纯 C++ 机器学习 —— network.h 使用指南

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项目地址

2025.01.18 更新：去除了预设层级和优化器的成员变量 int bs，用户不再需要为每个层级和优化器都指定批大小，仅需在 auto_dao::init() 中指定即可；
2025.01.30 更新：计算加速改用 Eigen + ViennaCL，改善了 GPU 上计算的性能；
2025.02.06 更新：更正了 g++ 下的优化命令；
2025.02.13 更新：增加了原地计算功能，修复自动保存/读取的 bug，优化 FC 层计算速度，优化了各层级申请内存所需的时间，优化运行所需的内存大小；

简介

基于 C++14 的仅头文件的神经网络库，代码可读且速度较快，方便研究神经网络的实现。

计算加速：

CPU 加速：基于 Eigen（内附 3.4.0 版本，无需设置额外引用目录）；
GPU 加速：基于 Eigen 和使用 OpenCL 的 ViennaCL（需要搭建 OpenCL 环境并设置额外引用目录）；

CPU 代码支持大部分编译器，可用基于 GCC 的 DEV-C++ 编译。

对于 GPU 代码：

Windows 下仅支持 VS 系列编译器编译（存疑，作者并未在其它环境下成功）；
Linux 下情况不明，作者没有尝试；

支持自动求偏导（反向传播），用户仅需定义前向过程。

支持读取/保存图片文件，使用了开源库 stb。

本文仅介绍库的使用方法，关于机器学习的原理部分请移步：咕咕咕

注意事项

关于各种常量及开关

定义 ENABLE_GPU 以启用 GPU 计算（ViennaCL on OpenCL）；
定义 ENABLE_AUTO_SL 以启用自动生成保存/读取/释放内存函数相关功能；
使用宏 MAX_BUFSIZE_BYTE 以控制计算过程中额外使用的内存（显存）大小（防止爆内存/显存），默认值为 1073741824，即 $1\text{GB}$ ；（该功能尚未完善，额外内存可能超过该值，故建议尽量设置小一点）

关于计算加速

由于矩阵乘法算子基于 Eigen 和使用 OpenCL 的 ViennaCL，故仅需加速此两库即可。具体可以通过启用 OpenMP 和各种指令集（AVX、SSE）来加速，例如在 GCC 下使用 -Ofast -fopenmp -march=native 编译命令来启用 OpenMP 和指令集并开启 Ofast 优化。

基本概念

训练阶段

在此阶段，数据以批为单位进入神经网络，执行前向过程，计算出结果；再根据结果对应的损失值，反向传播得出各参数偏导，通过优化器更新参数。

测试阶段

在测试阶段，数据一个一个进入神经网络，执行前向过程，计算出结果。

该阶段中反向传播会被禁用，且某些层级算子的行为会改变（例如批归一化层）。

张量、自动反向传播

头文件 auto_dao.h。

命名空间 `auto_dao`

成员	含义/作用
`int Batch_Size`	批大小，若为 $0$ 则表示当前为测试阶段而非训练阶段
`struct node`	内部结构体，用户无需访问
`std::vector<node*> tmp`	内部变量，记录当前申请的所有 `node` 的地址，方便释放内存及初始化反向传播
`void init(int BatchSize)`	前向过程前必须执行的函数，释放现有所有张量占用的内存空间，初始化 `Batch_Size`
`init_backward()`	反向传播前必须执行的函数，初始化现有所有张量以便反向传播

三维张量 `val3d`

定义了可自动求偏导（反向传播）的三维张量类型 val3d。在训练阶段，张量会同时存储整个批次中的数据（所以它实际上是四维的）。val3d 会自动记录前向过程，方便反向传播。

成员	含义/作用
`int d`	张量的通道数
`int h`	张量的高度
`int w`	张量的宽度
`float* a`	张量数值的起始地址（数值按照 `auto_dao::Batch_Sizedh*w` 的方式存储）
`float* da`	张量偏导的起始地址（偏导按照 `auto_dao::Batch_Sizedh*w` 的方式存储，与数值一一对应）
`val3d()`	默认构造函数（不进行任何操作）
`val3d(int td,int th,int tw,float val=0)`	构造函数，初始化一个 `tdthtw` 的张量，其每个位置的数值都是 `val`
`val3d(int td,int th,int tw,float *dat)`	构造函数，根据 `dat[0]` 到 `dat[max(auto_dao::Batch_Size,1)tdthtw-1]` 中的数值初始化一个 `tdth*tw` 的张量
`backward()`	将该张量的偏导传递下去*
`auto_dao::node *dat`	内部变量，不使用 `private` 关键字仅仅是为了增加代码可读性，避免大量 `friend` 关键字

