PyTorch FXでグラフを自由自在に操る!Graph.output()操作のプログラミング例

2025-05-31

torch.fx.Graph.output() とは

簡単に言うと、torch.fx.Graph.output() は、FX グラフ(PyTorch モデルの計算グラフを表すオブジェクト)の出力ノードを指します。

torch.fx を使用してPyTorchモデルをトレースすると、そのモデルの forward メソッドが実行する一連の操作が、Graph オブジェクトとして表現されます。この Graph は、個々の操作(関数呼び出し、メソッド呼び出し、モジュール呼び出しなど)を表すNodeオブジェクトのリストで構成されます。

このNodeのリストの中で、最終的なモデルの出力を表す特別なノードが output ノードです。Graph.output() は、この特定の output ノードにアクセスするために使用されます。

なぜ output ノードが重要なのか

  1. グラフの終点: output ノードは、グラフの計算がどこで終了し、どの値がモデルの最終結果として返されるかを示します。
  2. グラフの変更: torch.fx を使う主な目的の一つは、モデルの計算グラフを変更することです。例えば、最適化(演算子の融合など)、量子化、プロファイリングのためのインストゥルメンテーションの挿入などです。これらの変換を行う際には、グラフの入力と出力がどこにあるかを正確に把握しておく必要があります。output ノードを操作することで、モデルの最終的な戻り値を変更したり、追加の出力を組み込んだりすることができます。
  3. GraphModule の生成: Graph オブジェクトは、最終的に torch.fx.GraphModule という torch.nn.Module のインスタンスに変換されます。この GraphModuleforward メソッドは、Graphoutput ノードが定義する値に基づいて出力を返します。

torch.fx でモデルをトレースし、graph.print_tabular() を使用すると、グラフのノードが表形式で表示されます。このとき、最も最後の行に output ノードが表示されます。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx

class MyModule(nn.Module):
    def forward(self, x):
        y = torch.relu(x)
        z = y + 1
        return z

# モデルをインスタンス化
m = MyModule()

# モデルをトレースしてFXグラフを取得
graph = torch.fx.symbolic_trace(m).graph

# グラフのノードを表示
graph.print_tabular()

# outputノードにアクセス
output_node = graph.output
print(f"\nOutput Node: {output_node}")
print(f"Output Node args: {output_node.args}")

上記のコードを実行すると、output ノードがどのノードの値を最終出力として受け取っているかが確認できます。通常、output ノードの args(引数)には、グラフ内で最終的に計算された結果を表すノードが格納されます。



ここでは、torch.fx.Graph.output() に関連する一般的なエラーとトラブルシューティングについて解説します。

torch.fx.Graph.output() 関連の一般的なエラーとトラブルシューティング

AttributeError: 'Graph' object has no attribute 'output' (非常に稀だが理論上はあり得る)

これは、torch.fx.Graph オブジェクトに output 属性が存在しないというエラーですが、通常のPyTorchのバージョンではこのようなことは起こりません。Graph クラスの定義の一部として output プロパティは常に存在します。

考えられる原因

  • 非常に古い、または破損したPyTorchのインストール。

トラブルシューティング

  • PyTorchのインストールを確認し、最新バージョンに更新してください。 pip install --upgrade torch torchvision torchaudio

output ノードが期待しない値を参照している

これはエラーメッセージとしては表示されませんが、torch.fx でグラフを変換する際に、output ノードが意図しない中間ノードを参照しているために、最終的なモデルの出力が間違ってしまうという問題です。

考えられる原因

  • 複雑な forward メソッドのトレース
    モデルの forward メソッドが複数の戻り値を持つ場合や、条件分岐によって異なるパスを通る場合など、symbolic_trace が意図した通りの output ノードを生成しないことがあります。
  • 手動でのグラフ変換の誤り
    Graph オブジェクトを直接操作してノードを追加、削除、または再配線した際に、output ノードの args を適切に更新しなかった場合。

