ActivationFunction.cpp 12.0 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
  }

  auto starts = act.sequenceStartPositions->getVector(useGpu(act.deviceId));
  act.value->sequenceSoftmax(*act.value, *starts);
Y
Yu Yang 已提交
191
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
192 193
}

Y
Yu Yang 已提交
194
Error __must_check backward(Argument& act) {
195
  if (act.value->getWidth() != 1UL) {
Y
Yu Yang 已提交
196
    return Error(
197 198
        "Input width for each timestep of sequence softmax should be 1");
  }
Z
zhangjinchao01 已提交
199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209

  size_t numSequences = act.getNumSequences();
  const int* starts = act.sequenceStartPositions->getData(false);

  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
210
    Error status = softmax_.backward(argument_);
Y
Yu Yang 已提交
211
    if (!status) return status;
Z
zhangjinchao01 已提交
212
  }
Y
Yu Yang 已提交
213
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
214 215 216 217
}
END_DEFINE_ACTIVATION(sequence_softmax)

/**
Q
qijun 已提交
218
 * @brief Relu Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
219 220 221 222 223 224 225 226 227
 * 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
228
Error __must_check forward(Argument& act) {
229
  act.value->relu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
230
  return Error();
231
}
Z
zhangjinchao01 已提交
232

Y
Yu Yang 已提交
233
Error __must_check backward(Argument& act) {
234
  act.grad->reluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
235
  return Error();
236
}
Z
zhangjinchao01 已提交
237 238 239
END_DEFINE_ACTIVATION(relu)

/**
Q
qijun 已提交
240
 * @brief BRelu Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252
 *
 * 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
253
Error __must_check forward(Argument& act) {
254
  act.value->brelu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
255
  return Error();
256
}
Z
zhangjinchao01 已提交
257

Y
Yu Yang 已提交
258
Error __must_check backward(Argument& act) {
259
  act.grad->breluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
260
  return Error();
261
}
Z
zhangjinchao01 已提交
262 263 264
END_DEFINE_ACTIVATION(brelu)

/**
Q
qijun 已提交
265 266
 * @brief Tanh Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
267
 * f(z) = tanh(z)=\frac{e^z-e^{-z}}{e^z+e^{-z}}
Q
qijun 已提交
268
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
269 270
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(tanh)
Y
Yu Yang 已提交
271
Error __must_check forward(Argument& act) {
272
  act.value->tanh(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
273
  return Error();
274
}
Z
zhangjinchao01 已提交
275

Y
Yu Yang 已提交
276
Error __must_check backward(Argument& act) {
277
  act.grad->tanhDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
278
  return Error();
279
}
Z
zhangjinchao01 已提交
280 281 282
END_DEFINE_ACTIVATION(tanh)

/**
Q
qijun 已提交
283 284
 * @brief Scaled Tanh Activation
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
285
 * f(z) = 1.7159 * tanh(2/3*z)
Q
qijun 已提交
286
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
287 288 289 290 291 292 293
 */
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
294
Error __must_check forward(Argument& act) {
295
  act.value->scaledTanh(*act.value, a, b);
Y
Yu Yang 已提交
296
  return Error();
297
}
Z
zhangjinchao01 已提交
298

Y
Yu Yang 已提交
299
Error __must_check backward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
300
  act.grad->scaledTanhDerivative(*act.value, a, b);
Y
Yu Yang 已提交
301
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
302 303 304 305
}
END_DEFINE_ACTIVATION(stanh)

/**
Q
qijun 已提交
306 307
 * @brief Soft Relu Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
308
 * f(z) = ln(1+e^z)
Q
qijun 已提交
309
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
310 311
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(softrelu)
Y
Yu Yang 已提交
312
Error __must_check forward(Argument& act) {
313
  act.value->softrelu(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
314
  return Error();
315
}
Z
zhangjinchao01 已提交
316

Y
Yu Yang 已提交
317
Error __must_check backward(Argument& act) {
318
  act.grad->softreluDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
319
  return Error();
320
}
Z
zhangjinchao01 已提交
321 322 323
END_DEFINE_ACTIVATION(softrelu)

/**
Q
qijun 已提交
324
 * @brief Abs Activation.
Z
zhangjinchao01 已提交
325 326 327 328 329 330 331 332 333 334 335
 * 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
336
Error __must_check forward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
337
  SetDevice device(act.deviceId);
338 339 340 341 342
  Matrix::resizeOrCreate(act.in,
                         act.value->getHeight(),
                         act.value->getWidth(),
                         /* trans */ false,
                         useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
343 344

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
345
  act.value->abs2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
346
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
347 348
}

Y
Yu Yang 已提交
349
Error __must_check backward(Argument& act) {
350
  act.grad->absDerivative(*act.in);
Y
Yu Yang 已提交
351
  return Error();
352
}
Z
zhangjinchao01 已提交
353 354 355
END_DEFINE_ACTIVATION(abs)

/**
Q
qijun 已提交
356 357
 * @brief Square Activation.
 * \f[
Z
zhangjinchao01 已提交
358
 * f(z) = z^2.
Q
qijun 已提交
359
 * \f]
Z
zhangjinchao01 已提交
360 361
 */
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(square)
Y
Yu Yang 已提交
362
Error __must_check forward(Argument& act) {
Z
zhangjinchao01 已提交
363
  SetDevice device(act.deviceId);
364 365 366 367 368
  Matrix::resizeOrCreate(act.in,
                         act.value->getHeight(),
                         act.value->getWidth(),
                         /* trans */ false,
                         useGpu(act.deviceId));
Z
zhangjinchao01 已提交
369 370

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
371
  act.value->square2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
372
  return Error();
Z
zhangjinchao01 已提交
373 374
}

Y
Yu Yang 已提交
375
Error __must_check backward(Argument& act) {
376
  act.grad->squareDerivative(*act.in);
Y
Yu Yang 已提交
377
  return Error();
378
}
Z
zhangjinchao01 已提交
379
END_DEFINE_ACTIVATION(square)
380

Q
qijun 已提交
381 382 383 384 385 386
/**
 * @brief Exponential Activation.
 * \f[
 * f(z) = e^z
 * \f]
 */
Z
zhangjinchao01 已提交
387
BEGIN_DEFINE_ACTIVATION(exponential)
Y
Yu Yang 已提交
388
Error __must_check forward(Argument& act) {
389
  act.value->exp2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
390
  return Error();
391
}
Z
zhangjinchao01 已提交
392

Y
Yu Yang 已提交
393
Error __must_check backward(Argument& act) {
394
  act.grad->expDerivative(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
395
  return Error();
396
}
Z
zhangjinchao01 已提交
397 398
END_DEFINE_ACTIVATION(exponential)

X
xuwei06 已提交
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/**
 * @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)

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

  act.in->copyFrom(*act.value);
H
hedaoyuan 已提交
453
  act.value->log2(*act.value);
Y
Yu Yang 已提交
454
  return Error();
455 456
}

Y
Yu Yang 已提交
457
Error __must_check backward(Argument& act) {
458
  act.grad->dotDiv(*act.grad, *act.in);
Y
Yu Yang 已提交
459
  return Error();
460
}
461 462
END_DEFINE_ACTIVATION(log)

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

467 468
std::vector<std::string> ActivationFunction::getAllRegisteredTypes() {
  std::vector<std::string> types;
469 470
  gActivationRegistrar.forEachType(
      [&](const std::string& type) { types.push_back(type); });
471 472 473
  return types;
}

Z
zhangjinchao01 已提交
474
}  // namespace paddle