系列 · 迁移学习 · 第 6 篇

迁移学习(六):多任务学习

多任务学习完全指南:硬/软参数共享、梯度冲突与 PCGrad/GradNorm/CAGrad、辅助任务设计,以及完整的多任务框架实现。

一辆使用单摄像头的自动驾驶汽车,需要同时完成三件事:检测车辆与行人、分割车道线与可行驶区域,以及估计每个像素的深度。若为这三个任务分别训练独立网络,不仅参数量会增至三倍,推理时还需执行三次前向传播,更关键的是,这种做法忽略了它们共享同一套底层特征(如边缘、表面结构和遮挡线索)这一事实。

多任务学习(Multi-Task Learning, MTL)提供了一种替代方案:一个共享主干网络,每个任务配备一个专用预测头,所有任务联合训练。设计得当的话,不仅能将参数量减少约 60%,还能提升每个任务的精度——因为各任务彼此充当正则化器。但若处理不当,其中两个任务的性能可能反而下降,而你可能要花上一周时间才搞明白原因。

本文的核心正是“如何做好”。真正的难点并不在于架构本身——那不过是一张计算图而已。真正的挑战在于三点:(1) 交叉熵损失与 L2 深度损失之间可能存在几十甚至上百倍的尺度差异;(2) 在 30%–50% 的训练步骤中,不同任务的梯度方向相互冲突;(3) 如何判断哪些任务适合放在同一个模型里。我们将深入探讨多种架构(硬共享 vs 软共享、Cross-Stitch、MTAN),介绍能在真实损失曲面上稳健工作的优化策略(Uncertainty Weighting、GradNorm、PCGrad、CAGrad),并提供一个可直接运行的 PyTorch 框架,将上述方法整合在一起。


你将学到什么#

  • 多任务学习为何有效——从正则化、数据增强和计算效率三个视角理解
  • 硬参数共享与软参数共享的区别,以及 Cross-Stitch 和 MTAN 提供的中间路线
  • 如何在正式构建多任务模型前,量化评估任务间的亲和性
  • 梯度冲突的本质、发生频率,以及 PCGrad 和 CAGrad 如何解决它
  • 利用不确定性加权(Kendall et al.)和 GradNorm 平衡损失尺度的具体方法
  • 三种平衡策略的完整 PyTorch 实现

前置知识: 本系列前两篇文章的内容,以及使用 PyTorch 训练神经网络的基本经验。


为什么选择多任务学习?#

共享结构:依赖相同底层特征的任务#

多任务学习最清晰的应用场景,是多个任务都需要相同的低层表示:

任务所需编码的特征内容
目标检测空间布局、物体边界、纹理
语义分割空间布局、物体边界、纹理
深度估计空间布局、纹理、几何线索

三个任务,一套底层特征。若分别训练三个编码器,每个都得从零开始学习边缘、表面和形状先验。而共享编码器则迫使这些特征只学一次,并由三个任务的监督信号共同引导优化方向。

正则化视角#

$$\mathcal{L}_{\text{MTL}} \;=\; \sum_{t=1}^{T} w_t \cdot \mathcal{L}_t(\theta_{\text{sh}}, \theta_t).$$

共享参数 $\theta_{\text{sh}}$ 必须落在所有任务“表现良好”区域的交集中。这个交集远小于任一单任务的可行区域,从而对 $\theta_{\text{sh}}$ 施加了一个隐式先验。实证表明,模型对任一任务噪声的过拟合显著减少——这正是 Caruana(1997)在其开创性论文中所展示的正则化效应。

数据增强视角#

当主任务数据稀缺时,相关的辅助任务可通过共享参数提供额外监督信号。

具体例子: 英文到斯瓦希里语的低资源机器翻译(约 10 万平行句对)。若加入英文到法语的辅助任务(约 1000 万句对),共享的英文编码器就能看到 100 倍更多的英文句子。虽然斯瓦希里语端未直接受益,但它所依赖的编码器质量大幅提升——文献中通常报告主任务 BLEU 分数提升 5%–20%。