*：调用 backward 时，会将该张量标记为“偏导计算完成”状态，并将该张量的偏导反向传播至对其有影响的张量处。若本次操作导致某个张量的偏导计算完成（影响到的所有张量的偏导都已传播至该张量），则会自动调用其 backward 函数（类似 DAG 上反向 bfs）。故用户仅需在手动计算所有输出端张量的偏导后，手动调用所有输出端张量的 backward 函数。

关于原地计算（`inplace` 选项）

为了节省空间，某些操作具有 inplace 选项，inplace=true 的操作将在原地完成。此时该操作会复用原本张量的空间，使得原本的张量失效。

所以经过 inplace=true 的操作后原始张量将失效，请勿再使用它。

张量相关函数

函数	含义/作用
`val3d reshape(val3d x,int d,int h,int w,bool inplace=false)`	软塑形：创建一个新的三维张量，`d,h,w` 为传入的 `d,h,w`，数据从 `x.a` 拷贝（需保证 `dhw==x.dx.hx.w`）
`val3d toshape(val3d x,int d,int h,int w)`	硬塑形：创建一个新的三维张量，`d,h,w` 为传入的 `d,h,w`，数据从 `x.a` 循环拷贝，即 `i,j,k` 处的数值为 `x` 的 `i%x.d,j%x.h,k%x.w` 处的数值
`val3d operator+(val3d x,val3d y)`	创建一个新的三维张量，其每一位的数值都是 `x` 对应位置的数值和 `y` 对应位置的数值相加（需保证 `x` 和 `y` 形状相同）
`val3d operator-(val3d x,val3d y)`	同上，相加变为相减
`val3d operator*(val3d x,val3d y)`	同上，相乘
`val3d operator/(val3d x,val3d y)`	同上，相除（`x` 为被除数）
`val3d dcat(val3d x,val3d y)`	创建一个新的三维张量，其是 `x` 和 `y` 按照 `d` 这一维拼接起来的结果（`x` 占用 `[0,x.d-1]`，`y` 占用 `[x.d,x.d+y.d-1]`，需保证 `x.h==y.h` 且 `x.w==y.w`）
`float MSEloss(val3d x,float* realout)`	使用 `realout[0]` 到 `realout[max(auto_dao::Batch_Size,1)x.dx.h*x.w]` 中的数据为三维张量 `x` 计算均方差损失，同时为 `x` 计算偏导
`float BCEloss(val3d x,float* realout)`	同上，但计算的是二元交叉熵损失

均方差损失（MSEloss）

x

是输出，

r

是真实数据：

loss=\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^n(x_i-r_i)^2

二元交叉熵损失（BSEloss）

x

是输出，

r

是真实数据：

loss=-\frac{1}{n}\sum\limits_{i=1}^nr_i\ln(x_i)+(1-r_i)\ln(1-x_i)

注意

x_i

会被限制在

[10^{-7},1-10^{-7}]

内以防止出现 inf 或 nan，若超出范围则偏导为

0

。

预设优化器

头文件：Optimizer/*.h

命名规则：全大写命名

在本库中，权重及其在反向传播中求得的偏导统一存储于优化器中，方便统一更新。

统一公有成员：

成员	含义/作用
`bool built`	是否完成初始化
`int m`	权重数量
`float lrt`	学习率
`void init(float Learn_Rate,...)`	初始化优化器参数，该函数的第一个参数及含义固定，为学习率，根据不同优化器具体情况可能有更多参数
`void build()`	初始化优化器，为权重及其偏导分配内存空间
`void save(std::ofstream& ouf)`	将优化器参数及权重保存到二进制文件流 `ouf` 中
`void load(std::ifstream& inf)`	从二进制文件流 `inf` 中读取优化器参数及权重
`void delthis()`	释放申请的内存空间
`float* _wei()`	获取权重数组起始地址
`float* _tmp()`	获取偏导数组起始地址
`void init_backward()`	清空累计的偏导，即将偏导数组置零，准备反向传播
`void flush()`	利用当前累计的偏导更新权重，在反向传播完成后调用
默认构造函数	初始化 `built=false`，当启用宏 `ENABLE_AUTO_SL` 时还用于自动生成神经网络的保存、读取和空间释放函数（实现静态反射）

