PyTorch FXの落とし穴?path_of_module() 関連エラーと解決策

2025-05-31

torch.fx.Tracer.path_of_module() とは?

torch.fx は、PyTorchモデルをシンボリックにトレース(追跡)し、そのモデルの計算グラフをPythonコードとして表現するためのライブラリです。これにより、モデルの最適化、変換、分析などが容易になります。

torch.fx.Tracer.path_of_module(module) メソッドは、torch.fx のトレーサーがモデルをトレースする際に、特定のサブモジュールが親モジュールの中でどのような「パス」を持っているかを特定するために使用されます。ここでいう「パス」とは、ルートモジュールから目的のサブモジュールに至るまでの、ドット区切りで表現される属性名(例えば、"layer1.conv2" のような文字列)を指します。

具体的な機能と目的

  1. モジュールの識別子
    torch.fx はモデルの計算グラフをノードの集合として表現しますが、各ノードがどのモジュールに由来するのかを正確に追跡する必要があります。path_of_module() は、トレーサーが特定の nn.Module インスタンスに対して、そのインスタンスがモデルの構造内のどこに位置するかを示すユニークな文字列パスを割り当て、管理するのに役立ちます。

  2. GraphModule の生成
    torch.fx.Tracer がモデルをトレースすると、最終的に torch.fx.GraphModule という新しいモジュールを生成します。この GraphModule は元のモデルの構造と計算を模倣しますが、その内部は Graph オブジェクトによって記述されます。Graph は各演算やモジュール呼び出しをノードとして持ちます。path_of_module() は、これらのノードが元のモデルのどの部分に対応するかを記録するために、内部的に利用されます。

  3. モジュールの再構成
    GraphModule は、元のモデルのサブモジュールを属性として持ちません。代わりに、元のモデルの各サブモジュールへの呼び出しは、Graph 内の call_module ノードとして表現されます。この call_module ノードは、どのモジュールを呼び出すかを示すために、path_of_module() が生成したパス名を使用します。これにより、トレースされたグラフから元のモデルの構造をある程度再構築したり、どのモジュールがどの計算を担当しているかを理解したりすることが可能になります。

簡単な例と内部的な動き(イメージ)

例えば、以下のようなモデルがあったとします。

import torch
import torch.nn as nn
from torch.fx import Tracer, GraphModule

class MySubModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear = nn.Linear(10, 5)

    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
        self.sub_module = MySubModule()
        self.relu = nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.sub_module(x.view(x.size(0), -1)) # flatten for linear
        x = self.relu(x)
        return x

tracer = Tracer()
model = MyModel()
graph = tracer.trace(model)
gm = GraphModule(model, graph)

このとき、トレーサーが model.sub_module を見つけると、内部的に path_of_module(model.sub_module) のような処理が行われ、「sub_module」というパスが割り当てられます。同様に、model.sub_module.linear には「sub_module.linear」というパスが割り当てられます。

そして、GraphModule のグラフ内では、sub_module への呼び出しは、call_module ノードとして表現され、そのターゲットは文字列「sub_module」となります。



ここでは、torch.fx のトレーシングでよくあるエラーと、path_of_module() と関連するトラブルシューティングについて説明します。

torch.fx トレーシングの一般的なエラーとトラブルシューティング

torch.fx のトレーシングは強力ですが、Pythonの動的な性質とPyTorchモデルの多様な実装パターンに起因するいくつかの制限があります。

NameError: name '...' is not defined または RuntimeError: Tried to trace a function that does not use any Tensors

これは、path_of_module() が直接原因というよりは、torch.fx がモデルの特定のモジュールを見つけられない、またはそのモジュールがトレーシング中に適切に参照されていない場合に発生します。

原因

  • forward メソッド内でのモジュールの動的生成
    forward メソッド内で新しい nn.Module インスタンスを直接作成して使用すると、torch.fx はそのモジュールをグラフに適切に組み込むための静的なパスを確立できません。
    class MyModel(nn.Module):
        def __init__(self):
            super().__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
    
        def forward(self, x):
            x = self.conv1(x)
            # 誤り: forward内でReLUを動的に生成
            x = nn.ReLU()(x) 
            return x
    
