Pytorch踩坑记：赋值、浅拷贝、深拷贝三者的区别以及model.state_dict()和model.load_state_dict()的坑点

1. 写在前面

之前一直不太搞明白浅拷贝和赋值、深拷贝到底有什么区别，直到被pytorch的model.state_dict()给坑了

今天在和实验室同学讨论联邦学习框架代码的时候，终于明白了他们之间的区别，这里做个记录。

2. 先说结论

（1）直接赋值：给变量取个别名，原来叫张三，现在我给他取个小名，叫小张

• b = a (b是a的别名)

（2）浅拷贝(shadow copy)：拷贝最外层的数值和指针，不拷贝更深层次的对象，即只拷贝了父对象

• copy.copy(xxx)
• model.state_dict()也是浅拷贝，如果令param=model.state_dict()，那么当你修改param，相应地也会修改model的参数。model这个对象实际上是指向各个参数矩阵的，而浅拷贝只会拷贝最外层的这些“指针”。具体可以看下文的示例

题外话：浅拷贝为什么叫“浅”，因为他只拷贝最外层的东西，不会去拷贝最外层“指针”所指向的内层的东西，所以浅。而深拷贝则会拷贝全部层的东西，所以深

（3）深拷贝(deepcopy)：拷贝数值、指针和指针指向的深层次内存空间，拷贝了父对象及其子对象。

• copy.deepcopy(xxx)
• model.load_state_dict(xxx) 是深拷贝

3. 一图胜前言

这一小节主要来自：一个工作三年的同事，居然还搞不清深拷贝、浅拷贝…

2021年10月24日 更新：下面这个图其实是以Java语言而言的，我一开始以为Python字符串和int数值应该也是直接赋值的，后来经过验证，发现python中的字符串其实是引用（地址），所以若a=“hello”，则b=a是把"hello"的地址赋值给b。另外-5到256这个范围内的整数是公用一块内存空间的，具体请看我的博客：Python中容易被忽视的知识点：字符串是传引用以及整数-5到256共享内存空间

浅拷贝

深拷贝

深拷贝相较于上面所示的浅拷贝，除了值类型字段会复制一份，引用类型字段所指向的对象，会在内存中也创建一个副本，就像这个样子：

4. Pytorch的model load_state_dict()和state_dict()有坑点

pytorch在获取模型参数和加载模型参数时是有坑点的，而且这个bug一般不太容易发现，因为他不会报错，有时你很难通过实验结果注意到这个问题，我自己写框架时也是被坑过。

• model.state_dict()实际上是浅拷贝，如果令param=model.state_dict()，那么当你修改param，相应地也会修改model的参数。model这个对象实际上是指向各个参数矩阵的，而浅拷贝只会拷贝最外层的这些“指针”。
• model.load_state_dict(xxx) 是深拷贝

用代码验证以上观点，可以结合上文的两张示意图来理解下面代码

import torch
import copy

m1 = torch.nn.Linear(in_features=5, out_features=1, bias=True)
m2 = torch.nn.Linear(in_features=5, out_features=1, bias=True)

# m1是引用指向某块内存空间
# 浅拷贝相当于拷贝一个引用，所以他们“引用”变量的id是不一样的，指向的内存空间是一样的
ck = copy.copy(m1)
print(id(m1) == id(ck)) # False


print(m1.weight)
# Parameter containing:
# tensor([[ 0.0171,  0.4382, -0.4297,  0.4098, -0.3954]], requires_grad=True)

# state_dict is shadow copy
p = m1.state_dict()
print(id(m1.state_dict()) == id(p)) # False

# 通过引用p去修改内存空间
p['weight'][0][0] = 8.8888
# 可以看到m1指向的内存空间也被修改了
print(m1.state_dict())
# OrderedDict([('weight', tensor([[ 8.8888,  0.4382, -0.4297,  0.4098, -0.3954]])), ('bias', tensor([0.3964]))])


# deepcopy
m2.load_state_dict(p)
m2.weight[0][0] = 2.0
print(p)
# OrderedDict([('weight', tensor([[ 8.8888,  0.4382, -0.4297,  0.4098, -0.3954]])), ('bias', tensor([0.3964]))])
print(m2.state_dict())
# OrderedDict([('weight', tensor([[ 2.0000,  0.4382, -0.4297,  0.4098, -0.3954]])), ('bias', tensor([0.3964]))])
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在我的联邦学习框架中本地模型参数确实是浅拷贝，但是我们没有去修改这个local_params，我们只是把不同客户端的local_params加权平均去更新global_params而已，所以不用deepcopy也没事