参数命名规则和主流的神经网络库大致相同。

SGD 优化器

头文件：Optimizer/SGD.h

定义了优化器类型 SGD，其所有公有成员均无特殊。

参数更新方式：（

w

为参数，

\Delta

为偏导）

w_i\to w_i-lrt\times \Delta_i

Adam 优化器

头文件：Optimizer/Adam.h

定义了优化器类型 ADAM，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`float b1`	参数更新公式中的 $\beta_1$
`float b2`	参数更新公式中的 $\beta_2$
`float eps`	参数更新公式中的 $\epsilon$ ，一个很小的非负实数，防止除以 $0$
`void init(float Learn_Rate,float beta1=0.9,float beta2=0.999,float Eps=1e-8)`	初始化优化器参数，`b1`，`b2` 和 `eps` 分别初始化为 `beta1`，`beta2` 和 `Eps`

参数更新方式：（

w

为参数，

\Delta

为偏导）

初始 $v_i\to 0,s_i\to 0$ ；
对于第 $t$ 次更新：
$v_i\to \beta_1v_i+(1-\beta_1)\Delta_i\\ s_i\to \beta_2s_i+(1-\beta_2)\Delta_i^2\\ \bar v_i=\frac{v_i}{1-\beta_1^t}\\ \bar s_i=\frac{s_i}{1-\beta_2^t}\\ w_i\to w_i-lrt\times \frac{\bar v_i}{\sqrt{\bar s_i}+\epsilon}$

预设网络层级（层级算子）

头文件：Layers/*.h

命名规则：全大写命名

统一公有成员：（有可训练权重）

成员	含义/作用
`bool built`	是否完成初始化
`void init(int& m,...)`	初始化层级参数，该函数第一个参数及其含义固定，为权重计数器（用于统计权重数量，一般传入优化器的 `m`）。根据不同层级的具体情况可能有更多参数
`void build(float& wei,float& tmp,...)`	为层级分配权重、偏导储存空间并初始化权重，其中 `wei` 为权重储存起始地址，`tmp` 为偏导储存起始地址
`void save(std::ofstream& ouf)`	将层级参数保存到二进制文件流 `ouf` 中，权重并不会被保存
`void load(std::ifstream& inf,float& wei,float& tmp)`	从二进制文件流 `inf` 中读取层级参数，并根据 `wei` 和 `tmp` 为层级分配权重*
`val3d operator()(val3d x)`	在三维张量 `x` 上应用该层级的操作并返回结果
默认构造函数	初始化 `built=false`，在启用宏 `ENABLE_AUTO_SL` 时还用于自动生成神经网络的保存、读取和空间释放函数（实现静态反射）

*：wei 为权重数组起始地址，tmp 为偏导数组起始地址，层级将会从 wei 中获取其权重并分配空间（这要求优化器的 load() 函数已经被调用）。

统一公有成员：（无可训练权重）

成员	含义/作用
`bool built`	是否完成初始化
`void init(...)`	初始化层级参数，根据不同层级的具体情况可能有更多参数
`void save(std::ofstream& ouf)`	将层级参数保存到二进制文件流 `ouf` 中
`void load(std::ifstream& inf)`	从二进制文件流 `inf` 中读取层级参数
`val3d operator()(val3d x)`	在三维张量 `x` 上应用该层级的操作并返回结果
默认构造函数	初始化 `built=false`，在启用宏 `ENABLE_AUTO_SL` 时还用于自动生成神经网络的保存、读取和空间释放函数（实现静态反射）

全连接层（FC）

头文件：Layers/fc.h

定义了全连接层类型 FC，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int ins`	输入值个数
`int ous`	输出值个数
`float* w`	权重存储起始地址
`void init(int& m,int INS,int OUS)`	初始化层级参数，额外将 `ins` 和 `ous` 初始化为 `INS` 和 `OUS`
`void build(float& wei,float& tmp,int InitType=INIT_HE)`	为层级分配权重、偏导储存空间并按照 `InitType` 的方式初始化 `w`（`Xavier` 或 `HE`）

FC 层将会接受大小满足 d*h*w=ins 的三维张量输入，并按照 w 加权求和后变换为大小为 ous*1*1 的三维张量。

偏置层（BIAS）

头文件：Layers/bias.h

定义了偏置层类型 BIAS，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int d`	输入张量的通道数
`int h`	输入张量的高度
`int w`	输入张量的宽度
`float* b`	权重存储起始地址
`bool inplace`	是否原地计算
`void init(int& m,SHAPE3D Input,bool Inplace=false)`	初始化层级参数，额外利用 `Input` 的三维大小初始化 `d,h,w`，并使用 `Inplace` 初始化 `inplace`
`void build(float& wei,float& tmp)`	为层级分配权重、偏导储存空间，将 `b` 初始化为全 $0$