    この場合、nn.ReLU() は一時的なオブジェクトであり、MyModel の固定されたサブモジュールとして登録されていないため、トレーサーがその「パス」を割り当てることができません。エラーメッセージには「nn.ReLU() はトレース中に見つかりませんでした」のような内容が含まれることがあります。PyTorch 1.12以降では、より詳細なエラーメッセージが報告されるよう改善されています (GitHub Issue #80172 など)。
  • __init__ メソッド内でのモジュールの登録忘れ
    nn.Module のインスタンスは、self.some_module = SomeModule() のように、__init__ メソッド内で明示的に属性として登録される必要があります。そうでなければ、torch.fx はそのモジュールをサブモジュールとして認識できません。
    class MyModel(nn.Module):
        def __init__(self):
            super().__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
            # 誤り: self.linear が登録されていない
            # linear_layer = nn.Linear(10, 5) 
    
        def forward(self, x):
            x = self.conv1(x)
            # linear_layer を呼び出そうとしても、fx はパスを特定できない
            # x = linear_layer(x) 
            return x
    

トラブルシューティング

  • 関数的な操作の利用
    シンプルな操作(torch.reluF.relu など)であれば、nn.Module のインスタンスを作成する代わりに、torch.nn.functional の関数版を使用します。
    import torch.nn.functional as F
    
    class MyModel(nn.Module):
        def __init__(self):
            super().__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
    
        def forward(self, x):
            x = self.conv1(x)
            x = F.relu(x) # 正しい: 関数的な操作
            return x
    
  • すべての nn.Module インスタンスを __init__ で登録する
    forward メソッド内で使用するすべての nn.Module は、__init__ メソッドで self.some_module = ... の形式で属性として登録するように徹底します。
    class MyModel(nn.Module):
        def __init__(self):
            super().__init__()
            self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
            self.relu = nn.ReLU() # 正しい: __init__で登録
    
        def forward(self, x):
            x = self.conv1(x)
            x = self.relu(x) # 正しい: 登録されたモジュールを使用
            return x
    

TraceError: symbolically traced variables cannot be used as inputs to control flow

これは path_of_module() に直接関連するものではありませんが、torch.fx トレーシングにおける最も一般的な制限の一つです。

原因

  • データ依存の制御フロー
    torch.fx は静的な計算グラフを構築するため、入力テンソルの値によって分岐する if/else 文やループ(例: for x in some_tensor_list: ...)のような動的な制御フローを直接トレースできません。
    class DynamicModel(nn.Module):
        def forward(self, x):
            if x.mean() > 0: # 誤り: テンソルの値に依存する条件分岐
                return x * 2
            else:
                return x / 2
    

トラブルシューティング

  • カスタム Tracer の利用
    複雑なケースでは、torch.fx.Tracer をサブクラス化し、is_leaf_modulecall_module などのメソッドをオーバーライドして、特定のモジュールや操作を「葉」として扱い、トレースの深さを制御する必要があるかもしれません。
  • torch.jit.script との組み合わせ
    torch.jit.script は動的な制御フローを扱うことができますが、FXはできません。複雑なモデルの場合は、一部をTorchScriptでコンパイルし、その上でFXを適用することを検討します。
  • 静的な制御フローに変換
    可能であれば、データに依存しない静的な制御フロー(例: range() を使用した固定回数のループ)にコードを書き換えます。
  • デバッグ
    GraphModule が生成されたら、gm.graph.print_tabular() を使用して、トレースされたグラフの表形式の表現を確認します。これにより、どのモジュールや操作が正しくトレースされているか、どの部分が欠落しているかなどを視覚的に確認できます。エラーメッセージで参照されているパス情報が、この表と照らし合わせることで、問題の箇所を特定する手助けになります。
  • 非PyTorchのライブラリ関数
    モデル内でNumPyなどのPyTorch以外のライブラリを使用している場合、それらの操作は torch.fx によってグラフ化されません。これらは call_function ノードとして記録されるだけで、その内部構造はトレースされません。
  • インプレース操作
    インプレース操作(例: x.add_())は、追跡が難しい場合があります。可能であれば、新しいテンソルを返す操作(例: x = x + y)を使用することが推奨されます。
  • Pythonの組み込み型
    torch.fx はテンソル操作のグラフ化に特化しており、Pythonのリスト、辞書、タプルなどの操作がグラフに完全に記録されないことがあります。特に、これらがテンソルを含む場合でも、操作によっては追跡されないことがあります。

path_of_module() は内部的な関数であり、通常は直接エラーメッセージに現れることはありません。しかし、torch.fx が「特定のモジュールが見つかりませんでした」という類のエラーを出す場合、それはトレーサーが path_of_module() を使ってそのモジュールへのパスを特定しようとした際に失敗したことを意味します。



path_of_module()は、トレーシング中に特定のnn.Moduleインスタンスが、親モジュールからの相対的な位置を示すドット区切りの文字列(例: "sub_module.linear")をどのように取得するかを内部的に管理するものです。