トラブルシューティング

  • 複雑なモデルのデバッグ
    torch.fx.GraphModule を生成し、実際の入力で実行して、出力が期待通りかを確認します。
    # グラフからGraphModuleを生成
    gm = torch.fx.GraphModule(traced_model, traced_model.graph)
    # 実際の入力でテスト
    input_tensor = torch.randn(1, 10)
    output = gm(input_tensor)
    print(f"GraphModule Output: {output}")
    
  • グラフ変換後の output ノードの再設定
    もしグラフを変換して最終出力が変わる場合、明示的に output ノードの args を新しい最終結果のノードに設定し直す必要があります。
    # 例: グラフ変換で最終出力を変更する場合
    # new_final_node は、変換後のグラフで最終出力としたいノード
    # traced_model.graph.output.args = (new_final_node,)
    
  • graph.print_tabular() の活用
    グラフのノードをテーブル形式で表示し、output ノードがどのノード(targetargs)を参照しているかを詳細に確認します。特に output ノードの args が、期待する最終計算結果のノードを指しているかを確認してください。
    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.fx
    
    class MyModule(nn.Module):
        def forward(self, x):
            y = torch.relu(x)
            z = y + 1
            return z # ここが最終出力
    
    traced_model = torch.fx.symbolic_trace(MyModule())
    traced_model.graph.print_tabular()
    # outputノードが'z'に対応するノードを参照していることを確認
    

GraphModule の実行時に RuntimeError または TypeError (出力の型や構造が不一致)

これは output ノードそのもののエラーではありませんが、output ノードが参照する値の型や構造が、forward メソッドの期待する戻り値の型と一致しない場合に発生します。特に、複数の値を返す場合や、タプル/リストなどのコレクションを返す場合に顕著です。

考えられる原因

  • GraphModule を作成する際に、元のモデルの戻り値の構造を正確に反映できていない。
  • 逆に、output ノードがタプルを返すように設定されているが、元のモデルは単一のテンソルを返す。
  • output ノードが単一のテンソルを返すように設定されているが、元のモデルは複数のテンソルやコレクションを返す。

トラブルシューティング

  • torch.fx.GraphModule のテスト
    GraphModule を生成したら、小さな入力テンソルで実際に実行してみて、エラーが発生しないか、期待する出力が得られるかを確認することが重要です。

  • output ノードの args を確認
    output ノードの args は、GraphModuleforward メソッドが返す値の構造を決定します。

    • 元のモデルが return x のように単一のテンソルを返す場合、output.args(x_node,) のように単一のノードを含むタプルであるべきです。
    • 元のモデルが return x, y のように複数のテンソルを返す場合、output.args(x_node, y_node) のように複数のノードを含むタプルであるべきです。
    • 元のモデルが return {'a': x, 'b': y} のように辞書を返す場合、output.args((), {'a': x_node, 'b': y_node}) のように少し複雑なタプルで、辞書の構造を表現する必要があります。
    # 複数の戻り値を持つモデルの例
    class MyMultiOutputModule(nn.Module):
        def forward(self, x):
            y = torch.relu(x)
            z = y + 1
            return y, z # 複数の戻り値
    
    traced_model = torch.fx.symbolic_trace(MyMultiOutputModule())
    traced_model.graph.print_tabular()
    # outputノードのargsが (y_node, z_node) のようになっていることを確認
    

output ノードの変更が GraphModule に反映されない

Graph オブジェクトを操作して output ノードを変更したにもかかわらず、その変更が生成された GraphModule に反映されないと感じることがあります。

考えられる原因

  • GraphModule を一度生成した後、元の Graph オブジェクトを変更しても、既存の GraphModule は更新されません。変更を反映するには、新しい GraphModule を再生成する必要があります。
  • GraphModule を生成する前に graph.lint() を実行していない、またはgraph.recompile() などの操作をしていない。通常は GraphModule のコンストラクタが自動的にグラフをコンパイルしますが、複雑な変更を行った場合は明示的な再コンパイルが必要になることがあります。