BIAS 层将会接受大小为 d*h*w 的三维张量输入，并为第

i

个通道的所有值增加 b[i] 的偏置后输出。

卷积层（CONV）

头文件：Layers/conv.h

定义了卷积层类型 CONV，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int ind`	输入张量的通道数
`int inh`	输入张量的高度
`int inw`	输入张量的宽度
`int cnt`	卷积核的个数（输出张量的通道数）
`int ch`	卷积核的高度
`int cw`	卷积核的宽度
`int stx`	卷积核在高度方向上的步长
`int sty`	卷积核在宽度方向上的步长
`int pdx`	高度方向上的 Padding 大小（上下都会补充 `pdx` 个 `pdval`）
`int pdy`	宽度方向上的 Padding 大小（左右都会填充 `pdy` 个 `pdval`）
`float pdval`	Padding 的值
`int ouh`	输出张量的高度
`int ouw`	输出张量的宽度
`float* w`	权重存储起始地址
`void init(...)`	初始化层级参数*
`void build(float& wei,float& tmp,int InitType=INIT_HE)`	为层级分配权重、偏导储存空间并按照 `InitType` 的方式初始化 `w`（`Xavier` 或 `HE`）

*：init() 函数将初始化卷积层参数并计算出 ouh 和 ouw，详细声明及特殊参数含义如下：

CPP

void init(int& m,
    SHAPE3D Input,
    int CoreCnt,std::pair<int,int> Core,
    std::pair<int,int> Stride={1,1},
    std::pair<int,int> Padding={0,0},float PaddingVal=0)

参数	含义/作用
`SHAPE3D Input`	使用 `Input` 三维的值分别初始化 `ind,inh,inw`
`int CoreCnt`	使用该值初始化卷积核个数 `cnt`
`std::pair<int,int> Core`	初始化卷积核大小，`ch=Core.first, cw=Core.second`
`std::pair<int,int> Stride`	初始化步幅大小，`stx=Stride.first, sty=Stride.second`
`std::pair<int,int> Padding`	初始化 Padding 大小，`pdx=Padding.first, pdy=Padding.second`
`float PaddingVal`	使用该值初始化 `pdval`

调用 init() 函数后将自动初始化 ouh=(inh+pdx*2-ch)/stx+1, ouw=(inw+pdy*2-cw)/sty+1。

CONV 层接受大小为 ind*inh*inw 的三维张量输入，并做卷积操作后输出大小为 cnt*ouh*ouw 的三维张量。

反卷积层（DECONV）

头文件：Layers/deconv.h

定义了反卷积层类型 DECONV，其特殊成员及其含义与 CONV 类型相同，但没有 pdval 及 PaddingVal，即输入张量的每个值乘上卷积核后叠加到输出张量上，cnt*ouh*oud 的三维张量经过参数（仅交换 cnt 和 ind）一样的 CONV 后会变为 ind*inh*inw 的三维张量。

具体细节不再赘述，详见咕咕咕。

池化层（POOLING）

头文件：Layers/pooling.h

定义了池化层类型 POOLING，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int ind`	输入张量的通道数
`int inh`	输入张量的高度
`int inw`	输入张量的宽度
`int ch`	池化核的高度
`int cw`	池化核的宽度
`int tpe`	池化操作类型（最大池化/均值池化）
`int stx`	池化核在高度方向上的步长
`int sty`	池化核在宽度方向上的步长
`int ouh`	输出张量的高度
`int ouw`	输出张量的宽度
`void init(...)`	初始化层级参数*

*：init() 函数将初始化池化层参数并计算出 ouh 和 ouw，详细声明及特殊参数含义如下：

CPP

inline void init(SHAPE3D Input,
    std::pair<int,int> Core,
    int Type=MAX_POOLING,
    std::pair<int,int> Stride={-1,-1})

参数	含义/作用
`SHAPE3D Input`	使用 `Input` 三维的值分别初始化 `ind,inh,inw`
`std::pair<int,int> Core`	初始化池化核大小，`ch=Core.first, cw=Core.second`
`int Type`	初始化池化操作类型，`MAX_POOLING` 表示最大池化，`MEAN_POOLING` 表示均值池化
`std::pair<int,int> Stride`	初始化步幅大小，`stx=Stride.first, sty=Stride.second`，特别的，若某一项为 `-1` 则表示该项取池化核的对应参数

