行用 torch.zeros 新建了一个 CPU tensor, 然后这个 tensor 进行了若干运算，全是在 CPU 上进行的，一直没有报错，直到第十行需要跟你作为输入传进来的 CUDA tensor 进行运算的时候，才报错。要调试这种错误，有时候就不得不一行行地手写 print 语句，非常麻烦。

再或者，你可能脑子里想象着将一个 tensor 进行什么样子的操作，就会得到什么样子的结果，但是 PyTorch 中途报错说 tensor 的形状不匹配，或者压根没报错但是最终出来的形状不是我们想要的。这个时候，我们往往也不知道是什么地方开始跟我们「预期的发生偏离的」。我们有时候也得需要插入一大堆 print 语句才能找到原因。

TorchSnooper 就是一个设计了用来解决这个问题的工具。TorchSnooper 的安装非常简单，只需要执行标准的 Python 包安装指令就好：

pip install torchsnooper

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安装完了以后，只需要用 @torchsnooper.snoop() 装饰一下要调试的函数，这个函数在执行的时候，就会自动 print 出来每一行的执行结果的 tensor 的形状、数据类型、设备、是否需要梯度的信息。

安装完了以后，下面就用两个例子来说明一下怎么使用。

例子1

比如说我们写了一个非常简单的函数：

def myfunc(mask, x):
y = torch.zeros(6)
y.masked_scatter_(mask, x)
return y

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我们是这样子使用这个函数的：

mask = torch.tensor([0, 1, 0, 1, 1, 0], device='cuda')
source = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0], device='cuda')
y = myfunc(mask, source)

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上面的代码看起来似乎没啥问题，然而实际上跑起来，却报错了：

RuntimeError: Expected object of backend CPU but got backend CUDA for argument #2 'mask'

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问题在哪里呢？让我们 snoop 一下！用 @torchsnooper.snoop() 装饰一下 myfunc 函数：

import torch
import torchsnooper
@torchsnooper.snoop()
def myfunc(mask, x):
y = torch.zeros(6)
y.masked_scatter_(mask, x)
return y
mask = torch.tensor([0, 1, 0, 1, 1, 0], device='cuda')
source = torch.tensor([1.0, 2.0, 3.0], device='cuda')
y = myfunc(mask, source)

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然后运行我们的脚本，我们看到了这样的输出：

Starting var:.. mask = tensor
Starting var:.. x = tensor
21:41:42.941668 call 5 def myfunc(mask, x):
21:41:42.941834 line 6 y = torch.zeros(6)
New var:....... y = tensor
21:41:42.943443 line 7 y.masked_scatter_(mask, x)
21:41:42.944404 exception 7 y.masked_scatter_(mask, x)

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结合我们的错误，我们主要去看输出的每个变量的设备，找找最早从哪个变量开始是在 CPU 上的。我们注意到这一行：

New var:....... y = tensor

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这一行直接告诉我们，我们创建了一个新变量 y, 并把一个 CPU tensor 赋值给了这个变量。这一行对应代码中的 y = torch.zeros(6)。于是我们意识到，在使用 torch.zeros 的时候，如果不人为指定设备的话，默认创建的 tensor 是在 CPU 上的。我们把这一行改成 y = torch.zeros(6, device='cuda')，这一行的问题就修复了。

这一行的问题虽然修复了，我们的问题并没有解决完整，再跑修改过的代码还是报错，但是这个时候错误变成了：

RuntimeError: Expected object of scalar type Byte but got scalar type Long for argument #2 'mask'

复制代码

好吧，这次错误出在了数据类型上。这次错误报告比较有提示性，我们大概能知道是我们的 mask 的数据类型错了。再看一遍 TorchSnooper 的输出，我们注意到：

Starting var:.. mask = tensor

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果然，我们的 mask 的类型是 int64, 而不应该是应有的 uint8。我们把 mask 的定义修改好：

mask = torch.tensor([0, 1, 0, 1, 1, 0], device='cuda', dtype=torch.uint8)

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然后就可以运行了。

例子 2

这次我们要构建一个简单的线性模型：

model = torch.nn.Linear(2, 1)