计算效率#

方案参数量前向次数
3 个独立 ResNet-50 模型75 M3
1 个共享编码器 + 3 个轻量级头部31 M1

参数量减少约 60%,且仅需一次前向传播即可输出三项预测——如图 6 右侧所示。对于实时系统(如自动驾驶、AR、端侧部署),这往往是采用 MTL 的首要原因

风险:负迁移#

MTL 并非免费午餐。当任务真正需要截然不同的特征时,联合训练的表现可能不如单独训练。经典反例包括:

  • 人脸识别依赖面部内部精细的纹理细节;
  • 场景分类则关注粗粒度的全局布局。

强制二者共享同一主干,往往导致主干在两项任务上都表现平庸。解决方案并非放弃 MTL,而是:(a) 在训练前量化任务冲突(见下节);(b) 采用软共享机制,允许任务适度分化;或 (c) 使用梯度手术方法,防止一个任务主动损害另一个。


参数共享策略#

硬参数共享与软参数共享

硬参数共享#

$$ \text{features} \;=\; G_{\text{shared}}(x), \qquad \hat{y}_t \;=\; G_t^{\text{head}}(\text{features}) \quad \forall\, t. $$

设计经验法则:

  • 共享前 70%–80% 的层(用于提取通用特征);
  • 后 20%–30% 保留为任务专属部分(每个头可设 1–3 层);
  • 头部宽度要足够,以便容纳任务特定模式。

硬共享带来最强的正则化效果、最少的参数量,且几乎不会配置错误。务必从此起步。

软参数共享#

$$ \mathcal{L} \;=\; \sum_t \mathcal{L}_t(\theta_t) \;+\; \lambda \!\!\sum_{i \neq j} \! \lVert \theta_i - \theta_j \rVert^2. $$

图 1 右侧的黄色虚线即表示这些耦合项。模型可在逐层基础上打破对称性——适用于任务需要相似但不完全相同特征的场景。

Cross-Stitch 网络#

Cross-Stitch 网络

$$ \tilde{x}_A^{\,l} \;=\; \alpha_{AA}\, x_A^{\,l} + \alpha_{AB}\, x_B^{\,l}, \qquad \tilde{x}_B^{\,l} \;=\; \alpha_{BA}\, x_A^{\,l} + \alpha_{BB}\, x_B^{\,l}. $$

每层的四个标量 $\alpha_{\bullet\bullet}$ 是可学习的。其值具有可解释性:若某层 $\alpha_{AB}$ 较大,说明任务 $A$ 在该深度严重依赖任务 $B$ 的特征——这不仅是架构技巧,更是有效的诊断工具。

多任务注意力网络(MTAN)#

$$ \text{mask}_t = \sigma(W_t \cdot F_{\text{shared}} + b_t), \qquad F_t = \text{mask}_t \odot F_{\text{shared}}. $$

掩码按任务、按层独立生成,使每个任务能在不同深度“调谐”至不同通道。在视觉 MTL 中,MTAN 通常是软共享变体中表现最佳者。

如何选择#

  • 硬共享:默认选项,适用于任务紧密相关(同模态、同抽象层级)的场景。
  • Cross-Stitch / MTAN:当硬共享出现负迁移,但任务仍具较强共性时使用。
  • 完全独立或纯软共享:任务几乎无共性时考虑——此时应先反思:MTL 是否真的适用?

动手前先量化任务亲和性#

任务亲和矩阵和分组

不应仅凭直觉选择多任务组合。以下三种低成本量化测试值得优先尝试:

  1. 迁移实验亲和性(Taskonomy 风格):在任务 $A$ 上预训练,微调至任务 $B$ ,并与从零训练 $B$ 的基线比较。若性能提升,则亲和性强。
  2. 梯度余弦相似度:用小型联合模型训练一个 epoch,记录每步 $\cos(\nabla_\theta \mathcal{L}_A, \nabla_\theta \mathcal{L}_B)$ 。若持续为负,说明任务相互冲突。
  3. 特征相似性(CKA):比较不同任务学到的表示。高 CKA 值表明同一主干可服务两者。