トラブルシューティング

  • graph.eliminate_dead_code()
    不要なノードが残っていると、output ノードが参照するノードが誤って削除されたり、混乱を招いたりする可能性があります。
  • graph.lint() でグラフの整合性をチェック
    変更後にグラフが正しい状態にあるかを確認します。
  • 変更後に GraphModule を再生成する
    これが最も一般的な解決策です。
    # グラフの変更後
    # graph.output.args = (new_node,) # 変更例
    
    # 変更を反映した新しいGraphModuleを生成
    new_gm = torch.fx.GraphModule(original_module, graph)
    
  • print() デバッグ
    グラフ変換の各ステップで graph.print_tabular() を呼び出し、グラフの状態がどのように変化しているかを確認します。
  • 段階的にデバッグする
    小さなモデルから始め、徐々に複雑なモデルに移行します。


例1: 基本的な output ノードの確認

この例では、シンプルなモデルをトレースし、生成されたグラフの output ノードが何を参照しているかを確認します。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx

class SimpleModel(nn.Module):
    def forward(self, x):
        # 入力に1を足し、ReLUを適用するシンプルなモデル
        y = x + 1
        z = torch.relu(y)
        return z # 最終出力はz

# 1. モデルの定義とインスタンス化
model = SimpleModel()

# 2. モデルをシンボリックトレース
# symbolic_traceは、モデルのforwardメソッドの実行を記録し、Graphオブジェクトを生成
traced_model = torch.fx.symbolic_trace(model)

# 3. Graphオブジェクトを取得
graph = traced_model.graph

print("--- Graph Table ---")
# グラフのノードをテーブル形式で表示し、ノードの依存関係を視覚的に確認
graph.print_tabular()
print("-------------------\n")

# 4. outputノードにアクセス
# graph.outputは、グラフの最終出力ノードを指す
output_node = graph.output
print(f"Output Node: {output_node}")
print(f"Output Node Op: {output_node.op}") # outputノードのoperationは常に 'output'
print(f"Output Node Target: {output_node.target}") # outputノードにtargetはない (None)
print(f"Output Node Args: {output_node.args}") # outputノードの引数 (参照しているノード)
print(f"Output Node Kwargs: {output_node.kwargs}") # outputノードのキーワード引数 (空)

# outputノードが参照しているノードを取得
# この場合、z (reluの結果) が最終出力なので、zに対応するノードが参照されているはず
if output_node.args and isinstance(output_node.args[0], torch.fx.Node):
    referred_node = output_node.args[0]
    print(f"Node referred by Output: {referred_node}")
    print(f"Referred Node Op: {referred_node.op}")
    print(f"Referred Node Target: {referred_node.target}")

# GraphModuleの実行テスト
gm = torch.fx.GraphModule(model, graph)
dummy_input = torch.randn(1, 3) # ダミー入力
original_output = model(dummy_input)
traced_output = gm(dummy_input)
print(f"\nOriginal Model Output: {original_output}")
print(f"Traced GraphModule Output: {traced_output}")
assert torch.allclose(original_output, traced_output)
print("Outputs match!")

解説

  • output_node.args は、最終的なモデルの出力を表すノードのタプルを保持しています。この例では、z を計算する call_function ノード(relu の結果)を指していることがわかります。
  • graph.print_tabular() を見ると、最後の行に output ノードがあります。

例2: 複数の出力を持つモデルと output ノード

モデルが複数のテンソルを返す場合、output ノードはそれらのテンソルをタプルとして参照します。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx

class MultiOutputModel(nn.Module):
    def forward(self, x):
        y = x * 2
        z = y - 1
        return y, z # 複数の出力を返す

model = MultiOutputModel()
traced_model = torch.fx.symbolic_trace(model)
graph = traced_model.graph

print("--- Graph Table (MultiOutput) ---")
graph.print_tabular()
print("---------------------------------\n")

output_node = graph.output
print(f"Output Node Args (MultiOutput): {output_node.args}")

# 複数のノードが参照されていることを確認
if output_node.args and isinstance(output_node.args, tuple):
    print("Output node refers to multiple nodes:")
    for i, arg_node in enumerate(output_node.args):
        if isinstance(arg_node, torch.fx.Node):
            print(f"  Arg {i}: {arg_node} (Op: {arg_node.op}, Target: {arg_node.target})")

# GraphModuleの実行テスト
gm = torch.fx.GraphModule(model, graph)
dummy_input = torch.randn(1, 3)
original_output = model(dummy_input)
traced_output = gm(dummy_input)
print(f"\nOriginal Model Output: {original_output}")
print(f"Traced GraphModule Output: {traced_output}")
assert all(torch.allclose(o, t) for o, t in zip(original_output, traced_output))
print("Outputs match!")