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我们想要拟合一个平面 y = x1 + 2 * x2 + 3，于是我们创建了这样一个数据集：

x = torch.tensor([[0.0, 0.0], [0.0, 1.0], [1.0, 0.0], [1.0, 1.0]])
y = torch.tensor([3.0, 5.0, 4.0, 6.0])

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我们使用最普通的 SGD 优化器来进行优化，完整的代码如下：

import torch
model = torch.nn.Linear(2, 1)
x = torch.tensor([[0.0, 0.0], [0.0, 1.0], [1.0, 0.0], [1.0, 1.0]])
y = torch.tensor([3.0, 5.0, 4.0, 6.0])
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
for _ in range(10):
optimizer.zero_grad()
pred = model(x)
squared_diff = (y - pred) ** 2
loss = squared_diff.mean()
print(loss.item())
loss.backward()
optimizer.step()

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然而运行的过程我们发现，loss 降到 1.5 左右就不再降了。这是很不正常的，因为我们构建的数据都是无误差落在要拟合的平面上的，loss 应该降到 0 才算正常。

乍看上去，不知道问题在哪里。抱着试试看的想法，我们来 snoop 一下子。这个例子中，我们没有自定义函数，但是我们可以使用 with 语句来激活 TorchSnooper。把训练的那个循环装进 with 语句中去，代码就变成了：

import torch
import torchsnooper
model = torch.nn.Linear(2, 1)
x = torch.tensor([[0.0, 0.0], [0.0, 1.0], [1.0, 0.0], [1.0, 1.0]])
y = torch.tensor([3.0, 5.0, 4.0, 6.0])
optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=0.1)
with torchsnooper.snoop():
for _ in range(10):
optimizer.zero_grad()
pred = model(x)
squared_diff = (y - pred) ** 2
loss = squared_diff.mean()
print(loss.item())
loss.backward()
optimizer.step()

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运行程序，我们看到了一长串的输出，一点一点浏览，我们注意到

New var:....... model = Linear(in_features=2, out_features=1, bias=True)
New var:....... x = tensor
New var:....... y = tensor
New var:....... optimizer = SGD (Parameter Group 0 dampening: 0 lr: 0....omentum: 0 nesterov: False weight_decay: 0)
02:38:02.016826 line 12 for _ in range(10):
New var:....... _ = 0
02:38:02.017025 line 13 optimizer.zero_grad()
02:38:02.017156 line 14 pred = model(x)
New var:....... pred = tensor
02:38:02.018100 line 15 squared_diff = (y - pred) ** 2
New var:....... squared_diff = tensor
02:38:02.018397 line 16 loss = squared_diff.mean()
New var:....... loss = tensor
02:38:02.018674 line 17 print(loss.item())
02:38:02.018852 line 18 loss.backward()
26.979290008544922
02:38:02.057349 line 19 optimizer.step()

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仔细观察这里面各个 tensor 的形状，我们不难发现，y 的形状是 (4,)，而 pred 的形状却是 (4, 1)，他们俩相减，由于广播的存在，我们得到的 squared_diff 的形状就变成了 (4, 4)。

这自然不是我们想要的结果。这个问题修复起来也很简单，把 pred 的定义改成 pred = model(x).squeeze() 即可。现在再看修改后的代码的 TorchSnooper 的输出：

New var:....... model = Linear(in_features=2, out_features=1, bias=True)
New var:....... x = tensor
New var:....... y = tensor
New var:....... optimizer = SGD (Parameter Group 0 dampening: 0 lr: 0....omentum: 0 nesterov: False weight_decay: 0)
02:46:23.545042 line 12 for _ in range(10):
New var:....... _ = 0
02:46:23.545285 line 13 optimizer.zero_grad()
02:46:23.545421 line 14 pred = model(x).squeeze()
New var:....... pred = tensor
02:46:23.546362 line 15 squared_diff = (y - pred) ** 2
New var:....... squared_diff = tensor
02:46:23.546645 line 16 loss = squared_diff.mean()
New var:....... loss = tensor
02:46:23.546939 line 17 print(loss.item())
02:46:23.547133 line 18 loss.backward()
02:46:23.591090 line 19 optimizer.step()

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现在这个结果看起来就正常了。并且经过测试，loss 现在已经可以降到很接近 0 了。大功告成。

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