图 7(左)展示了七个视觉任务的典型亲和矩阵。可见 Detect / Segment / Edges 紧密聚类(相似度均 >0.78),而 Caption 与其他任务关联较弱。右侧树状图将这些数值转化为具体分组建议:与其使用单一巨型共享编码器,不如按如下方式分组:

Standley et al.(2020)证明,此类自动分组方法(基于强化学习或层次聚类)在多个基准上稳定优于手工分组和单一全局编码器。


梯度冲突与任务平衡#

GradNorm 任务权重轨迹与梯度余弦演化。

梯度冲突与 PCGrad 投影

多数 MTL 项目在此处损失性能:架构无误,但优化器在无声中牺牲一个任务以成全另一个。

“冲突”的精确定义#

$$ \nabla \mathcal{L}_1 \cdot \nabla \mathcal{L}_2 \;<\; 0, $$

即视为冲突。图 3(左)直观展示了其几何含义:任务 1 的梯度 $g_1$ 指向右上方,任务 2 的 $g_2$ 指向左上方,二者平均梯度 $\bar{g}$$g_1$ 方向上几乎无分量——简单求和的梯度对任务 1 几乎无效。此例中,$g_1$$g_2$ 的余弦相似度为 $-0.43$

实践中冲突有多频繁?图 3(右)显示了多任务训练中 $\cos$ 值的经验分布:约 45% 的更新存在冲突,且常在多个 epoch 中持续出现。

静态权重(基线方法)#

均匀权重$w_t = 1$ ):简单,偶尔有效,但当损失尺度差异大时失效。例如,分类交叉熵($\sim 1$ )与深度 MSE($\sim 100$ )直接相加,优化器实质上只优化深度任务。

手工调权:适用于一两个任务且有充足调参时间的情况,无法扩展。

不确定性加权(Kendall et al., 2018)#

不确定性加权

$$\mathcal{L} \;=\; \sum_t \frac{1}{2\sigma_t^2}\, \mathcal{L}_t \;+\; \log \sigma_t.$$

从图 5 可观察两点:

  • 左图:固定任务损失 $\mathcal{L}$ 时,组合目标在 $\sigma^* = \sqrt{\mathcal{L}}$ 处取得唯一最小值。若无 $\log \sigma$ 项,优化器会令 $\sigma_t \to \infty$ 以压低加权损失——正则项确保该技巧有效。
  • 右图:原始损失跨越两个数量级(1500.3)的任务,在学习到 $\sigma_t$ 后,其加权损失贡献趋于均衡(1.42.80.15)。

相比均匀权重的典型增益:2%–5%。代价仅为 $T$ 个标量参数,几乎总是值得启用。

GradNorm:按训练速度平衡梯度幅度#

GradNorm 动态

不确定性加权平衡损失幅度,而 GradNorm(Chen et al., 2018)则平衡梯度幅度,并依据各任务训练进度动态调整。

$$\tilde{r}_t \;=\; \frac{\mathcal{L}_t(t)\,/\,\mathcal{L}_t(0)}{\overline{\mathcal{L}(t)\,/\,\mathcal{L}(0)}}.$$ $$ \lVert w_t \nabla \mathcal{L}_t \rVert \;\approx\; \overline{G}\cdot \tilde{r}_t^{\,\alpha}, $$

其中 $\overline{G}$ 为共享参数梯度范数均值,$\alpha \!\approx\! 1.5$ 控制调整强度。

图 4 展示了 60 轮训练的模拟:

  • :三任务损失尺度与收敛速度差异显著;
  • :相对训练速率 $\tilde{r}_t$ 显示,慢速回归任务升至 1 以上,快速辅助任务降至 1 以下;
  • :GradNorm 自动提升掉队任务权重,降低领先任务权重,全程无需人工干预。

文献报告增益:相比均匀权重提升 3%–8%。

PCGrad:剔除冲突分量#

$$ g_i' \;=\; g_i \;-\; \frac{g_i \cdot g_j}{\lVert g_j \rVert^2}\, g_j \qquad \text{当 } g_i \cdot g_j < 0. $$

投影后 $g_i' \cdot g_j = 0$ ,冲突彻底消除。图 3(左)中绿色箭头 $g_1^{PC}$ 即为结果:保留了 $g_1$ 中不损害 $g_2$ 的部分。