解説

  • output_node.args が、yz それぞれに対応するノードのタプル (y_node, z_node) になっていることが確認できます。これは、GraphModule が実行されたときに、そのタプル内の値が順に返されることを意味します。

この例では、グラフの output ノードを明示的に変更し、モデルの最終出力を変える方法を示します。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx

class ModifiableOutputModel(nn.Module):
    def forward(self, x):
        a = x + 1
        b = a * 2
        c = b - 3
        return c # 初期出力はc

model = ModifiableOutputModel()
traced_model = torch.fx.symbolic_trace(model)
graph = traced_model.graph

print("--- Original Graph Table ---")
graph.print_tabular()
print("--------------------------\n")

# 初期状態のoutputノードのargsを確認
original_output_node = graph.output
print(f"Original Output Args: {original_output_node.args}")
# c に対応するノードを取得 (例: `b_sub_3` ノード)
node_c = original_output_node.args[0]
print(f"Node 'c': {node_c}")

# ここでグラフを変更します。
# 例えば、最終出力を 'c' ではなく 'a' に変更したいとします。
# 'a' に対応するノードを見つける
node_a = None
for node in graph.nodes:
    if node.op == 'call_function' and node.target == torch.add and node.name == 'add':
        node_a = node # x + 1 のノード

if node_a:
    print(f"\nChanging output to node 'a': {node_a}")
    # outputノードのargsを新しいノードに設定し直す
    # 注意: outputノードは常にタプルを受け取る
    graph.output.args = (node_a,)
else:
    print("Node 'a' not found in graph.")

print("\n--- Modified Graph Table ---")
graph.print_tabular()
print("--------------------------\n")

# 変更が反映された新しいGraphModuleを生成
# 重要: グラフを変更したら、新しいGraphModuleを生成し直す必要がある
modified_gm = torch.fx.GraphModule(model, graph)

# テスト入力
dummy_input = torch.tensor([5.0])

print(f"Dummy Input: {dummy_input.item()}")

# 元のモデルの出力 (c = (5+1)*2 - 3 = 9)
original_output = model(dummy_input)
print(f"Original Model Output (c): {original_output.item()}")

# 変更されたGraphModuleの出力 (a = 5+1 = 6)
modified_output = modified_gm(dummy_input)
print(f"Modified GraphModule Output (a): {modified_output.item()}")

# 変更が正しく行われたことを確認
assert modified_output.item() == dummy_input.item() + 1
print("Output successfully changed to 'a'!")
  • 重要な点
    グラフを変更した後、その変更を反映させるには新しい GraphModule を再生成する必要があります。既存の GraphModule は、その作成時のグラフの状態を内部に保持しているため、グラフオブジェクトを直接変更しても自動的に更新されません。
  • graph.output.args = (node_a,) の行で、output ノードが参照するノードを node_c から node_a に変更しています。
  • まず、symbolic_trace で元のグラフを生成し、c が出力されていることを確認します。


torch.fx.Graph.output() は、torch.fx.Graph オブジェクトのプロパティであり、グラフの最終出力ノードにアクセスするための主要かつ標準的な方法です。したがって、「代替方法」というよりは、output ノードを操作・利用する上での他のアプローチや、output ノードを直接触らずにグラフを変更するより高レベルな方法について説明するのが適切でしょう。

