Trials.md

# 实现 NNI 的 Trial（尝试）代码

**Trial（尝试）**是将一组参数组合（例如，超参）在模型上独立的一次尝试。

定义 NNI 的 Trial，需要首先定义参数组，并更新模型代码。 NNI 有两种方法来实现 Trial：[NNI API](#nni-api) 以及 [NNI Python annotation](#nni-annotation)。 参考[这里的](#more-examples)更多 Trial 示例。

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## NNI API

### 第一步：准备搜索空间参数文件。

示例如下：

```json
{
    "dropout_rate":{"_type":"uniform","_value":[0.1,0.5]},
    "conv_size":{"_type":"choice","_value":[2,3,5,7]},
    "hidden_size":{"_type":"choice","_value":[124, 512, 1024]},
    "learning_rate":{"_type":"uniform","_value":[0.0001, 0.1]}
}
```

参考 [SearchSpaceSpec.md](../Tutorial/SearchSpaceSpec.md) 进一步了解搜索空间。 Tuner 会根据搜索空间来生成配置，即从每个超参的范围中选一个值。

### 第二步：更新模型代码

* Import NNI
    
    在 Trial 代码中加上 `import nni`。

* 从 Tuner 获得参数值

```python
RECEIVED_PARAMS = nni.get_next_parameter()
```

`RECEIVED_PARAMS` 是一个对象，如：

`{"conv_size": 2, "hidden_size": 124, "learning_rate": 0.0307, "dropout_rate": 0.2029}`.

* 定期返回指标数据（可选）

```python
nni.report_intermediate_result(metrics)
```

`指标`可以是任意的 Python 对象。 如果使用了 NNI 内置的 Tuner/Assessor，`指标`只可以是两种类型：1) 数值类型，如 float、int， 2) dict 对象，其中必须由键名为 `default`，值为数值的项目。 `指标`会发送给 [Assessor](../Assessor/BuiltinAssessor.md)。 通常，`指标`包含了定期评估的损失值或精度。

* 返回配置的最终性能

```python
nni.report_final_result(metrics)
```

`指标`可以是任意的 Python 对象。 如果使用了内置的 Tuner/Assessor，`指标`格式和 `report_intermediate_result` 中一样，这个数值表示模型的性能，如精度、损失值等。 `指标`会发送给 [Tuner](../Tuner/BuiltinTuner.md)。

### 第三步：启用 NNI API

要启用 NNI 的 API 模式，需要将 useAnnotation 设置为 *false*，并提供搜索空间文件的路径，即第一步中定义的文件：

```yaml
useAnnotation: false
searchSpacePath: /path/to/your/search_space.json
```

参考[这里](../Tutorial/ExperimentConfig.md)进一步了解如何配置 Experiment。

* 参考[这里](https://nni.readthedocs.io/zh/latest/sdk_reference.html)，了解更多 NNI API (例如 `nni.get_sequence_id()`)。

<a name="nni-annotation"></a>

## NNI Annotation

另一种实现 Trial 的方法是使用 Python 注释来标记 NNI。 NN Annotation 很简单，类似于注释。 不必对现有代码进行结构更改。 只需要添加一些 NNI Annotation，就能够：

* 标记需要调整的参数变量
* 指定要在其中调整的变量的范围
* 标记哪个变量需要作为中间结果范围给 `Assessor`
* 标记哪个变量需要作为最终结果（例如：模型精度）返回给 `Tuner`。

同样以 MNIST 为例，只需要两步就能用 NNI Annotation 来实现 Trial 代码。

### 第一步：在代码中加入 Annotation

下面是加入了 Annotation 的 TensorFlow 代码片段，高亮的 4 行 Annotation 用于：

1. 调优 batch\_size 和 dropout\_rate
2. 每执行 100 步返回 test\_acc
3. 最后返回 test\_acc 作为最终结果。

值得注意的是，新添加的代码都是注释，不会影响以前的执行逻辑。因此这些代码仍然能在没有安装 NNI 的环境中运行。

```diff
with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
+   """@nni.variable(nni.choice(50, 250, 500), name=batch_size)"""
    batch_size = 128
    for i in range(10000):
        batch = mnist.train.next_batch(batch_size)
+       """@nni.variable(nni.choice(0.1, 0.5), name=dropout_rate)"""
        dropout_rate = 0.5
        mnist_network.train_step.run(feed_dict={mnist_network.images: batch[0],
                                                mnist_network.labels: batch[1],
                                                mnist_network.keep_prob: dropout_rate})
        if i % 100 == 0:
            test_acc = mnist_network.accuracy.eval(
                feed_dict={mnist_network.images: mnist.test.images,
                            mnist_network.labels: mnist.test.labels,
                            mnist_network.keep_prob: 1.0})
+           """@nni.report_intermediate_result(test_acc)"""

    test_acc = mnist_network.accuracy.eval(
        feed_dict={mnist_network.images: mnist.test.images,
                    mnist_network.labels: mnist.test.labels,
                    mnist_network.keep_prob: 1.0})

+   """@nni.report_final_result(test_acc)"""
```