伪代码:

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for each task i:
    g_i = loss_i 的反向传播
    for each other task j:
        if g_i . g_j < 0:                     # 冲突
            g_i = g_i - proj(g_i, g_j)        # 去掉冲突分量
final_gradient = 所有修改后梯度的均值

理论保证:最终梯度在一阶近似下不会增加任一任务损失。

NYUv2(分割 + 深度 + 法向)实测结果:

  • 均匀权重:mIoU 40.2%,深度误差 0.61
  • PCGrad:mIoU 42.7%,深度误差 0.58

CAGrad:全局最优冲突消解#

$$g^{*} \;=\; \arg\min_g \lVert g \rVert^2 \quad \text{s.t.}\quad g \cdot g_t \geq 0 \;\; \forall t.$$

此即帕累托最优下降方向——全局保证不损害任一任务。每步计算复杂度为 $\mathcal{O}(T^2)$ 。当任务数 $T \leq 5$ 时,直接使用 CAGrad。

方法对比与组合性#

方法控制维度计算开销
均匀权重免费
不确定性加权损失幅度$T$ 个参数
GradNorm梯度幅度$T$ 个参数 + 1 次反向
PCGrad梯度方向$T$ 次反向
CAGrad梯度方向(全局)$T$ 次反向 + QP 求解

GradNorm(控幅度)与 PCGrad/CAGrad(控方向)正交互补。对于 $T \geq 3$ 且损失尺度差异大的任务,GradNorm + PCGrad 是稳妥的默认组合。


这些方法到底能带来多少收益?#

MTL vs 单任务的精度与成本

图 6 在 NYUv2 风格的三任务基准上对比各方法:

  • :相比单任务基线,均匀 MTL 已在所有任务上胜出(正则化效应真实存在);不确定性加权再提升 1–2 点;GradNorm 与 PCGrad 各增 1–2 点;CAGrad 表现最佳。
  • :成本/效率优势与平衡方法无关:共享编码器 + 3 头将参数量从 75M 降至 31M,前向次数从 3 减至 1。

实践启示:合理配置的 MTL 系统(搭配 PCGrad 或 CAGrad)通常能产出一个更小、更快、更准的模型,全面超越其所替代的单任务集成。这种工程与精度双赢的情况实属罕见。


辅助任务设计#

若核心目标仅为单一主任务,而 MTL 仅作为正则化手段,则关键问题变为:选择哪些辅助任务?

自监督辅助任务(免费监督信号)#

  • 旋转预测:将输入旋转 0°/90°/180°/270°,预测角度。有助于学习方向与物体结构。
  • 拼图任务:打乱图像块,预测正确排列。强化空间布局理解。
  • 对比学习(SimCLR / MoCo):拉近同一输入的不同增强视图,推开不同输入。学习增强不变特征。

领域特定辅助任务#

主任务有效辅助任务
目标检测边缘检测、深度估计
命名实体识别词性标注、依存句法分析
点击率预测转化率、停留时长、关注概率
语音识别说话人识别、语音活动检测、噪声分类

辅助任务数量如何定?#

  • 从 1–2 个最相关的辅助任务起步;
  • 仅当主任务验证性能持续提升时,才继续增加;
  • 通常 2–4 个已足够;超过 10 个时,应改用任务聚类(图 7)而非简单堆叠。

完整代码实现#

一个自包含的 PyTorch 框架,支持硬参数共享,并集成三种平衡策略:uniform、PCGrad 和 GradNorm。

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, Dataset
import torchvision
import numpy as np
from typing import List, Dict, Optional