以下に、output ノードに関連するプログラミングにおける代替アプローチや、より高レベルな方法をいくつかご紹介します。

output ノードを直接変更する代わりに、変換パスの最後に新しい output ノードを挿入する

これは、「output ノードを操作する」という点では同じですが、既存の output ノードの args を変更するのではなく、グラフの最後に新しい output ノードを明示的に作成し、古い output ノードを削除するというアプローチです。これは、特に複雑な変換で、元の output ノードが指す構造が大きく変わる場合に、コードをより明確に保つのに役立つことがあります。

手順

  1. 既存の output ノードの参照を保存しておく。
  2. グラフの最後 (graph.nodes.append()node.insert_after()) に、最終出力としたいノードを引数とする新しい output ノードを作成する。
  3. 古い output ノードを削除する (graph.erase_node())。
import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx

class SimpleModel(nn.Module):
    def forward(self, x):
        a = x + 1
        b = a * 2
        return b # 初期出力はb

model = SimpleModel()
traced_model = torch.fx.symbolic_trace(model)
graph = traced_model.graph

print("--- Original Graph Table ---")
graph.print_tabular()
print("--------------------------\n")

# 初期outputノードのargsを確認
original_output_node_args = graph.output.args[0]
print(f"Original Output Node Args: {original_output_node_args}")

# ここで、出力を 'b' から 'a' に変更したいとする
node_a = None
for node in graph.nodes:
    if node.op == 'call_function' and node.target == torch.add:
        node_a = node # 'a' を計算するノード

if node_a:
    print(f"\nChanging output to node 'a' by creating new output node.")
    
    # 既存のoutputノードを削除する前に参照を保持
    old_output_node = graph.output
    
    # 新しいoutputノードを作成し、node_aを出力とする
    # old_output_node の直前に挿入することで、位置を保持できる
    with graph.inserting_before(old_output_node):
        new_output_node = graph.output(node_a) # graph.output() は、実際には Node.create() のショートカット
        # (ただし、targetはNoneで、opは'output'となる特殊なノード)
        # 正しい記述は以下のようになる:
        # new_output_node = graph.create_node('output', 'output', (node_a,), {})


    # 削除するノードのユーザーをリマップ
    # old_output_node を使っているノードがあれば、new_output_node を使うように変更する
    # このケースでは output ノードは通常他のノードに利用されないため、不要な場合が多い
    # old_output_node.replace_all_uses_with(new_output_node)

    # 既存のoutputノードを削除
    graph.erase_node(old_output_node)
    
    # graph.output プロパティは自動的に新しいoutputノードを指すようになる
    # (内部的に graph.nodes の最後のop='output'のノードを見つけるため)

print("\n--- Modified Graph Table (New Output Node) ---")
graph.print_tabular()
print("--------------------------------------------\n")

modified_gm = torch.fx.GraphModule(model, graph)
dummy_input = torch.tensor([5.0])

original_output = model(dummy_input)
modified_output = modified_gm(dummy_input)

print(f"Dummy Input: {dummy_input.item()}")
print(f"Original Model Output (b): {original_output.item()}") # (5+1)*2 = 12
print(f"Modified GraphModule Output (a): {modified_output.item()}") # 5+1 = 6

assert modified_output.item() == dummy_input.item() + 1
print("Output successfully changed to 'a' using new output node!")

利点

  • 一部の複雑なグラフ操作では、既存の output ノードの args を変更するよりも、新しい output ノードを作成する方が直感的になる場合がある。
  • グラフの変換ロジックが、既存のノードを「変更する」のではなく、「新しいノードを追加して、古いノードを削除する」というパターンに統一できる。

torch.fx.passes モジュールやカスタム GraphModule の変換パスを利用する

torch.fx は、グラフ変換のための高レベルなAPIやパスを提供しています。これらのパスの中には、ユーザーが直接 output ノードを操作することなく、グラフの構造や出力を間接的に変更するものがあります。これは、一般的な最適化や変換を適用する際に特に有効です。

