ActivationFunction.cpp 12.2 KB
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/* Copyright (c) 2016 PaddlePaddle Authors. All Rights Reserve.
Z
zhangjinchao01 已提交
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limitations under the License. */

#include "ActivationFunction.h"

#include <algorithm>
#include <iostream>
Y
Yu Yang 已提交
19
#include <memory>
Z
zhangjinchao01 已提交
20 21
#include <string>
#include <thread>
Y
Yu Yang 已提交
22
#include <type_traits>
Z
zhangjinchao01 已提交
23
#include "paddle/parameter/Argument.h"
Y
Yu Yang 已提交
24
#include "paddle/utils/ClassRegistrar.h"
Z
zhangjinchao01 已提交
25 26 27 28 29 30

#include "paddle/utils/Logging.h"

namespace paddle {

static ClassRegistrar<ActivationFunction> gActivationRegistrar;
Q
qijun 已提交
31 32 33 34 35 36
/**
 * @def ACTIVATION_CLASS_NAME
 * @brief Macro for getting derived activation class name
 * @note ACTIVATION_CLASS_NAME(softmax) softmax_;
 * means softmaxActivation softmax_;
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
37
#define ACTIVATION_CLASS_NAME(ACTIVATION_NAME) ACTIVATION_NAME##Activation
Q
qijun 已提交
38 39 40 41
/**
 * @def BEGIN_DEFINE_ACTIVATION
 * @brief Macro for defining a devried activation class
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
42 43 44 45 46 47 48
#define BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(ACTIVATION_NAME)                             \
  class ACTIVATION_CLASS_NAME(ACTIVATION_NAME) : public ActivationFunction { \
  private:                                                                   \
    static const std::string name;                                           \
                                                                             \
  public:                                                                    \
    const std::string& getName() const { return name; }
Q
qijun 已提交
49 50 51 52
/**
 * @def END_DEFINE_ACTIVATION
 * @brief Macro for registering a derived activation class
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
53
#define END_DEFINE_ACTIVATION(ACTIVATION_NAME)                     \
54 55
  }                                                                \
  ;                                                                \
Z
zhangjinchao01 已提交
56 57 58
  const std::string ACTIVATION_CLASS_NAME(ACTIVATION_NAME)::name = \
      #ACTIVATION_NAME;                                            \
  static InitFunction __reg_activation__##ACTIVATION_NAME([] {     \
59 60 61
    gActivationRegistrar                                           \
        .registerClass<ACTIVATION_CLASS_NAME(ACTIVATION_NAME)>(    \
            #ACTIVATION_NAME);                                     \
Z
zhangjinchao01 已提交
62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
  });

/**
 * @brief The IdentityActivation class
 *
 * Do nothing when forward/backward.
 */
class IdentityActivation : public ActivationFunction {
public:
  static const std::string name;
Y
Yu Yang 已提交
72
  Error __must_check forward(Argument& act) {
73
    (void)act;
Y
Yu Yang 已提交
74
    return Error();
75
  }
Y
Yu Yang 已提交
76
  Error __must_check backward(Argument& act) {
77
    (void)act;
Y
Yu Yang 已提交
78
    return Error();
79
  }
Z
zhangjinchao01 已提交
80 81 82 83 84 85 86 87 88
  const std::string& getName() const { return name; }
};
const std::string IdentityActivation::name = "";
static InitFunction __reg_activation__identity([] {
  gActivationRegistrar.registerClass<IdentityActivation>("");
  gActivationRegistrar.registerClass<IdentityActivation>("linear");
});

/**
Q
qijun 已提交
89 90
 * @brief Sigmoid Activation
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
91
 * f(z) = \frac{1}{1+exp(-z)}
Q
qijun 已提交
92
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
93 94
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(sigmoid)
Y
Yu Yang 已提交
95
Error __must_check forward(Argument& act) {
96
  act.value->sigmoid(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
97
  return Error();
98
}
Y
Yu Yang 已提交
99
Error __must_check backward(Argument& act) {
100
  act.grad->sigmoidDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
101
  return Error();
102
}
Z
zhangjinchao01 已提交
103 104 105
END_DEFINE_ACTIVATION(sigmoid)

