问题背景

有些时候在定义模型的时候，有一部分的模型结构的是完全相同的，但是模型的数量是一个可以人为控制的变量。比如在多任务学习中，如图所示，输出任务的数量是一个可以人为控制的变量，Tower层的数量随着任务数量的变化而变化。

当任务很少时，我们可以简单的定义为：

self.TowerA = xxx
self.TowerB = xxx
···

但是当任务很多的时候，一个一个定义非常麻烦，同时在推理的时候又要重复写多次推理代码，非常不利于代码的通用性和可读性。

接下来我以上图中的模型结构为例，介绍如何重复定义相同结构的模型。

程序实现

class Tower(nn.Module): #Tower模型结构
    def __init__(self):
        super(Tower, self).__init__()
        
        p = 0
        self.tower = nn.Sequential(
            nn.Linear(64, 64),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(p),
            nn.Linear(64, 32),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(p),
            nn.Linear(32, 1)
        ) 

    def forward(self, x):
        out = self.tower(x)
        return out

class SharedBottom(nn.Module):
    def __init__(self,feature_size,n_task):
        super(SharedBottom, self).__init__()
        
        self.n_task = n_task
        
        p = 0
        self.sharedlayer = nn.Sequential(
            nn.Linear(feature_size, 128),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(p),
            nn.Linear(128, 64),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(p)
        )
        
        '''下面三种定义方式等价'''
        #方法1
#         self.tower1 = Tower()
#         self.tower2 = Tower()
#         ···
        '''方法2和方法3为批量定义的写法，将所有tower存入一个列表中，方便推理'''
        #方法2                
#         self.towers = [Tower() for i in range(n_task)]
#         for i in range(n_task):
#             setattr(self, "tower"+str(i+1), self.towers[i]) #语法：setattr(object, name, value)

        #方法3
        for i in range(n_task):
            setattr(self, "tower"+str(i+1), Tower()) #语法：setattr(object, name, value)
        self.towers = [getattr(self,"tower"+str(i+1)) for i in range(n_task)] #语法：getattr(object, name)
       
    def forward(self, x):
        h_shared = self.sharedlayer(x)
        
        #如果像方式一那样定义，那么推理时就需要按以下方式，很麻烦
#        out1 = self.tower1(h_shared)
#        out2 = self.tower2(h_shared)
#        ···
        #将所有tower存入列表中，即可用循环来实现推理，len(out)=n_task
        out = [tower(h_shared) for tower in self.towers]

        return out
    
Model = SharedBottom(feature_size=32, n_task=2) #feature_size表示输入特征数量，n_task表示任务数量

print(Model)

当n=2时，输出为：

SharedBottom(
  (sharedlayer): Sequential(
    (0): Linear(in_features=32, out_features=128, bias=True)
    (1): ReLU()
    (2): Dropout(p=0, inplace=False)
    (3): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
    (4): ReLU()
    (5): Dropout(p=0, inplace=False)
  )
  (tower1): Tower(
    (tower): Sequential(
      (0): Linear(in_features=64, out_features=64, bias=True)
      (1): ReLU()
      (2): Dropout(p=0, inplace=False)
      (3): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
      (4): ReLU()
      (5): Dropout(p=0, inplace=False)
      (6): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
    )
  )
  (tower2): Tower(
    (tower): Sequential(
      (0): Linear(in_features=64, out_features=64, bias=True)
      (1): ReLU()
      (2): Dropout(p=0, inplace=False)
      (3): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
      (4): ReLU()
      (5): Dropout(p=0, inplace=False)
      (6): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
    )
  )
)

当n=3时，输出为：

SharedBottom(
  (sharedlayer): Sequential(
    (0): Linear(in_features=32, out_features=128, bias=True)
    (1): ReLU()
    (2): Dropout(p=0, inplace=False)
    (3): Linear(in_features=128, out_features=64, bias=True)
    (4): ReLU()
    (5): Dropout(p=0, inplace=False)
  )
  (tower1): Tower(
    (tower): Sequential(
      (0): Linear(in_features=64, out_features=64, bias=True)
      (1): ReLU()
      (2): Dropout(p=0, inplace=False)
      (3): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
      (4): ReLU()
      (5): Dropout(p=0, inplace=False)
      (6): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
    )
  )
  (tower2): Tower(
    (tower): Sequential(
      (0): Linear(in_features=64, out_features=64, bias=True)
      (1): ReLU()
      (2): Dropout(p=0, inplace=False)
      (3): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
      (4): ReLU()
      (5): Dropout(p=0, inplace=False)
      (6): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
    )
  )
  (tower3): Tower(
    (tower): Sequential(
      (0): Linear(in_features=64, out_features=64, bias=True)
      (1): ReLU()
      (2): Dropout(p=0, inplace=False)
      (3): Linear(in_features=64, out_features=32, bias=True)
      (4): ReLU()
      (5): Dropout(p=0, inplace=False)
      (6): Linear(in_features=32, out_features=1, bias=True)
    )
  )
)

其他

批量定义模型中相同结构的子模型的另一个应用就是基于MoE的模型，如图所示：

在上图所展示的模型得中，除了Tower是一个变量，Expert也是一个变量，并且不同的Tower和Expert的模型结构往往是相同的，因此批量定义模型中相同结构的子模型在实际应用中非常有用，不仅可以提高编写效率，也可以提高代码的可读性和通用性。

关于MMoE的实现代码请参考：【阅读笔记】多任务学习之MMoE(含代码实现)

参考文献：