OCD cosmetics.
[dagnn.git] / dagnn.lua
index 0f93d95..b82398c 100755 (executable)
--- a/dagnn.lua
+++ b/dagnn.lua
@@ -1,4 +1,23 @@
 
+--[[
+
+   Copyright (c) 2016 Idiap Research Institute, http://www.idiap.ch/
+   Written by Francois Fleuret <francois.fleuret@idiap.ch>
+
+   This file is free software: you can redistribute it and/or modify
+   it under the terms of the GNU General Public License version 3 as
+   published by the Free Software Foundation.
+
+   It is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
+   ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY
+   or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public
+   License for more details.
+
+   You should have received a copy of the GNU General Public License
+   along with this file.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+
+]]--
+
 require 'torch'
 require 'nn'
 
@@ -7,27 +26,10 @@ local DAG, parent = torch.class('nn.DAG', 'nn.Container')
 function DAG:__init()
    parent.__init(self)
    -- Nodes are indexed by the module they contain
-   self.node = { }
+   self.node = {}
 end
 
-function DAG:createNode(nnm)
-   if not self.node[nnm] then
-      self:add(nnm) -- Add it to the object as a Container
-      self.node[nnm] = {}
-      self.node[nnm].succ = {}
-      self.node[nnm].pred = {}
-   end
-end
-
-function DAG:addEdge(nnma, nnmb)
-   self.sorted = nil
-   self:createNode(nnma)
-   self:createNode(nnmb)
-   table.insert(self.node[nnmb].pred, nnma)
-   table.insert(self.node[nnma].succ, nnmb)
-end
-
--- Apply f on t recursively; use the corresponding element from args
+-- Apply f on t recursively; use the corresponding elements from args
 -- (i.e. same keys) as second parameter to f when available; return
 -- the results from f, organized in a similarly nested table.
 function DAG:nestedApply(f, t, args)
@@ -42,36 +44,15 @@ function DAG:nestedApply(f, t, args)
    end
 end
 
-function DAG:setInput(i)
-   self.sorted = nil
-   self.inputModules = i
-   self:nestedApply(
-      function(nnm)
-         if #self.node[nnm].succ == 0 then
-            error('Input modules must have outgoing  edges.')
-         end
-         if #self.node[nnm].pred > 0 then
-            error('Input modules cannog have incoming edges.')
-         end
-      end,
-      self.inputModules
-   )
-end
-
-function DAG:setOutput(o)
-   self.sorted = nil
-   self.outputModules = o
-   self:nestedApply(
-      function(nnm)
-         if #self.node[nnm].pred == 0 then
-            error('Output module must have incoming edges.')
-         end
-         if #self.node[nnm].succ > 0 then
-            error('Output module cannot have outgoing edges.')
-         end
-      end,
-      self.outputModules
-   )
+function DAG:createNode(nnm)
+   if not self.node[nnm] then
+      self:add(nnm) -- Add it to the object as a Container
+      local node = {}
+      node.succ = {}
+      node.pred = {}
+      node.index = #self.modules
+      self.node[nnm] = node
+   end
 end
 
 function DAG:putInOrder()
@@ -79,15 +60,16 @@ function DAG:putInOrder()
       return
    end
 
-   -- First, we sort the nodes according to the DAG order
-
    local distance = {}
-
-   self:nestedApply(function(m) distance[m] = 1 end, self.inputModules)
+   self:nestedApply(
+      function(m) distance[m] = 1 end,
+      self.inputModules
+   )
 
    local nc
-
+   local nl = 0
    repeat
+      assert(nl < #self.modules, 'Cycle detected in the graph.')
       nc = 0
       for nnma, node in pairs(self.node) do
          for _, nnmb in pairs(node.succ) do
@@ -97,9 +79,14 @@ function DAG:putInOrder()
             end
          end
       end
+      nl = nl + 1
    until nc == 0
 
-   self.sorted = { }
+   for _, nnm in pairs(self.modules) do
+      assert(distance[nnm], 'Some modules are not connected to inputs.')
+   end
+
+   self.sorted = {}
    for m, d in pairs(distance) do
       table.insert(self.sorted, { distance = d, nnm = m })
    end
@@ -109,21 +96,166 @@ function DAG:putInOrder()
    for i, a in ipairs(self.sorted) do self.sorted[i] = a.nnm end
 end
 