/**
Q
qijun 已提交
106 107
 * @brief Softmax Activation
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
108
 * P(y=j|x) = \frac{e^{x^Tw_j}}{\sum^K_{k=1}e^{x^Tw_k}}
Q
qijun 已提交
109
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
110 111 112 113 114 115 116 117
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(softmax)
private:
MatrixPtr sftMaxSum_;
MatrixPtr sftMaxDot_;
MatrixPtr one_;

public:
Y
Yu Yang 已提交
118
Error __must_check forward(Argument& act) {
119
  act.value->softmax(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
120
  return Error();
121
}
Z
zhangjinchao01 已提交
122

Y
Yu Yang 已提交
123
Error __must_check backward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
124 125 126 127 128 129 130
  MatrixPtr outputV = act.value;
  MatrixPtr outputG = act.grad;

  if (outputG->useGpu()) {
    outputG->softmaxBackward(*outputV);
  } else {
    SetDevice device(act.deviceId);
131 132
    Matrix::resizeOrCreate(sftMaxDot_,
                           outputG->getHeight(),
Z
zhangjinchao01 已提交
133
                           outputG->getWidth(),
134 135 136 137 138 139 140
                           /* trans */ false,
                           useGpu(act.deviceId));
    Matrix::resizeOrCreate(sftMaxSum_,
                           outputG->getHeight(),
                           1,
                           /* trans */ false,
                           useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
141
    if (!one_ || one_->getWidth() != outputG->getWidth()) {
142 143 144 145 146
      Matrix::resizeOrCreate(one_,
                             1,
                             outputG->getWidth(),
                             /* trans */ false,
                             useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
147 148 149 150 151 152 153 154
      one_->one();
    }

    sftMaxDot_->dotMul(*outputG, *outputV);
    sftMaxSum_->colMerge(*sftMaxDot_);

    act.grad->softmaxDerivative(*act.value, *sftMaxSum_);
  }
Y
Yu Yang 已提交
155
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
156 157 158
}
END_DEFINE_ACTIVATION(softmax)

Q
qijun 已提交
159 160 161 162 163
/**
 * @brief Sequence_softmax Activation
 * @note Softmax on all frames of one sequence.
 * Width of frame must be one.
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
164 165 166 167 168 169
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(sequence_softmax)
private:
ACTIVATION_CLASS_NAME(softmax) softmax_;
Argument argument_;

public:
Y
Yu Yang 已提交
170
Error __must_check forward(Argument& act) {
171
  if (act.value->getWidth() != 1UL) {
Y
Yu Yang 已提交
172
    return Error(
173 174
        "Input width for each timestep of sequence softmax should be 1");
  }
Z
zhangjinchao01 已提交
175 176

  if (!argument_.value) {
177 178 179 180 181 182 183 184 185 186
    argument_.value = Matrix::create(nullptr,
                                     /* height= */ 1,
                                     1,
                                     /* trans= */ false,
                                     useGpu(act.deviceId));
    argument_.grad = Matrix::create(nullptr,
                                    /* height= */ 1,
                                    1,
                                    /* trans= */ false,
                                    useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
187 188
  }

189 190 191 192
  auto starts =
      act.hasSubseq()
          ? act.subSequenceStartPositions->getVector(useGpu(act.deviceId))
          : act.sequenceStartPositions->getVector(useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
193
  act.value->sequenceSoftmax(*act.value, *starts);
Y
Yu Yang 已提交
194
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
195 196
}

Y
Yu Yang 已提交
197
Error __must_check backward(Argument& act) {
198
  if (act.value->getWidth() != 1UL) {
Y
Yu Yang 已提交
199
    return Error(
200 201
        "Input width for each timestep of sequence softmax should be 1");
  }
Z
zhangjinchao01 已提交
202

203 204 205
  size_t numSequences =
      act.hasSubseq() ? act.getNumSubSequences() : act.getNumSequences();
  const int* starts = act.getCpuStartPositions();
Z
zhangjinchao01 已提交
206 207 208 209 210 211 212 213

  for (size_t i = 0; i < numSequences; ++i) {
    // TODO(Dangqingqing) optimization for GPU
    size_t offset = starts[i];
    size_t size = starts[i + 1] - starts[i];
    argument_.value->setData(act.value->getData() + offset, 1UL, size);
    argument_.grad->setData(act.grad->getData() + offset, 1UL, size);