アプローチ

  • カスタムの GraphModule 変換の定義
    独自の torch.fx.Tracertorch.fx.Interpreter を使用して、モデルのトレースや実行時にカスタムロジックを注入できます。このロジックの中で、トレース結果のグラフの output ノードがどのように形成されるかを制御できます。
  • 既存のFXパスの活用
    torch.fx.passes には、量子化、オペレーター融合などのためのパスが含まれています。これらのパスは、内部的にグラフを操作し、必要に応じて output ノードを含むノードを再配線する可能性があります。

例 (概念的)

import torch
import torch.nn as nn
import torch.fx
from torch.fx.passes.utils.fuser_util import get_fuser_with_cuda  # 例としてフューザーを使用

# この例は一般的なフューズパスの適用であり、outputノードの直接操作ではないが、
# outputノードが参照するノードが間接的に変更される可能性があることを示す
class SimpleModel(nn.Module):
    def forward(self, x):
        y = torch.relu(x)
        z = y + 1
        return z

model = SimpleModel()
traced_model = torch.fx.symbolic_trace(model)

print("--- Original Graph Table ---")
traced_model.graph.print_tabular()
print("--------------------------\n")

# 例えば、ReLUとaddをフューズするようなパスを適用(あくまで概念的な例、実際には複雑)
# fuser = get_fuser_with_cuda(traced_model)
# fuser.fuse() # この中でグラフが変更され、outputノードも更新される可能性がある

# 通常は、パスを適用した後、新しいGraphModuleを生成する
# fused_gm = torch.fx.GraphModule(model, traced_model.graph) # 例

# 一般的な変換例 (ここでは実際には何も変わらないが、概念を示す)
# このような変換パスは、内部でoutputノードを適切に処理する
def custom_pass(graph: torch.fx.Graph):
    # ここでグラフ変換ロジックを記述
    # 例: 最終出力ノードの前にログノードを挿入するなど
    for node in graph.nodes:
        if node.op == 'output':
            # outputノードの直前に何かを挿入するなどの操作
            pass
    graph.lint() # 変換後にグラフの整合性をチェック
    return graph

# パスを適用
# modified_graph = custom_pass(traced_model.graph)
# new_gm = torch.fx.GraphModule(model, modified_graph)
#
# print("--- After Custom Pass ---")
# modified_graph.print_tabular()
# print("-----------------------\n")

利点

  • PyTorchの将来のバージョンで、torch.fx APIの変更があった場合でも、より安定したコードを維持できる可能性がある。
  • 再利用可能な変換ロジックを構築できる。
  • 高レベルな抽象化により、低レベルなノード操作の複雑さを隠蔽できる。

これは、特定の計算パターンを見つけて置き換えるための強力なツールです。これらのツールも、output ノードを直接操作するわけではありませんが、グラフのサブグラフを置き換えることで、最終的に output ノードが参照するノードが変更される可能性があります。

アプローチ

  • torch.fx.pattern_matcher.replace_pattern() を使用して、グラフ内の特定のサブグラフを新しいサブグラフに置き換える。このとき、置き換えられるサブグラフが出力ノードの一部であったり、出力ノードが置き換えられたノードを参照していたりする場合、output ノードの参照も適切に更新される(または手動で更新する必要がある)。

利点

  • グラフの特定の箇所を自動的に見つけて変換できるため、手動でのノード探索が不要になる。
  • 複雑なグラフ変換を、パターンマッチングという宣言的な方法で記述できる。

torch.fx.Graph.output() は、torch.fx グラフの最終出力ノードにアクセスするための基本的なプロパティであり、その直接的な代替手段はありません。しかし、その output ノードを「操作する」という文脈においては、以下の代替アプローチが考えられます。

  1. 新しい output ノードを作成して古いものを置き換える
    複雑なグラフ変換で、明確なロジックを保ちたい場合に有効。
  2. 高レベルな torch.fx.passes やカスタム GraphModule 変換を利用する
    汎用的な最適化や、グラフのより大きな部分を変更する場合に適している。これにより、output ノードの直接操作を抽象化できる。
  3. torch.fx.Rewriter や pattern_matcher を利用する
    特定の計算パターンを置き換えることで、間接的に output ノードが参照するノードを変更する場合に便利。