相信社區中很多小伙伴和我一樣使用了很長時間的Caffe深度學習框架，也非常希望從代碼層次理解Caffe的實現從而實現新功能的定制。本文將從整體架構和底層實現的視角，對Caffe源碼進行解析。

Caffe總體架構

Caffe框架主要有五個組件，Blob，Solver，Net，Layer，Proto，其結構圖如下圖1所示。Solver負責深度網絡的訓練，每個Solver中包含一個訓練網絡對象和一個測試網絡對象。每個網絡則由若干個Layer構成。每個Layer的輸入和輸出Feature map表示為Input Blob和Output Blob。Blob是Caffe實際存儲數據的結構，是一個不定維的矩陣，在Caffe中一般用來表示一個拉直的四維矩陣，四個維度分別對應Batch Size(N)，Feature Map的通道數(C),Feature Map高度(H)和寬度(W)。Proto則基于Google的Protobuf開源項目，是一種類似XML的數據交換格式，用戶只需要按格式定義對象的數據成員，可以在多種語言中實現對象的序列化與反序列化，在Caffe中用于網絡模型的結構定義、存儲和讀取。

圖1 Caffe源碼總體架構圖

Blob解析

下面介紹Caffe中的基本數據存儲類Blob。Blob使用SyncedMemory類進行數據存儲，數據成員 data_指向實際存儲數據的內存或顯存塊，shape_存儲了當前blob的維度信息，diff_這個保存了反向傳遞時候的梯度信息。在Blob中其實不是只有num，channel，height，width這種四維形式，它是一個不定維度的數據結構，將數據展開存儲，而維度單獨存在一個vector 類型的shape_變量中，這樣每個維度都可以任意變化。

來一起看看Blob的關鍵函數，data_at這個函數可以讀取的存儲在此類中的數據，diff_at可以用來讀取反向傳回來的誤差。順便給個提示，盡量使用data_at(const vector& index)來查找數據。Reshape函數可以修改blob的存儲大小，count用來返回存儲數據的數量。BlobProto類負責了將Blob數據進行打包序列化到Caffe的模型中。

工廠模式說明

接下來介紹一種設計模式Factory Pattern，Caffe 中Solver和Layer對象的創建均使用了此模式，首先看工廠模式的UML的類圖：

圖2 工廠模式UML類圖

如同Factory生成同一功能但是不同型號產品一樣，這些產品實現了同樣Operation，很多人看了工廠模式的代碼，會產生這樣的疑問為何不new一個出來呢，這樣new一個出來似乎也沒什么問題吧。試想如下情況，由于代碼重構類的名稱改了，或者構造函數參數變化(增加或減少參數)。而你代碼中又有N處new了這個類。如果你又沒用工廠，就只能一個一個找來改。工廠模式的作用就是讓使用者減少對產品本身的了解，降低使用難度。如果用工廠，只需要修改工廠類的創建具體對象方法的實現，而其他代碼不會受到影響。

舉個例子，寫代碼少不得餓了要加班去吃夜宵，麥當勞的雞翅和肯德基的雞翅都是MM愛吃的東西，雖然口味有所不同，但不管你帶MM去麥當勞或肯德基，只管向服務員說“來四個雞翅”就行了。麥當勞和肯德基就是生產雞翅的Factory。

Solver解析

接下來切回正題，我們看看Solver這個優化對象在Caffe中是如何實現的。SolverRegistry這個類就是我們看到的上面的factory類，負責給我們一個優化算法的產品，外部只需要把數據和網絡結構定義好，它就可以自己優化了。

Solver* CreateSolver(const SolverParameter& param)這個函數就是工廠模式下的CreateProduct的操作， Caffe中這個SolverRegistry工廠類可以提供給我們6種產品(優化算法)：

這六種產品的功能都是實現網絡的參數更新，只是實現方式不一樣。那我們來看看他們的使用流程吧。當然這些產品類似上面Product類中的Operation，每一個Solver都會繼承Solve和Step函數，而每個Solver中獨有的僅僅是ApplyUpdate這個函數里面執行的內容不一樣，接口是一致的，這也和我們之前說的工廠生產出來的產品一樣功能一樣，細節上有差異，比如大多數電飯煲都有煮飯的功能，但是每一種電飯煲煮飯的加熱方式可能不同，有底盤加熱的還有立體加熱的等。接下里我們看看Solver中的關鍵函數。

Solver中Solve函數的流程圖如下：

圖3 Solver類Solve方法流程圖

Solver類中Step函數流程圖：

圖4 Solver類Step方法流程圖

Solver中關鍵的就是調用Sovle函數和Step函數的流程，你只需要對照Solver類中兩個函數的具體實現，看懂上面兩個流程圖就可以理解Caffe訓練執行的過程了。

Net類解析

分析過Solver之后我們來分析下Net類的一些關鍵操作。這個是我們使用Proto創建出來的深度網絡對象，這個類負責了深度網絡的前向和反向傳遞。以下是Net類的初始化方法NetInit函數調用流程：