Y
Yu Yang 已提交
214 215
    Error err = softmax_.backward(argument_);
    if (!err.isOK()) return err;
Z
zhangjinchao01 已提交
216
  }
Y
Yu Yang 已提交
217
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
218 219 220 221
}
END_DEFINE_ACTIVATION(sequence_softmax)

/**
Q
qijun 已提交
222
 * @brief Relu Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
223 224 225 226 227 228 229 230 231
 * forward. y = max(0, z)
 *
 * derivative of relu is:
 *
 *    1 if z > 0
 *
 *    0 otherwise.
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(relu)
Y
Yu Yang 已提交
232
Error __must_check forward(Argument& act) {
233
  act.value->relu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
234
  return Error();
235
}
Z
zhangjinchao01 已提交
236

Y
Yu Yang 已提交
237
Error __must_check backward(Argument& act) {
238
  act.grad->reluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
239
  return Error();
240
}
Z
zhangjinchao01 已提交
241 242 243
END_DEFINE_ACTIVATION(relu)

/**
Q
qijun 已提交
244
 * @brief BRelu Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256
 *
 * forward. y = min(24, max(0, z))
 *
 * derivative of brelu is:
 *
 *    1 if 0 < z < 24
 *
 *    0 otherwise.
 *
 * TODO(yuyang18): Remove magic number 24 or make it configuable.
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(brelu)
Y
Yu Yang 已提交
257
Error __must_check forward(Argument& act) {
258
  act.value->brelu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
259
  return Error();
260
}
Z
zhangjinchao01 已提交
261

Y
Yu Yang 已提交
262
Error __must_check backward(Argument& act) {
263
  act.grad->breluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
264
  return Error();
265
}
Z
zhangjinchao01 已提交
266 267 268
END_DEFINE_ACTIVATION(brelu)

/**
Q
qijun 已提交
269 270
 * @brief Tanh Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
271
 * f(z) = tanh(z)=\frac{e^z-e^{-z}}{e^z+e^{-z}}
Q
qijun 已提交
272
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
273 274
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(tanh)
Y
Yu Yang 已提交
275
Error __must_check forward(Argument& act) {
276
  act.value->tanh(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
277
  return Error();
278
}
Z
zhangjinchao01 已提交
279

Y
Yu Yang 已提交
280
Error __must_check backward(Argument& act) {
281
  act.grad->tanhDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
282
  return Error();
283
}
Z
zhangjinchao01 已提交
284 285 286
END_DEFINE_ACTIVATION(tanh)

/**
Q
qijun 已提交
287 288
 * @brief Scaled Tanh Activation
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
289
 * f(z) = 1.7159 * tanh(2/3*z)
Q
qijun 已提交
290
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
291 292 293 294 295 296 297
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(stanh)
private:
real a, b;

public:
ACTIVATION_CLASS_NAME(stanh)() : a(1.7159), b(2. / 3.) {}
Y
Yu Yang 已提交
298
Error __must_check forward(Argument& act) {
299
  act.value->scaledTanh(*act.value, a, b);
Y
Yu Yang 已提交
300
  return Error();
301
}
Z
zhangjinchao01 已提交
302

Y
Yu Yang 已提交
303
Error __must_check backward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
304
  act.grad->scaledTanhDerivative(*act.value, a, b);
Y
Yu Yang 已提交
305
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
306 307 308 309
}
END_DEFINE_ACTIVATION(stanh)

/**
Q
qijun 已提交
310 311
 * @brief Soft Relu Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
312
 * f(z) = ln(1+e^z)
Q
qijun 已提交
313
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
314 315
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(softrelu)
Y
Yu Yang 已提交
316
Error __must_check forward(Argument& act) {
317
  act.value->softrelu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
318
  return Error();
319
}
Z
zhangjinchao01 已提交
320

Y
Yu Yang 已提交
321
Error __must_check backward(Argument& act) {
322
  act.grad->softreluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
323
  return Error();
324
}
Z
zhangjinchao01 已提交
325 326 327
END_DEFINE_ACTIVATION(softrelu)

/**
Q
qijun 已提交
328
 * @brief Abs Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
329 330 331 332 333 334 335 336 337 338 339
 * Forward: f(z) = abs(z)
 *
 * Derivative:
 *
 *     1   if z>0
 *
 *    -1   if z<0
 *
 *     0   if z=0
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(abs)
Y
Yu Yang 已提交
340
Error __must_check forward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
341
  SetDevice device(act.deviceId);
342 343 344 345 346
  Matrix::resizeOrCreate(act.in,
                         act.value->getHeight(),
                         act.value->getWidth(),
                         /* trans */ false,
                         useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
347 348