调用 init() 函数后将自动初始化 ouh=(inh+stx-1)/stx, ouw=(inw+sty-1)/sty。

POOLING 层接受大小为 ind*inh*inw 的三维张量输入，并做池化操作后输出大小为 ind*ouh*ouw 的三维张量。

拓展层（EXT）

头文件：Layers/ext.h

定义了拓展层类型 EXT，其效果是将每个位置的值在原地复制若干份（变胖），特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int ind`	输入张量的通道数
`int inh`	输入张量的高度
`int inw`	输入张量的宽度
`int filx`	填充高度
`int fily`	填充宽度
`int ouh`	输出张量的高度
`int ouw`	输出张量的宽度
`void init(SHAPE3D Input,std::pair<int,int> Fill)`	初始化层级参数，使用 `Input` 三维的值分别初始化 `ind,inh,inw`，使用 `Fill` 两维的值分别初始化 `filx` 和 `fily`

调用 init() 函数后将自动初始化 ouh=inh*filx, ouw=inw*fily。

EXT 层接受大小为 ind*inh*inw 的三维张量输入，将每个值在原地变为 filx*fily 的值相等的矩形后输出大小为 ind*ouh*ouw 的三维张量。

批归一化层（BN）

头文件：Layers/bn.h

定义了批归一化层类型 BN，特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int d`	输入张量的通道数
`int h`	输入张量的高度
`int w`	输入张量的宽度
`float delta`	滑动平均参数 $\delta$
`float eps`	极小量 $\epsilon$ ，防止让方差变得很小以至于除以零
`float* k`	系数数组起始地址
`float* b`	偏置数组起始地址
`float* e_avg`	均值的滑动平均，用于测试时的前向过程
`float* e_var`	方差的滑动平均，用于测试时的前向过程
`void init(int& m,SHAPE3D Input,float Delta=0.9,float EPS=1e-4)`	初始化层级参数，使用 `Input` 三维的值分别初始化 `d,h,w`，使用 `Delta` 和 `EPS` 分别初始化 `delta` 和 `eps`
`void build(float& wei,float& tmp)`	为层级分配权重、偏导储存空间并将 `k` 和 `e_var` 初始化为全 $1$ ，`b` 和 `e_avg` 初始化为全 $0$

BN 层将会对所有批的输入数据一起操作，为输入张量的每个通道做批归一化，而输出的三维张量形状不变。具体的，假设这是第

i

个通道，将通道内部所有位置所有批的值拿出来放入数组

a

中（假设共

n

个），则在训练阶段得到对应的输出

\overline{a}

的流程为：

\mu_i=\frac{1}{n}\sum\limits_{j=1}^{n} a_i\\ \sigma_i=\frac{1}{n}\sum\limits_{j=1}^{n} (a_j-\mu_i)^2\\ \overline{a}_j=k_i\frac{a_j-\mu_i}{\sqrt{\sigma_i+\epsilon}}+b_i

并且 e_avg 和 e_var 在每次训练阶段的前向过程都会做如下更新：

e\_avg_i=\delta\times e\_avg_i +(1-\delta)\times \mu_i\\ e\_var_i=\delta\times e\_var_i +(1-\delta)\times \sigma_i\\

在测试阶段，由于数据量较小，均值和方差往往不够准确，故采用之前的滑动平均来计算输出：

\overline{a}_j=k_i\frac{a_j-e\_avg_i}{\sqrt{e\_var_i+\epsilon}}+b_i

组归一化层（GN）

头文件：Layers/gn.h

定义了组归一化层类型 GN，特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int d`	输入张量的通道数
`int h`	输入张量的高度
`int w`	输入张量的宽度
`int g`	每组的通道数
`float eps`	极小量 $\epsilon$ ，防止让方差变得很小以至于除以零
`int cnt`	组数
`float* k`	系数数组起始地址
`float* b`	偏置数组起始地址
`void init(int& m,SHAPE3D Input,float EPS=1e-4)`	初始化层级参数，使用 `Input` 三维的值分别初始化 `d,h,w`，使用 `EPS` 初始化 `eps`
`void build(float& wei,float& tmp)`	为层级分配权重、偏导储存空间并将 `k` 初始化为全 $1$ ，`b` 初始化为全 $0$