以下のコード例では、torch.fx.Tracerがどのように動作し、その中でモジュールのパスがどのように使われるかを「イメージ」として捉えていただくためのものです。直接path_of_module()を呼び出すことはせず、その機能がTracerの内部でどのように活かされているかを解説します。

torch.fx.Tracer.path_of_module() の関連プログラミング例

この例では、ネストされたモジュールを持つシンプルなPyTorchモデルを定義し、それをtorch.fxでトレースします。トレース結果のGraphModuleが、元のモジュールのパス情報をどのように保持しているかを確認します。

import torch
import torch.nn as nn
from torch.fx import Tracer, GraphModule, map_arg # map_arg は GraphModule の引数をマップするのに役立つ

# 1. シンプルなサブモジュールを定義
class MySubModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear_layer = nn.Linear(10, 5) # サブモジュール内の線形層
        self.relu_activation = nn.ReLU()     # サブモジュール内のReLU

    def forward(self, x):
        x = self.linear_layer(x)
        x = self.relu_activation(x)
        return x

# 2. ネストされた構造を持つメインモジュールを定義
class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, kernel_size=3, padding=1)
        self.flatten = nn.Flatten()
        self.sub_module = MySubModule() # ここでMySubModuleをサブモジュールとして登録
        self.final_linear = nn.Linear(5 * 16 * 16, 2) # (バッチサイズ, 5)から (バッチサイズ, 2) に変更
        self.softmax = nn.Softmax(dim=1)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.flatten(x)
        # ここで sub_module が呼び出される
        # fx はこの sub_module が 'sub_module' というパスを持つことを認識する
        # さらにその中の linear_layer は 'sub_module.linear_layer' と認識する
        x = self.sub_module(x) 
        x = self.final_linear(x)
        x = self.softmax(x)
        return x

# 3. モデルのインスタンス化とFXトレーサーの作成
model = MyModel()
tracer = Tracer()

# 4. モデルをトレースし、Graphオブジェクトを取得
print("モデルをトレース中...")
graph = tracer.trace(model)

# 5. GraphオブジェクトからGraphModuleを構築
# GraphModule は元のモデルの計算グラフをPythonコードとして表現した新しい nn.Module
gm = GraphModule(model, graph) 

print("\n--- トレースされた Graph の詳細 (gm.graph.print_tabular()) ---")
gm.graph.print_tabular()

print("\n--- 生成された GraphModule のコード (gm.code) ---")
print(gm.code)

print("\n--- GraphModule のサブモジュール (gm.named_modules()) ---")
# GraphModule は元のモデルのサブモジュールをそのパス名で再構成して持っている
for name, module in gm.named_modules():
    print(f"Path: {name}, Module Type: {type(module)}")

# 6. トレースされたモデルの実行テスト
print("\n--- トレースされたモデルの実行テスト ---")
dummy_input = torch.randn(1, 3, 16, 16) # (バッチサイズ, チャンネル, 高さ, 幅)
output_original = model(dummy_input)
output_traced = gm(dummy_input)

print(f"Original model output shape: {output_original.shape}")
print(f"Traced model output shape: {output_traced.shape}")
print(f"Outputs are close: {torch.allclose(output_original, output_traced)}")

# 7. (補足) path_of_module の概念がどのように使われるか - 内部的な参照
# 通常、path_of_module() を直接呼び出すことはないですが、
# tracer がモジュールのパスを内部的にどのように管理しているかを示すイメージ
# 以下のコードは実行できませんが、概念的な説明です。
#
# # tracer.path_of_module(model.sub_module) は 'sub_module' を返すイメージ
# # tracer.path_of_module(model.sub_module.linear_layer) は 'sub_module.linear_layer' を返すイメージ
#
# print("\n--- path_of_module の概念的な説明 (内部的な動作) ---")
# print(f"Concept: Path for model.sub_module would be 'sub_module'")
# print(f"Concept: Path for model.sub_module.linear_layer would be 'sub_module.linear_layer'")
  1. MySubModuleMyModel の定義:

    • MySubModule は、nn.Linearnn.ReLU を内部に持つ小さなモジュールです。
    • MyModel は、nn.Conv2dnn.Flatten、そして MySubModule のインスタンス (self.sub_module) を持つメインモジュールです。self.sub_module = MySubModule() の行が重要で、ここでMySubModuleMyModelの正式なサブモジュールとして登録されます。
  2. Tracer の作成とトレース:

    • tracer = Tracer()Tracerインスタンスを作成します。
    • graph = tracer.trace(model)MyModelをトレースします。このトレース中に、TracerMyModelforwardメソッドのすべての操作と、それに含まれるサブモジュール(self.conv1self.sub_moduleなど)の呼び出しを記録します。
    • この際、Tracerの内部では、self.sub_moduleのようなサブモジュールが、ルートモジュール(MyModel)からの「パス」(例: "sub_module")として識別されます。さらに、self.sub_module.linear_layerのようなネストされたモジュールも、「sub_module.linear_layer」といった形で識別されます。これがpath_of_module()が概念的に行っていることです。
  3. GraphModule の構築:

    • gm = GraphModule(model, graph) は、トレースされたGraphと元のmodelを使って、新しいnn.ModuleであるGraphModuleを作成します。
    • GraphModuleは、元のモデルの計算グラフをPythonコードとして表現しています。このコードの中では、元のモデルのサブモジュールへの呼び出しは、そのモジュールのパス名(例: self.sub_moduleへの呼び出しが call_module(sub_module_0) のような形になる場合など)を使って参照されます。
  4. gm.graph.print_tabular() の出力:

    • この出力を見ると、各演算がどのモジュールに対応しているか(target列)がわかります。例えば、sub_module.linear_layersub_module.relu_activationといったパスが表示されます。これは、Tracerpath_of_module()の概念を用いて、これらのモジュールをその階層的なパスで識別し、グラフに記録した結果です。
  5. gm.code の出力:

    • GraphModulecode属性は、トレースされたグラフをPythonのソースコードとして表示します。このコードを見ても、元のモジュールがそのパス名(例: self.sub_module)を使ってどのように呼び出されているかを確認できます。
  6. gm.named_modules() の出力:

    • GraphModuleは、元のモデルの構造を反映したサブモジュールを、そのパス名で内部的に保持しています。gm.named_modules() を出力すると、sub_modulesub_module.linear_layersub_module.relu_activation のようなパスが実際に出力され、torch.fxがモジュールの階層構造とパス情報をどのように管理しているかが確認できます。


したがって、「path_of_module() の代替方法」というよりは、torch.fxが内部的にモジュールのパスをどのように扱うか、そして開発者がモジュールの識別や管理を行う上で、torch.fxを使わない場合の一般的な方法について説明するのが適切でしょう。

以下に、torch.fxの自動的なモジュールパス追跡の恩恵を受けずに、PyTorchモデル内でモジュールを識別・管理するための代替手段をいくつか挙げます。

nn.Module.named_modules() を直接使用する

これは、torch.fxに頼らずに、PyTorchモデル内のすべてのサブモジュールをその階層的なパスとともに取得する最も直接的な方法です。

目的
モデル内のすべてのサブモジュールとそれらへのパスを列挙する。

プログラミング例

import torch
import torch.nn as nn

class MySubModule(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.linear1 = nn.Linear(10, 5)
        self.relu = nn.ReLU()

    def forward(self, x):
        return self.relu(self.linear1(x))

class MyModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv_block = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(3, 16, 3),
            nn.BatchNorm2d(16)
        )
        self.sub_mod = MySubModule()
        self.output_layer = nn.Linear(5 * 16 * 16, 2) # ダミーのサイズ合わせ

    def forward(self, x):
        x = self.conv_block(x)
        x = x.view(x.size(0), -1) # Flatten
        x = self.sub_mod(x[:, :10]) # sub_mod には10次元の入力が必要だと仮定
        x = self.output_layer(x.view(x.size(0), -1)) # 再びflattenしてoutput_layerへ
        return x

model = MyModel()

print("--- named_modules() を使用したモジュールの列挙 ---")
for name, module in model.named_modules():
    # ルートモジュール(空の文字列)以外を表示
    if name: 
        print(f"Path: {name}, Module Type: {type(module)}")

# 結果の例:
# Path: conv_block, Module Type: <class 'torch.nn.modules.container.Sequential'>
# Path: conv_block.0, Module Type: <class 'torch.nn.modules.conv.Conv2d'>
# Path: conv_block.1, Module Type: <class 'torch.nn.modules.batchnorm.BatchNorm2d'>
# Path: sub_mod, Module Type: <class '__main__.MySubModule'>
# Path: sub_mod.linear1, Module Type: <class 'torch.nn.modules.linear.Linear'>
# Path: sub_mod.relu, Module Type: <class 'torch.nn.modules.activation.ReLU'>
# Path: output_layer, Module Type: <class 'torch.nn.modules.linear.Linear'>