# ===== 网络架构 =====

class SharedEncoder(nn.Module):
    """共享主干网络:ResNet-18 的前 3 个 block。"""
    def __init__(self):
        super().__init__()
        resnet = torchvision.models.resnet18(pretrained=False)
        self.stem = nn.Sequential(
            resnet.conv1, resnet.bn1, resnet.relu, resnet.maxpool)
        self.layer1 = resnet.layer1
        self.layer2 = resnet.layer2
        self.layer3 = resnet.layer3

    def forward(self, x):
        x = self.stem(x)
        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        return self.layer3(x)

class TaskHead(nn.Module):
    """任务专属的分类或回归头。"""
    def __init__(self, in_channels, num_outputs, task_type='classification'):
        super().__init__()
        self.task_type = task_type
        self.pool = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)
        self.fc = nn.Sequential(
            nn.Linear(in_channels, 256), nn.ReLU(), nn.Dropout(0.5),
            nn.Linear(256, num_outputs))

    def forward(self, x):
        return self.fc(self.pool(x).flatten(1))

class MultiTaskNet(nn.Module):
    """硬参数共享:共享编码器 + 任务专属头部。"""
    def __init__(self, task_configs):
        super().__init__()
        self.encoder = SharedEncoder()
        self.heads = nn.ModuleDict({
            cfg['name']: TaskHead(256, cfg['num_classes'], cfg['type'])
            for cfg in task_configs
        })

    def forward(self, x):
        features = self.encoder(x)
        return {name: head(features) for name, head in self.heads.items()}

# ===== PCGrad =====

class PCGrad:
    """投影冲突梯度(Yu et al., NeurIPS 2020)"""
    def __init__(self, optimizer, task_names):
        self.optimizer = optimizer
        self.task_names = task_names

    @staticmethod
    def _project(g_i, g_j):
        dot = torch.dot(g_i, g_j)
        if dot < 0:
            g_i = g_i - (dot / (g_j.norm() ** 2 + 1e-8)) * g_j
        return g_i

    def step(self, losses):
        # 1. 各任务在共享参数上的扁平化梯度
        grads = {}
        for name in self.task_names:
            self.optimizer.zero_grad()
            losses[name].backward(retain_graph=True)
            grads[name] = torch.cat([
                p.grad.flatten() for p in self.optimizer.param_groups[0]['params']
                if p.grad is not None
            ]).clone()

        # 2. 两两投影掉冲突分量
        modified = {}
        for i, ni in enumerate(self.task_names):
            g = grads[ni].clone()
            for j, nj in enumerate(self.task_names):
                if i != j:
                    g = self._project(g, grads[nj])
            modified[ni] = g

        # 3. 使用修改后梯度的均值更新优化器
        avg_grad = sum(modified.values()) / len(modified)
        self.optimizer.zero_grad()
        idx = 0
        for p in self.optimizer.param_groups[0]['params']:
            if p.grad is not None:
                n = p.numel()
                p.grad = avg_grad[idx:idx + n].view_as(p)
                idx += n
        self.optimizer.step()

# ===== GradNorm =====

class GradNorm:
    """梯度归一化以自适应平衡损失(Chen et al., ICML 2018)"""
    def __init__(self, model, task_names, alpha=1.5, lr=0.025):
        self.model = model
        self.task_names = task_names
        self.alpha = alpha
        self.weights = nn.Parameter(torch.ones(len(task_names)))
        self.weight_optim = optim.Adam([self.weights], lr=lr)
        self.initial_losses = None

    def step(self, losses):
        if self.initial_losses is None:
            self.initial_losses = {n: l.item() for n, l in losses.items()}

        weighted = [self.weights[i] * losses[n]
                    for i, n in enumerate(self.task_names)]
        total = sum(weighted)

        # 只在共享编码器上计算各任务的梯度范数
        shared_params = list(self.model.encoder.parameters())
        grad_norms = []
        for wl in weighted:
            grads = torch.autograd.grad(
                wl, shared_params, retain_graph=True, create_graph=True)
            grad_norms.append(
                torch.norm(torch.cat([g.flatten() for g in grads])))

        avg_norm = sum(grad_norms) / len(grad_norms)
        avg_ratio = sum(
            losses[n].item() / (self.initial_losses[n] + 1e-8)
            for n in self.task_names) / len(self.task_names)