调用 init() 函数后将自动初始化 cnt=d/g+(d%g!=0)。

GN 层将会对每个批的数据分别操作，将输入张量每连续的至多

g

个通道分为一组，共

cnt

组，每组内做和 BN 层大致相同的归一化操作，而输出的三维张量形状不变。

由于是对每个批的数据分别操作，故测试时的前向过程和训练时一致。

Softmax 归一化层（Softmax）

头文件：Layers/Softmax.h

定义了 Softmax 归一化层类型 SOFTMAX，特殊成员如下：

成员	含义/作用
`int d`	输入张量的通道数
`int h`	输入张量的高度
`int w`	输入张量的宽度
`void init(SHAPE3D Input)`	初始化层级参数，使用 `Input` 三维的值分别初始化 `d,h,w`

SOFTMAX 层将会对输入张量沿着通道做 Softmax 操作，输出张量三维形状不变，即对于位置

x,y

上的

d

个值，设其分别为

a_{[1,d]}

，则输出

\overline a_{[1,d]}

的计算方法如下：

\overline{a}_i=\frac{e^{a_i}}{\sum\limits_{j=1}^d e^{a_j}}

各种激活函数层

公共特殊成员：

成员	含义/作用
`int siz`	输入张量的大小（`dhw`）
`bool inplace`	是否原地计算
`void init(int Siz,bool Inplace=false,...)`	初始化层级参数，前两个参数及其含义固定（使用 `Siz` 初始化 `siz`，使用 `Inplace` 初始化 `inplace`），若有更多参数将给出说明

各种激活函数层将对输入张量的每个数值分别应用对应的激活函数

f

，即

x_{\text{out}}=f(x_{\text{in}})

，输出张量三维形状不变。

ReLU 层（RELU）

头文件：Layers/ReLU.h

定义了 ReLU 层类型 RELU：

f(x)=\max(x,0)

Leaky_ReLU 层（LEAKY_RELU）

头文件：Layers/Leaky_ReLU.h

定义了 Leaky_ReLU 层类型 LEAKY_RELU，其特殊成员如下：

成员	含义/作用
`float a`	激活函数 $f$ 中的参数 $\alpha$
`void init(int Siz,float Alpha=0.01)`	初始化层级参数，额外使用 `Alpha` 初始化 `a`

激活函数表达式如下：

f(x)=\begin{cases}\alpha x&x<0\\x&x\ge 0\end{cases}

Sigmoid 层（SIGMOID）

头文件：Layers/Sigmoid.h

定义了 Sigmoid 层类型 SIGMOID：

f(x)=\frac{1}{1+e^{-x}}

Tanh 层（TANH）

头文件：Layers/Tanh.h

定义了 Tanh 层类型 TANH：

f(x)=\frac{e^x-e^{-x}}{e^x+e^{-x}}

自动生成保存/读取/释放空间函数

头文件：auto_saveload.h，定义宏 ENABLE_AUTO_SL 以启用。

原理是使用构造函数创建反射，依次执行预设优化器和所有预设层级的对应函数。

基础用法

在用户定义的神经网络类中，将预设优化器的声明放置于所有预设层级声明的前面，并且不能有多个预设优化器。

在预设优化器声明前加上 AUTO_SL_BEG 关键字，在所有预设层级声明的末尾加上 AUTO_SL_BEG 关键字。

将会自动定义类的三个成员变量 save、load 和 delthis，并自动定义其 () 运算符。

例子：

CPP

class network
{
AUTO_SL_BEG
    ADAM opt;
    FC fc1,fc2,fc3;
    CONV c1,c2;
AUTO_SL_END
}test;

使用 test.save(path) 和 test.load(path) 以保存到文件或从文件中读取。

使用 test.delthis() 以释放该神经网络类预设优化器及各预设层级占用的内存空间。

进阶用法

对于用户自己定义的层级/优化器，可以再其构造函数中使用如下几个宏自动生成对应的反射注册代码：

CPP

AUTO_SL_LAYER_CONSTRUCTER_WEIGHT_DELTHISFUNC(weight_add)
AUTO_SL_LAYER_CONSTRUCTER_WEIGHT(weight_add)
AUTO_SL_LAYER_CONSTRUCTER_DELTHISFUNC
AUTO_SL_LAYER_CONSTRUCTER