**注意**：

* `@nni.variable` 会对它的下面一行进行修改，左边被赋值变量必须与 `@nni.variable` 的关键字 `name` 相同。
* `@nni.report_intermediate_result`/`@nni.report_final_result` 会将数据发送给 Assessor、Tuner。

Annotation 的语法和用法等，参考 [Annotation](../Tutorial/AnnotationSpec.md)。

### 第二步：启用 Annotation

在 YAML 配置文件中设置 *useAnnotation* 为 true 来启用 Annotation：

    useAnnotation: true
    

## 用于调试的独立模式

NNI 支持独立模式，使 Trial 代码无需启动 NNI 实验即可运行。 这样能更容易的找出 Trial 代码中的 Bug。 NNI Annotation 天然支持独立模式，因为添加的 NNI 相关的行都是注释的形式。 NNI Trial API 在独立模式下的行为有所变化，某些 API 返回虚拟值，而某些 API 不报告值。 有关这些 API 的完整列表，请参阅下表。

```python
＃注意：请为 Trial 代码中的超参分配默认值
nni.get_next_parameter＃返回 {}
nni.report_final_result＃已在 stdout 上打印日志，但不报告
nni.report_intermediate_result＃已在 stdout 上打印日志，但不报告
nni.get_experiment_id＃返回 "STANDALONE"
nni.get_trial_id＃返回 "STANDALONE"
nni.get_sequence_id＃返回 0
```

可使用 [mnist 示例](https://github.com/microsoft/nni/tree/master/examples/trials/mnist-tfv1) 来尝试独立模式。 只需在代码目录下运行 `python3 mnist.py`。 Trial 代码会使用默认超参成功运行。

更多调试的信息，可参考[调试指南](../Tutorial/HowToDebug.md)。

## Trial 存放在什么地方？

### 本机模式

每个 Trial 都有单独的目录来输出自己的数据。 在每次 Trial 运行后，环境变量 `NNI_OUTPUT_DIR` 定义的目录都会被导出。 在这个目录中可以看到 Trial 的代码、数据和日志。 此外，Trial 的日志（包括 stdout）还会被重定向到此目录中的 `trial.log` 文件。

如果使用了 Annotation 方法，转换后的 Trial 代码会存放在另一个临时目录中。 可以在 `run.sh` 文件中的 `NNI_OUTPUT_DIR` 变量找到此目录。 文件中的第二行（即：`cd`）会切换到代码所在的实际路径。 参考 `run.sh` 文件示例：

```bash
#!/bin/bash
cd /tmp/user_name/nni/annotation/tmpzj0h72x6 #This is the actual directory
export NNI_PLATFORM=local
export NNI_SYS_DIR=/home/user_name/nni-experiments/$experiment_id$/trials/$trial_id$
export NNI_TRIAL_JOB_ID=nrbb2
export NNI_OUTPUT_DIR=/home/user_name/nni-experiments/$eperiment_id$/trials/$trial_id$
export NNI_TRIAL_SEQ_ID=1
export MULTI_PHASE=false
export CUDA_VISIBLE_DEVICES=
eval python3 mnist.py 2>/home/user_name/nni-experiments/$experiment_id$/trials/$trial_id$/stderr
echo $? `date +%s%3N` >/home/user_name/nni-experiments/$experiment_id$/trials/$trial_id$/.nni/state
```

### 其它模式

当 Trial 运行在 OpenPAI 这样的远程服务器上时，`NNI_OUTPUT_DIR` 仅会指向 Trial 的输出目录，而 `run.sh` 不会在此目录中。 `trial.log` 文件会被复制回本机的 Trial 目录中。目录的默认位置在 `~/nni-experiments/$experiment_id$/trials/$trial_id$/` 。

详细信息，可参考[调试指南](../Tutorial/HowToDebug.md)。

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## 更多 Trial 的示例

* [MNIST 示例](MnistExamples.md)
* [为 CIFAR 10 分类找到最佳的 optimizer](Cifar10Examples.md)
* [如何在 NNI 调优 SciKit-learn 的参数](SklearnExamples.md)
* [在阅读理解上使用自动模型架构搜索。](SquadEvolutionExamples.md)
* [如何在 NNI 上调优 GBDT](GbdtExample.md)
* [在 NNI 上调优 RocksDB](RocksdbExamples.md)