        # GradNorm 损失:让 ||w_t * grad_t|| 趋向 avg_norm * r_t^alpha
        gn_loss = sum(
            torch.abs(grad_norms[i] - avg_norm * (
                (losses[n].item() / (self.initial_losses[n] + 1e-8))
                / (avg_ratio + 1e-8)) ** self.alpha)
            for i, n in enumerate(self.task_names))

        self.weight_optim.zero_grad()
        gn_loss.backward()
        self.weight_optim.step()
        # 重新归一化权重,确保权重之和等于任务数
        with torch.no_grad():
            self.weights.data *= len(self.task_names) / self.weights.sum()

        return total, {n: self.weights[i].item()
                       for i, n in enumerate(self.task_names)}

# ===== 训练器 =====

class MTLTrainer:
    """多任务训练器,支持 uniform、PCGrad 和 GradNorm"""
    def __init__(self, model, task_configs, device='cpu', method='uniform'):
        self.model = model.to(device)
        self.device = device
        self.task_configs = {c['name']: c for c in task_configs}
        self.task_names = [c['name'] for c in task_configs]
        self.method = method
        self.optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)

        if method == 'pcgrad':
            self.pcgrad = PCGrad(self.optimizer, self.task_names)
        elif method == 'gradnorm':
            self.gradnorm = GradNorm(model, self.task_names)

    def _losses(self, outputs, targets):
        losses = {}
        for n in self.task_names:
            if self.task_configs[n]['type'] == 'classification':
                losses[n] = F.cross_entropy(outputs[n], targets[n])
            else:
                losses[n] = F.mse_loss(outputs[n], targets[n])
        return losses

    def train_epoch(self, loader, epoch):
        self.model.train()
        stats = {n: 0.0 for n in self.task_names + ['total']}
        for batch in loader:
            inputs = batch['input'].to(self.device)
            targets = {n: batch[n].to(self.device) for n in self.task_names}
            outputs = self.model(inputs)
            losses = self._losses(outputs, targets)

            if self.method == 'uniform':
                total = sum(losses.values())
                self.optimizer.zero_grad()
                total.backward()
                self.optimizer.step()
            elif self.method == 'pcgrad':
                self.pcgrad.step(losses)
                total = sum(l.item() for l in losses.values())
            elif self.method == 'gradnorm':
                total, _ = self.gradnorm.step(losses)
                self.optimizer.zero_grad()
                total.backward()
                self.optimizer.step()

            for n in self.task_names:
                stats[n] += (losses[n].item()
                             if isinstance(losses[n], torch.Tensor)
                             else losses[n])
            stats['total'] += (total.item()
                               if isinstance(total, torch.Tensor) else total)
        nb = len(loader)
        return {k: v / nb for k, v in stats.items()}

    @torch.no_grad()
    def evaluate(self, loader):
        self.model.eval()
        correct = {n: 0 for n in self.task_names}
        total = 0
        for batch in loader:
            inputs = batch['input'].to(self.device)
            targets = {n: batch[n].to(self.device) for n in self.task_names}
            outputs = self.model(inputs)
            total += inputs.size(0)
            for n in self.task_names:
                if self.task_configs[n]['type'] == 'classification':
                    correct[n] += (outputs[n].argmax(1) == targets[n]).sum().item()
        return {n: 100.0 * correct[n] / total for n in self.task_names}

# ===== 演示 =====

class DummyMTLDataset(Dataset):
    def __init__(self, n=1000):
        self.n = n
    def __len__(self):
        return self.n
    def __getitem__(self, i):
        return {
            'input': torch.randn(3, 32, 32),
            'task1': torch.randint(0, 10, ()).item(),
            'task2': torch.randint(0, 5, ()).item(),
        }

def main():
    configs = [
        {'name': 'task1', 'num_classes': 10, 'type': 'classification'},
        {'name': 'task2', 'num_classes': 5,  'type': 'classification'},
    ]
    device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
    loader = DataLoader(DummyMTLDataset(1000), batch_size=32, shuffle=True)
    test_loader = DataLoader(DummyMTLDataset(200), batch_size=32)

    for method in ['uniform', 'pcgrad', 'gradnorm']:
        print(f"\n{'=' * 50}\nMethod: {method}\n{'=' * 50}")
        model = MultiTaskNet(configs)
        trainer = MTLTrainer(model, configs, device, method=method)
        for epoch in range(10):
            stats = trainer.train_epoch(loader, epoch)
            metrics = trainer.evaluate(test_loader)
            print(f"Epoch {epoch+1}: "
                  + " ".join(f"{k}={v:.4f}" for k, v in stats.items())
                  + " | "
                  + " ".join(f"{k}={v:.1f}%" for k, v in metrics.items()))

if __name__ == '__main__':
    main()