AUTO_SL_OPTIMIZER_CONSTRUCTER

其中 weight_add 为指向该层级的权重起始地址的指针，用于在保存/读取时确定各层级间权重分配顺序。

具体详见 auto_saveload.h 中的注释及源代码。

图片读写及其它文件操作

头文件 file_io.h

定义了若干文件操作（包含图片读写）函数：

函数	含义/作用
`void readf(std::ifstream& inf,T& x)`	从二进制输入流 `inf` 中读取类型 `T` 的数据到 `x` 中
`void readf(std::ifstream& inf,T* x,int siz)`	从二进制输入流 `inf` 中读取连续的 `siz` 个类型 `T` 的数据到 `x` 起始的数组中
`writf(std::ofstream& ouf,T x)`	将类型 `T` 的数据 `x` 输出到二进制输出流 `ouf` 中
`writf(std::ofstream& ouf,T* x,int siz)`	将从 `x` 起始的连续 `siz`个类型 `T` 的数据依次输出到二进制输出流 `ouf` 中
`void readimg(std::string path,int& d,int& h,int& w,float* img,float l=-1,float r=1)`	读取 `path` 对应的图片文件，将其通道数和高度、宽度分别储存在 `d,h,w` 中，将其每个像素点每个通道的值归一化到 $[l,r]$ 后按 `dhw` 的格式储存在 `img` 中
`void readimg(std::string path,float* img,float l=-1,float r=1)`	含义基本同上，但不储存三维大小
`void savejpg(std::string path,int d,int h,int w,float* img,float l=-1,float r=1,int quality=100)`	将起始地址为 `img` 的一张归一化到 $[l,r]$ 的 `dhw` 的图片以 `jpg` 的格式保存在文件 `path` 中，图片质量为 `quality`
`void savepng(std::string path,int d,int h,int w,float* img,float l=-1,float r=1)`	含义基本同上，但保存格式为 `png` 且无图片质量参数
`void savebmp(std::string path,int d,int h,int w,float* img,float l=-1,float r=1)`	含义基本同上，但保存格式为 `bmp`
`void getfiles(std::string path,std::vector<std::string>& files)`	获取目录 `path` 下的所有文件，并将其路径保存到 `files` 中（也会获取更深的所有子目录中的文件）

其它头文件

头文件	含义/作用
`stb/*.h`	开源库 stb 中的若干头文件
`Eigen/*`	开源库 Eigen 的 3.4.0 版本
`fast_calc.h`	定义了快速矩阵乘法函数
`defines.h`	各头文件的公共定义、引用
`network.h`	库入口

基于 MNIST 的 demo

CPP

#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <chrono>

#define ENABLE_AUTO_SL 

#include "./network_h/network.h"

using namespace std;

const int T = 60000, TEST_T = 10000;
const int Batch_Size = 60;
const float lrt = 0.001;
const int total_batch = 5000, calctme = 5;

struct NETWORK
{
	AUTO_SL_BEG
		ADAM opt;
		
		CONV c1;
		BN b1;
		LEAKY_RELU a1;
		POOLING p1;
		
		CONV c2;
		BN b2;
		LEAKY_RELU a2;
		POOLING p2;
		
		FC fc1;
		BIAS bi1;
		LEAKY_RELU a3;
		
		FC fc2;
		BIAS bi2;
		SOFTMAX sfm1;
	AUTO_SL_END
	
	float in[Batch_Size * 28 * 28];
	val3d out;
	
	inline void init()
	{
		opt.init(lrt);
		
		c1.init(opt.m,SHAPE3D(1,28,28),8,{3,3},{1,1},{1,1},0);
		b1.init(opt.m,SHAPE3D(8,28,28));
		a1.init(8*28*28,true);
		p1.init(SHAPE3D(8,28,28),{2,2});
		
		c2.init(opt.m,SHAPE3D(8,14,14),16,{3,3},{1,1},{1,1},0);
		b2.init(opt.m,SHAPE3D(16,14,14));
		a2.init(16*14*14,true);
		p2.init(SHAPE3D(16,14,14),{2,2});
		
		fc1.init(opt.m,16*7*7,128);
		bi1.init(opt.m,SHAPE3D(128,1,1),true);
		a3.init(128,true);
		
		fc2.init(opt.m,128,10);
		bi2.init(opt.m,SHAPE3D(10,1,1),true);
		sfm1.init(SHAPE3D(10,1,1));
		
		opt.build();
		
		float *wei=opt._wei(),*tmp=opt._tmp();
		c1.build(wei,tmp),b1.build(wei,tmp);
		c2.build(wei,tmp),b2.build(wei,tmp);
		fc1.build(wei,tmp),bi1.build(wei,tmp);
		fc2.build(wei,tmp,INIT_XAVIER),bi2.build(wei,tmp); 
	}
	inline void forward(bool test)
	{
		auto_dao::init(test?0:Batch_Size);
		val3d x(1,28,28,in);
		x=c1(x),x=b1(x),x=a1(x),x=p1(x);
		x=c2(x),x=b2(x),x=a2(x),x=p2(x);
		x=fc1(x),x=bi1(x),x=a3(x);
		x=fc2(x),x=bi2(x),x=sfm1(x);
		out=x;
	}
	inline float backward(float *rout)
	{
		opt.init_backward();
		float res=MSEloss(out,rout);
		out.backward();
		opt.flush();
		return res;
	}
};

float casin[T + 5][28 * 28];
int casans[T + 5];

float outs[Batch_Size * 10];
float total_loss;