圖5 Net類NetInit方法流程圖

Net的類中的關鍵函數簡單剖析

• ForwardBackward：按順序調用了Forward和Backward。

• ForwardFromTo(int start, int end)：執行從start層到end層的前向傳遞，采用簡單的for循環調用。

• BackwardFromTo(int start, int end)：和前面的ForwardFromTo函數類似，調用從start層到end層的反向傳遞。

• ToProto函數完成網絡的序列化到文件，循環調用了每個層的ToProto函數。

Layer解析

Layer是Net的基本組成單元，例如一個卷積層或一個Pooling層。本小節將介紹Layer類的實現。

Layer的繼承結構

圖6 Layer層的繼承結構

Layer的創建

與Solver的創建方式很像，Layer的創建使用的也是工廠模式，這里簡單說明下幾個宏函數：

REGISTER_LAYER_CREATOR負責將創建層的函數放入LayerRegistry。

我們來看看大多數層創建的函數的生成宏REGISTER_LAYER_CLASS，可以看到宏函數比較簡單的，將類型作為函數名稱的一部分，這樣就可以產生出一個創建函數，并將創建函數放入LayerRegistry。

REGISTER_LAYER_CREATOR(type, Creator_##type##Layer)

這段代碼在split_layer.cpp文件中

REGISTER_LAYER_CLASS(Split)。

這樣我們將type替換過以后給大家做個范例，參考下面的代碼。

當然這里的創建函數好像是直接調用，沒有涉及到我們之前工廠模式的一些問題。所有的層的類都是這樣嗎?當然不是，我們仔細觀察卷積類。

卷積層怎么沒有創建函數呢，當然不是，卷積的層的創建函數在LayerFactory.cpp中，截圖給大家看下，具體代碼如下：

這樣兩種類型的Layer的創建函數都有了對應的聲明。這里直接說明除了有cudnn實現的層，其他層都是采用***種方式實現的創建函數，而帶有cudnn實現的層都采用的第二種方式實現的創建函數。

Layer的初始化

介紹完創建我們看看層里面的幾個函數都是什么時候被調用的。

關鍵函數Setup此函數在之前的流程圖中的NetInit時候被調用，代碼如下：

這樣整個Layer初始化的過程中，CheckBlobCounts被***調用，然后接下來是LayerSetUp，后面才是Reshape，***才是SetLossWeights。這樣Layer初始化的生命周期大家就有了了解。

Layer的其他函數的介紹

Layer的Forward函數和Backward函數完成了網絡的前向和反向傳遞，這兩個函數在自己實現新的層必須要實現。其中Backward會修改bottom中blob的diff_，這樣就完成了誤差的方向傳導。

Protobuf介紹

Caffe中的Caffe.proto文件負責了整個Caffe網絡的構建，又負責了Caffemodel的存儲和讀取。下面用一個例子介紹Protobuf的工作方式：

利用protobuffer工具存儲512維度圖像特征：

• message 編寫：新建txt文件后綴名改為proto,編寫自己的message如下，并放入解壓的protobuff的文件夾里;

其中，dwFaceFeatSize表示特征點數量;pfFaceFeat表示人臉特征。

• 打開windows命令窗口(cmd.exe)—->cd空格，把protobuff的文件路徑復制粘貼進去——>enter;

• 輸入指令protoc *.proto –cpp_out=. ———>enter

• 可以看到文件夾里面生成“ .pb.h”和“.pb.cpp”兩個文件，說明成功了

• 下面可以和自己的代碼整合了：

• 新建你自己的工程，把“ .pb.h”和“.pb.cpp”兩個文件添加到自己的工程里，并寫上#include” *.pb.h”

• 按照配庫的教程把庫配置下就可以了

VS下Protobuf的配庫方法：

解決方案—->右擊工程名—->屬性

(1)c/c++—>常規—>附加包含目錄—>

($your protobuffer include path)\protobuffer

(2)c/c++—>鏈接器–>常規—>附加庫目錄–>

($your protobuffer lib path)\protobuffer

(3) c/c++—>鏈接器–>輸入—>附加依賴項–>

libprotobufd.lib;(帶d的為debug模式)

或libprotobuf.lib;(不帶d,為release模式)

使用protobuf進行打包的方法如下代碼：

Caffe的模型序列化

BlobProto其實就是Blob序列化成Proto的類，Caffe模型文件使用了該類。Net調用每個層的Toproto方法，每個層的Toproto方法調用了Blob類的ToProto方法，這樣完整的模型就被都序列化到proto里面了。***只要將這個proto繼承于message類的對象序列化到文件就完成了模型寫入文件。Caffe打包模型的時候就只是簡單調用了WriteProtoToBinaryFile這個函數，而這個函數里面的內容如下：

Proto.txt的簡單說明

Caffe網絡的構建和Solver的參數定義均由此類型文件完成。Net構建過程中調用ReadProtoFromTextFile將所有的網絡參數讀入。然后調用上面的流程進行整個caffe網絡的構建。這個文件決定了怎樣使用存在caffe model中的每個blob是用來做什么的，如果沒有了這個文件caffe的模型文件將無法使用，因為模型中只存儲了各種各樣的blob數據，里面只有float值，而怎樣切分這些數據是由prototxt文件決定的。

Caffe的架構在框架上采用了反射機制去動態創建層來構建Net，Protobuf本質上定義了graph，反射機制是由宏配合map結構形成的，然后使用工廠模式去實現各種各樣層的創建，當然區別于一般定義配置采用xml或者json，該項目的寫法采用了proto文件對組件進行組裝。

總結

以上為Caffe代碼架構的一個總體介紹，希望能借此幫助社區的小伙伴找到打開定制化Caffe大門的鑰匙。本文作者希望借此拋磚引玉，與更多期望了解Caffe和深度學習框架底層實現的同行交流。