但如果想保存最优模型的参数，则必须要用deepcopy

best_state changes with the model during training in pytorch 这位提问者想保存最佳模型参数，结果因为浅拷贝，导致保存的都是最后一轮的模型参数，下面是他的错误代码：

def train():  
    #training steps …  
    if acc > best_acc:  
        best_state = model.state_dict()  
        best_acc = acc
    return best_state 
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5. 实战演练

来源：Python 直接赋值、浅拷贝和深度拷贝解析

import copy

a = [1, 2, 3, 4, ['a', 'b']]  # 原始对象

b = a  # 赋值，传对象的引用
c = copy.copy(a)  # 对象拷贝，浅拷贝
d = copy.deepcopy(a)  # 对象拷贝，深拷贝

a.append(5)  # 修改对象a
a[4].append('c')  # a[4]是指针，修改对象a中的['a', 'b']数组对象

print('a = ', a)
print('b = ', b)
print('c = ', c) # 浅拷贝，只会拷贝最外层的数值或指针
print('d = ', d)
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a =  [1, 2, 3, 4, ['a', 'b', 'c'], 5]
b =  [1, 2, 3, 4, ['a', 'b', 'c'], 5]
c =  [1, 2, 3, 4, ['a', 'b', 'c']]
d =  [1, 2, 3, 4, ['a', 'b']]
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现在你看下面这段代码的输出结果应该就不奇怪了吧

import copy

A = [1, 2, 3]
print(A)  # [1, 2, 3]

B = copy.copy(A) # 浅拷贝（最外层"值"会拷贝，"引用"会拷贝）
B.append(5)
print(A)  # [1, 2, 3]
print(B)  # [1, 2, 3, 5]
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6. Deep copy VS Shadow copy

深拷贝示例：

# Python code to demonstrate copy operations

# importing "copy" for copy operations
import copy

# initializing list 1
li1 = [1, 2, [3, 5], 4]

# using deepcopy to deep copy
li2 = copy.deepcopy(li1)

# original elements of list
print("The original elements before deep copying")
for i in range(0, len(li1)):
    print(li1[i], end=" ")

print("\r")

# adding and element to new list
li2[2][0] = 7

# Change is reflected in l2
print("The new list of elements after deep copying ")
for i in range(0, len(li1)):
    print(li2[i], end=" ")

print("\r")
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The original elements before deep copying
1 2 [3, 5] 4 
The new list of elements after deep copying 
1 2 [7, 5] 4 
The original elements after deep copying
1 2 [3, 5] 4 
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浅拷贝示例：

# Python code to demonstrate copy operations
  
# importing "copy" for copy operations
import copy
  
# initializing list 1
li1 = [1, 2, [3,5], 4]
  
# using copy to shallow copy 
li2 = copy.copy(li1)
  
# original elements of list
print ("The original elements before shallow copying")
for i in range(0,len(li1)):
    print (li1[i],end=" ")
  
print("\r")
  
# adding and element to new list
li2[2][0] = 7
  
# checking if change is reflected
print ("The original elements after shallow copying")
for i in range(0,len( li1)):
    print (li1[i],end=" ")
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The original elements before shallow copying
1 2 [3, 5] 4 
The original elements after shallow copying
1 2 [7, 5] 4 
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注意：上面用了li2[2][0] = 7，相当于是在修改引用的内存空间；如果是li2[1] = 7，那么l1[1]不会改变

7. 参考资料

i. Numpy中的浅拷贝和深拷贝问题

ii. copy in Python (Deep Copy and Shallow Copy) （geeksforgeeks的文章还是挺清楚的）

iii. Python 直接赋值、浅拷贝和深度拷贝解析

iv. pytorch的state_dict()拷贝问题

v. 一个工作三年的同事，居然还搞不清深拷贝、浅拷贝… （图解挺不错的）

vi. best_state changes with the model during training in pytorch （这位老哥想保存最佳模型参数，结果因为浅拷贝，导致保存的都是最后一轮的模型参数）

vii. Python中的赋值(复制)、浅拷贝与深拷贝 （这篇文章关于可变对象和不可对象的拷贝的id是否会改变进行了讨论）

写在最后

✨$原创不易，还希望各位大佬支持一下$

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