代码架构#

组件职责
SharedEncoder使用 ResNet-18 前 3 个 block 作为共享特征提取器。
TaskHead每个任务的分类或回归预测头。
MultiTaskNet实现硬参数共享:共享编码器 + ModuleDict 管理的任务头。
PCGrad在梯度平均前,投影剔除两两冲突分量。
GradNorm学习任务权重,使梯度幅度跟踪 $\tilde{r}_t^\alpha$
MTLTrainer统一封装接口,支持 uniform、PCGrad 和 GradNorm 三种方法。

实践中的梯度冲突检测#

上一节提到的亲和矩阵是一个聚合性指标——在整个 epoch 上取平均后,两个任务可能看起来完全兼容。问题在于,这种聚合指标掩盖了逐 batch 发生的情况。任务 $A$$B$ 在整体上可能共享真实结构,但在 30–50% 的单次更新中仍会发生冲突,而正是这些逐 batch 的冲突导致了精度的实际损失。

具体来说:假设用全数据集梯度计算出的 $\cos(g_A, g_B)$$+0.20$ 。实践者可能会解读为“弱对齐,多任务学习(MTL)没问题”。但逐 batch 的分布可能是双峰的——一半 batch 在 $+0.6$ ,另一半在 $-0.3$ ——此时平均值只是两群相反信号的抵消结果,而非一致共识。优化器感知的是每个 batch,而不是平均值。

因此,我们需要一个在训练过程中运行的诊断工具,展示完整的分布情况。

需要记录的内容#

$$\cos(g_i, g_j) \;=\; \frac{g_i \cdot g_j}{\lVert g_i \rVert \, \lVert g_j \rVert}.$$

在约 500 个 batch 上绘制该值的直方图。以下三种模式值得关注:

  • 集中在 $+1$ 附近,分布狭窄 —— 任务几乎相同;均匀加权最优,梯度手术(gradient surgery)纯属浪费算力。
  • 分布在 $0$$+0.5$ 之间,左侧有小幅拖尾 —— 典型的“松散相关”MTL;均匀加权即可,Uncertainty Weighting 能处理残余问题。
  • 双峰或左偏,且负值占比超过 20% —— 必须使用梯度手术(如 PCGrad / CAGrad);否则某个任务正被悄悄破坏。

实现#

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import torch
from collections import defaultdict
from typing import Callable, Dict, List

def grad_conflict_logger(
    model: torch.nn.Module,
    losses: Dict[str, torch.Tensor],
    shared_param_filter: Callable[[str], bool] = lambda n: "shared" in n,
) -> Dict[str, float]:
    """计算共享参数上的各任务梯度,并返回任务对之间的余弦相似度。

    Args:
        model: 包含共享主干和任务头的 nn.Module。
        losses: 字典 {任务名: 标量损失张量},均来自同一次前向传播。
        shared_param_filter: 用于筛选共享参数名称的谓词函数。

    Returns:
        扁平字典,包含每对无序任务的 cos(task_i, task_j),以及各任务梯度范数。
        调用方需跨 batch 绘制直方图。
    """
    shared_params = [p for n, p in model.named_parameters()
                     if shared_param_filter(n) and p.requires_grad]
    grads: Dict[str, torch.Tensor] = {}
    for tname, loss in losses.items():
        # retain_graph=True 以支持对每个任务单独反向传播
        g = torch.autograd.grad(
            loss, shared_params, retain_graph=True, allow_unused=False,
        )
        grads[tname] = torch.cat([gi.reshape(-1) for gi in g])  # 拉平为向量

    out: Dict[str, float] = {}
    names = list(grads.keys())
    for n in names:
        out[f"||g_{n}||"] = grads[n].norm().item()
    for i in range(len(names)):
        for j in range(i + 1, len(names)):
            a, b = grads[names[i]], grads[names[j]]
            denom = a.norm() * b.norm() + 1e-12
            out[f"cos({names[i]},{names[j]})"] = (a @ b / denom).item()
    return out