NETWORK brn;

inline void loaddata(string imgpath,string anspath,int T)
{
	FILE* fimg = fopen(imgpath.c_str(), "rb");
	FILE* fans = fopen(anspath.c_str(), "rb");
	if (fimg == NULL)
	{
		puts("加载图片数据失败\n");
		system("pause");
		exit(1);
	}
	if (fans == NULL)
	{
		puts("加载答案数据失败\n");
		system("pause");
		exit(1);
	}
	fseek(fimg, 16, SEEK_SET);
	fseek(fans, 8, SEEK_SET);
	unsigned char* img = new unsigned char[28 * 28];
	for (int cas = 1; cas <= T; cas++)
	{
		fread(img, 1, 28 * 28, fimg);
		for (int i = 0; i < 28 * 28; i++) casin[cas][i] = img[i] / (float)255;
		unsigned char num;
		fread(&num, 1, 1, fans);
		casans[cas] = num;
	}
	delete[] img;
	fclose(fimg), fclose(fans);
}

void train()
{
	int cins = 0, couts = 0;
	for (int tb = 1; tb <= Batch_Size; tb++)
	{
		int cas = (rand() * (RAND_MAX + 1) + rand()) % T + 1;
		for (int i = 0; i < 28 * 28; i++) brn.in[cins++] = casin[cas][i];
		for (int i = 0; i < 10; i++) outs[couts++] = casans[cas] == i;
	}
	brn.forward(false);
	total_loss+=brn.backward(outs);
}

inline bool test(int cas)
{
	for (int i = 0; i < 28 * 28; i++) brn.in[i] = casin[cas][i];
	brn.forward(true);
	int mxid = 0;
	for (int i = 1; i < 10; i++) if (brn.out.a[i] > brn.out.a[mxid]) mxid = i;
	return mxid == casans[cas];
}

int main()
{
	printf("模式选择：\n");
	printf("[1] 加载 AI 并测试\n");
	printf("[2] 训练 AI（最好的 AI 模型将会保存到 ./best.ai）\n");
	int mode;
	scanf("%d", &mode);
	system("cls");
	string imgpath = "./MNIST/img", 
		   anspath = "./MNIST/ans", 
		   testimgpath = "./MNIST/testimg",
		   testanspath = "./MNIST/testans";
	printf("训练图片文件：%s\n", imgpath.c_str());
	printf("训练答案文件：%s\n", anspath.c_str());
	printf("评估图片文件：%s\n", testimgpath.c_str());
	printf("评估答案文件：%s\n\n", testanspath.c_str());
	if (mode == 1)
	{
		printf("请输入之前保存的 AI 路径\n");
		string path;
		cin >> path;
		brn.load(path);
	}
	else
	{
		printf("加载数据中...\n");
		loaddata(imgpath,anspath,T);
		printf("加载数据完成\n\n");
		brn.init();
		total_loss = 0;
		printf("开始训练...\n\n");
    	auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
		for (int i = 1; i <= total_batch; i++)
		{
			train();
			if (i % calctme == 0)
			{
				total_loss /= (float)calctme;
				printf("[%.2f%%] 训练了 %d 组样本，平均 loss %f\n", i / (float)total_batch * 100, i * Batch_Size, total_loss);
				total_loss = 0;
			}
		}
	    auto stop = std::chrono::high_resolution_clock::now();
	    auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(stop - start).count();
		brn.save("best.ai");
		printf("\n训练完成！共训练 %d ms，模型已保存到 best.ai\n\n",(int)duration);
	}
	printf("加载测试数据中...\n");
	loaddata(testimgpath,testanspath,TEST_T);
	printf("加载测试数据完成\n\n");
	printf("开始模型评估...\n");
	int tot = 0;
	for (int i = 1; i <= TEST_T; i ++) tot += test(i);
	printf("模型评估完成，正确率：%.2f%%\n\n", (float)tot / TEST_T * 100);
	brn.delthis();
	system("pause");
	return 0;
}