+-- This accumulates x in a, where they are both nested tables of
+-- tensors with same structures / keys. If first is true, set a = x
+-- (in which case a can be nil) otherwise a = a + x. The behavior is
+-- undefined if a and x do not have the exact same structure.
+function DAG:nestedAccTensor(a, x, first)
+   if torch.type(x) == 'table' then
+      local b = {}
+      for i in pairs(x) do
+         b[i] = self:nestedAccTensor(a[i], x[i], first)
+      end
+      a = b
+   else
+      if first then
+         if a then
+            a:resizeAs(x):copy(x)
+         else
+            a = x:clone()
+         end
+      else
+         a:add(x)
+      end
+   end
+   return a
+end
+
+function DAG:updateGradOutput(node)
+   local gradInputSucc = node.gradInputSucc
+   if #gradInputSucc == 1 then
+      node.gradOutput = gradInputSucc[1]
+   elseif #gradInputSucc > 1 then
+      for k = 1, #gradInputSucc do
+         node.gradOutput = self:nestedAccTensor(node.gradOutput, gradInputSucc[k], k == 1)
+      end
+   end
+end
+
+----------------------------------------------------------------------
+
+-- Connect a sequence of modules
+function DAG:connect(...)
+   self.sorted = nil
+   local prev
+   for _, nnm in pairs({...}) do
+      self:createNode(nnm)
+      if prev then
+         table.insert(self.node[nnm].pred, prev)
+         table.insert(self.node[prev].succ, nnm)
+      end
+      prev = nnm
+   end
+end
+
+function DAG:setLabel(nnm, label)
+   self.node[nnm].label = label
+end
+
+function DAG:setInput(i)
+   self.sorted = nil
+   self.inputModules = i
+   self:nestedApply(
+      function(nnm)
+         assert(#self.node[nnm].succ > 0, 'Input modules must have outgoing edges.')
+         assert(#self.node[nnm].pred == 0, 'Input modules cannot have incoming edges.')
+      end,
+      self.inputModules
+   )
+end
+
+function DAG:setOutput(o)
+   self.sorted = nil
+   self.outputModules = o
+   self:nestedApply(
+      function(nnm)
+         assert(#self.node[nnm].pred > 0, 'Output module must have incoming edges.')
+         assert(#self.node[nnm].succ == 0, 'Output module cannot have outgoing edges.')
+      end,
+      self.outputModules
+   )
+end
+
 function DAG:print()
    self:putInOrder()
 
    for i, d in ipairs(self.sorted) do
-      print('#' .. i .. ' -> ' .. torch.type(d))
+      local decoration = ''
+      if self.node[d].label then
+         decoration = ' [' .. self.node[d].label .. ']'
+      end
+      print('#' .. i .. ' -> ' .. torch.type(d) .. decoration)
+   end
+end
+
+----------------------------------------------------------------------
+
+function DAG:saveDot(filename)
+   local file = (filename and io.open(filename, 'w')) or io.stdout
+
+   local function writeNestedCluster(prefix, list, indent)
+      local indent = indent or ''
+      if torch.type(list) == 'table' then
+         file:write(indent .. '  subgraph cluster_' .. prefix .. ' {\n');
+         for k, x in pairs(list) do
+            writeNestedCluster(prefix .. '_' .. k, x, '  ' .. indent)
+         end
+         file:write(indent .. '  }\n');
+      else
+         file:write(indent .. '  ' .. self.node[list].index .. ' [color=red]\n')
+      end
+   end
+
+   file:write('digraph {\n')
+
+   file:write('\n')
+
+   writeNestedCluster('input', self.inputModules)
+   writeNestedCluster('output', self.outputModules)
+
+   file:write('\n')
+
+   for nnmb, node in pairs(self.node) do
+      file:write(
+         '  '
+            .. node.index
+            .. ' [shape=box,label=\"' .. (self.node[nnmb].label or torch.type(nnmb)) .. '\"]'
+            .. '\n'
+      )
+
+      for i, nnma in pairs(node.pred) do
+         local decoration = ''
+         if #node.pred > 1 then
+            -- decoration = ' [headlabel=\"' .. i .. '\"]'
+            decoration = ' [label=\"' .. i .. '\"]'
+         end
+         file:write(
+            '  '
+               .. self.node[nnma].index
+               .. ' -> '
+               .. self.node[nnmb].index
+               .. decoration
+               .. '\n'
+         )
+      end
+
+      file:write('\n')
    end
+
+   file:write('}\n')
+
 end
 