説明
nn.Module.named_modules() は、モデルの階層を再帰的にトラバースし、各サブモジュールとそれに対応するドット区切りのパスをタプル (path_string, module_instance) の形で返します。torch.fxはこのメカニズムを内部的に利用してモジュールのパスを追跡しています。

モジュール辞書やリストを自分で管理する

モデルの構築時に、特定のモジュールを独自の辞書やリストに格納して、名前やIDでアクセスできるようにする方法です。これは、特にnn.Sequentialのようなコンテナを使わずに、動的にモジュールを生成・追加する場合に役立ちます。

目的
特定の目的のために、モジュールをカスタムな識別子で管理する。

プログラミング例

import torch
import torch.nn as nn

class CustomLayer(nn.Module):
    def __init__(self, in_features, out_features, layer_name):
        super().__init__()
        self.linear = nn.Linear(in_features, out_features)
        self.name = layer_name # カスタムの名前を保持

    def forward(self, x):
        return self.linear(x)

class MyDynamicModel(nn.Module):
    def __init__(self, num_layers=3):
        super().__init__()
        self.layers = nn.ModuleDict() # nn.ModuleDict を使用してモジュールを辞書形式で管理
        self.initial_linear = nn.Linear(10, 20)

        for i in range(num_layers):
            layer_name = f"hidden_layer_{i}"
            self.layers[layer_name] = CustomLayer(20, 20, layer_name)
        
        self.final_linear = nn.Linear(20, 1)

    def forward(self, x):
        x = self.initial_linear(x)
        for name, layer in self.layers.items():
            print(f"Executing layer: {name}") # カスタム名で識別
            x = layer(x)
        x = self.final_linear(x)
        return x

model = MyDynamicModel(num_layers=2)
dummy_input = torch.randn(1, 10)
output = model(dummy_input)

print("\n--- nn.ModuleDict を使用したモジュールのアクセス ---")
# nn.ModuleDict は named_modules() にも統合される
for name, module in model.named_modules():
    if name.startswith('layers.'):
        print(f"Path: {name}, Module Type: {type(module)}")
        # CustomLayer の場合は、カスタム名にもアクセスできる
        if isinstance(module, CustomLayer):
            print(f"  Custom Name: {module.name}")

# また、直接アクセスも可能
print(f"\nAccessing specific layer: {model.layers['hidden_layer_0']}")

説明

  • モジュール自体にカスタムの属性(例: self.name)を追加することで、さらに柔軟な識別が可能になります。
  • nn.ModuleDictnn.ModuleList は、モジュールをコレクションとして管理するPyTorchのユーティリティです。これらを使用することで、モジュールを動的に追加・アクセスしながらも、PyTorchのnamed_modules()メカニズムと互換性を持たせることができます。

モジュールインスタンス自体を直接参照する

これは最も基本的な方法で、特定のモジュールインスタンスへの参照を直接変数に保持し、その変数を通して操作を行います。モジュールがモデル階層のどこに位置するかという「パス」の概念とは異なりますが、特定のモジュールを操作したい場合に有効です。

目的
特定のモジュールを直接操作する。

プログラミング例

import torch.nn as nn

class MyModelWithDirectRef(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 16, 3)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(16)
        self.linear_layer = nn.Linear(100, 10) # 直接参照するモジュール

    def forward(self, x):
        # ... forward pass ...
        return x

model = MyModelWithDirectRef()

# モデルのインスタンス変数として線形層に直接アクセス
target_linear_layer = model.linear_layer 

print(f"直接参照した層のタイプ: {type(target_linear_layer)}")
print(f"この層のパラメータ数: {sum(p.numel() for p in target_linear_layer.parameters())}")

# 例えば、この層の重みを変更する
with torch.no_grad():
    target_linear_layer.weight.fill_(0.01) # 重みを0.01で初期化

説明
この方法は、モデル内の特定のモジュールを「名前」や「パス」でなく、Pythonオブジェクトとしての直接参照で操作する場合に適しています。デバッグ、特定の層の重み初期化、または特定の層にフックを登録する際によく使われます。

torch.fx.Tracer.path_of_module()torch.fxのトレースという特定の目的のために内部的に使用されるものです。これに代わるプログラミングとは、torch.fxの自動的なグラフ変換メカニズムに頼らずに、PyTorchモデル内のサブモジュールを識別、アクセス、管理するための一般的な方法を指します。