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
349
  act.value->abs2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
350
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
351 352
}

Y
Yu Yang 已提交
353
Error __must_check backward(Argument& act) {
354
  act.grad->absDerivative(*act.in);
Y
Yu Yang 已提交
355
  return Error();
356
}
Z
zhangjinchao01 已提交
357 358 359
END_DEFINE_ACTIVATION(abs)

/**
Q
qijun 已提交
360 361
 * @brief Square Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
362
 * f(z) = z^2.
Q
qijun 已提交
363
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
364 365
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(square)
Y
Yu Yang 已提交
366
Error __must_check forward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
367
  SetDevice device(act.deviceId);
368 369 370 371 372
  Matrix::resizeOrCreate(act.in,
                         act.value->getHeight(),
                         act.value->getWidth(),
                         /* trans */ false,
                         useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
373 374

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
375
  act.value->square2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
376
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
377 378
}

Y
Yu Yang 已提交
379
Error __must_check backward(Argument& act) {
380
  act.grad->squareDerivative(*act.in);
Y
Yu Yang 已提交
381
  return Error();
382
}
Z
zhangjinchao01 已提交
383
END_DEFINE_ACTIVATION(square)
384

Q
qijun 已提交
385 386 387 388 389 390
/**
 * @brief Exponential Activation.
 * \f[
 * f(z) = e^z
 * \f]
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
391
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(exponential)
Y
Yu Yang 已提交
392
Error __must_check forward(Argument& act) {
393
  act.value->exp2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
394
  return Error();
395
}
Z
zhangjinchao01 已提交
396

Y
Yu Yang 已提交
397
Error __must_check backward(Argument& act) {
398
  act.grad->expDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
399
  return Error();
400
}
Z
zhangjinchao01 已提交
401 402
END_DEFINE_ACTIVATION(exponential)

X
xuwei06 已提交
403 404 405 406 407 408 409 410 411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434 435 436 437 438 439 440
/**
 * @brief Reciprocal Activation.
 * \f[
 * f(z) = 1/z
 * \f]
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(reciprocal)
Error __must_check forward(Argument& act) {
  act.value->reciprocal2();
  return Error();
}

Error __must_check backward(Argument& act) {
  act.grad->dotMulSquare(*act.value);
  act.grad->neg();
  return Error();
}
END_DEFINE_ACTIVATION(reciprocal)

/**
 * @brief Square Root Activation.
 * \f[
 * f(z) = sqrt(z)
 * \f]
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(sqrt)
Error __must_check forward(Argument& act) {
  act.value->sqrt2();
  return Error();
}

Error __must_check backward(Argument& act) {
  act.grad->dotDiv(*act.grad, *act.value);
  act.grad->mulScalar(0.5);
  return Error();
}
END_DEFINE_ACTIVATION(sqrt)

441 442 443 444 445 446 447
/**
 * @brief Logarithm Activation.
 * \f[
 * f(z) = log(z)
 * \f]
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(log)
Y
Yu Yang 已提交
448
Error __must_check forward(Argument& act) {
449
  SetDevice device(act.deviceId);
450 451 452 453 454
  Matrix::resizeOrCreate(act.in,
                         act.value->getHeight(),
                         act.value->getWidth(),
                         /* trans */ false,
                         useGpu(act.deviceId));
455 456

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
457
  act.value->log2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
458
  return Error();
459 460
}

Y
Yu Yang 已提交
461
Error __must_check backward(Argument& act) {
462
  act.grad->dotDiv(*act.grad, *act.in);
Y
Yu Yang 已提交
463
  return Error();
464
}
465 466
END_DEFINE_ACTIVATION(log)

Z
zhangjinchao01 已提交
467 468 469 470
ActivationFunction* ActivationFunction::create(const std::string& type) {
  return gActivationRegistrar.createByType(type);
}

471 472
std::vector<std::string> ActivationFunction::getAllRegisteredTypes() {
  std::vector<std::string> types;
473 474
  gActivationRegistrar.forEachType(
      [&](const std::string& type) { types.push_back(type); });
475 476 477
  return types;
}

Z
zhangjinchao01 已提交
478
}  // namespace paddle