+----------------------------------------------------------------------
+
 function DAG:updateOutput(input)
    self:putInOrder()
 
    self:nestedApply(
       function(nnm, i)
-         self.node[nnm].input = i
-         nnm:updateOutput(i)
+         local node = self.node[nnm]
+         node.input = i
+         self:rethrowErrors(nnm, node.index, 'updateOutput', i)
       end,
       self.inputModules,
       input
@@ -131,18 +263,19 @@ function DAG:updateOutput(input)
 
    for _, nnm in ipairs(self.sorted) do
       local node = self.node[nnm]
-      if #node.pred > 0 then
+      local pred = node.pred
+      if #pred > 0 then
          local i
-         if #node.pred == 1 then
-            i = node.pred[1].output
-         elseif #node.pred > 1 then
+         if #pred == 1 then
+            i = pred[1].output
+         elseif #pred > 1 then
             i = {}
-            for k = 1, #node.pred do
-               i[k] = node.pred[k].output
+            for k = 1, #pred do
+               i[k] = pred[k].output
             end
          end
          node.input = i
-         nnm:updateOutput(i)
+         self:rethrowErrors(nnm, node.index, 'updateOutput', i)
       end
    end
 
@@ -154,27 +287,15 @@ function DAG:updateOutput(input)
    return self.output
 end
 
-function DAG:computeGradInput(gradInputSucc)
-   local gi
-   if #gradInputSucc == 1 then
-      gi = gradInputSucc[1] -- we avoid a clone()
-   elseif #gradInputSucc > 1 then
-      for k = 1, #gradInputSucc do
-         if gi then
-            gi:add(gradInputSucc[k])
-         else
-            gi = gradInputSucc[k]:clone()
-         end
-      end
-   end
-   return gi
-end
-
 function DAG:updateGradInput(input, gradOutput)
-   self:putInOrder()
+   assert(self.sorted, 'There has been a structure change before a DAG:updateGradInput.')
 
    self:nestedApply(
-      function(nnm, go) nnm:updateGradInput(self.node[nnm].input, go) end,
+      function(nnm, go)
+         local node = self.node[nnm]
+         node.gradOutput = go
+         self:rethrowErrors(nnm, node.index, 'updateGradInput', node.input, go)
+      end,
       self.outputModules, gradOutput
    )
 
@@ -190,37 +311,38 @@ function DAG:updateGradInput(input, gradOutput)
    for k = #self.sorted, 1, -1 do
       local nnm = self.sorted[k]
       local node = self.node[nnm]
-      local pred, gradInputSucc = node.pred, node.gradInputSucc
+      local pred = node.pred
 
-      if #gradInputSucc > 0 then
-         nnm:updateGradInput(node.input, self:computeGradInput(gradInputSucc))
+      if #node.gradInputSucc > 0 then
+         self:updateGradOutput(node)
+         self:rethrowErrors(nnm, node.index, 'updateGradInput', node.input, node.gradOutput)
       end
 
       -- We fill the gradInputSucc of our predecessors
       if #pred == 1 then
          table.insert(self.node[pred[1]].gradInputSucc, nnm.gradInput)
       elseif #pred > 1 then
-         if not torch.type(nnm.gradInput) == 'table' then
-            error('Should have a table gradInput since it has multiple predecessors')
-         end
+         assert(torch.type(nnm.gradInput) == 'table',
+                'Should have a table gradInput since it has multiple predecessors.')
          for n = 1, #pred do
-            table.insert(self.node[node.pred[n]].gradInputSucc, nnm.gradInput[n])
+            table.insert(self.node[pred[n]].gradInputSucc, nnm.gradInput[n])
          end
       end
    end
 
-   self.gradInput = self:nestedApply(function(m) return m.gradInput end, self.inputModules)
+   self.gradInput = self:nestedApply(
+      function(m) return m.gradInput end,
+      self.inputModules
+   )
 
    return self.gradInput
 end
 
 function DAG:accGradParameters(input, gradOutput, scale)
-   scale = scale or 1
-
-   self:putInOrder()
+   assert(self.sorted, 'There has been a structure change before a DAG:accGradParameters.')
 
    self:nestedApply(
-      function(nnm, go) nnm:updateGradInput(self.node[nnm].input, go) end,
+      function(nnm, go) self.node[nnm].gradOutput = go end,
       self.outputModules, gradOutput
    )
 
@@ -229,11 +351,19 @@ function DAG:accGradParameters(input, gradOutput, scale)
       self.inputModules, input
    )
 
-   for k = #self.sorted, 1, -1 do
-      local nnm = self.sorted[k]
+   for k = 1, #self.modules do
+      local nnm = self.modules[k]
       local node = self.node[nnm]
-      nnm:accGradParameters(node.input, self:computeGradInput(node.gradInputSucc), scale)
+      self:rethrowErrors(nnm, k, 'accGradParameters', node.input, node.gradOutput, scale)
    end
 end
 
-return DAG
+function DAG:clearState()
+   self.sorted = nil
+   for _, node in pairs(self.node) do
+      node.input = nil
+      node.gradInputSucc = nil
+      node.gradOutput = nil
+   end
+   return parent.clearState(self)
+end