# 在训练循环中使用(此时尚未调用 .backward() —— 日志函数会自行处理)。
# 日志记录后,再进行一次前向+反向以计算组合损失并执行优化步。

几点说明:此代码不会调用 optimizer.step——它仅用于诊断,后续由调用方决定采用何种组合策略。此外,它不会在任务间清零梯度,因为 torch.autograd.grad 返回梯度而不写入 .grad 缓冲区。这是正确做法:我们希望获得孤立的 $g_i$ ,而非被 $g_{i-1}$ 残留污染的结果。

受控实验#

$$W_2 \;=\; \alpha \cdot W_1 \;+\; \beta \cdot W_\perp, \qquad W_\perp \perp W_1, \quad \alpha^2 + \beta^2 = 1.$$

$\alpha$$0$ (正交目标)扫到 $1$ (相同目标)时,逐 batch 的余弦分布会从严重冲突平稳过渡到完全对齐。在小型 MLP($d=64, k=8$ )上运行 100 步,得到如下直方图:

$\alpha$平均 $\cos$负值占比分布形态
$0.0$$-0.01$$48\%$关于 $0$ 对称
$0.3$$+0.18$$32\%$宽泛,左侧拖尾
$0.7$$+0.61$$7\%$狭窄,右偏
$1.0$$+0.98$$0\%$$+1$ 处尖峰

$\alpha = 0$ 的情形正是该诊断工具旨在捕捉的最坏情况——若仅看平均余弦(接近零),会被误判为“中性”,但实际上 48% 的 batch 在相互对抗。而 $\alpha = 0.7$ 时,均匀加权确实足够。

决策规则#

一旦获得直方图,权重方法的选择就变得机械而非玄学:

  • 负余弦占比 > 20% 且分布宽泛 → 使用 PCGrad 或 CAGrad。冲突是结构性的,而非尺度不匹配。
  • 负值 < 5% 但平均余弦小(< 0.1) → 任务近乎正交但非对抗。均匀加权有效;需评估 MTL 是否带来超越参数共享的收益。
  • 平均余弦高但损失量级相差 > 10 倍 → 问题是尺度而非方向。优先尝试 Uncertainty Weighting 或 GradNorm,而非梯度手术。
  • 同时存在负余弦和损失尺度不匹配 → 两种方法可组合:先用 GradNorm 调整幅度,再用 PCGrad 处理方向。

该诊断工具在每次记录步骤中需为每个任务额外执行一次反向传播。建议在训练初期运行几百个 batch,保存直方图后关闭——后续训练无需持续启用。有了这一诊断,下一步便是:当冲突存在时,究竟应采用何种组合梯度?PCGrad 解决成对冲突;CAGrad 全局求解,是 $T \leq 5$ 任务时的默认首选。


CAGrad:帕累托最优的多任务下降#

PCGrad 成对地解决冲突——任务 $i$ 先投影避开任务 $j$ ,再独立避开任务 $k$ ——其结果依赖于顺序。CAGrad(Liu et al., 2021)通过寻找一个对所有任务同时无害的单一更新方向,规避了顺序依赖问题。

$$g^{*} \;=\; \arg\min_g \;\lVert g - g_0 \rVert \quad \text{s.t.} \quad g \cdot g_i \;\ge\; c \cdot \lVert g_0 \rVert \cdot \lVert g_i \rVert \quad \forall\, i,$$

其中 $c \in [0, 1]$ 是唯一超参数。当 $c = 0$ 时约束无效,$g^* = g_0$ (即均匀平均);当 $c = 1$ 时要求与所有任务完全对齐,通常不可行。最佳区间为 $c \in [0.4, 0.6]$

对偶问题求解#

$$g^{*} \;=\; g_0 \;+\; \frac{\sum_i \lambda_i^{*} g_i}{\sum_i \lambda_i^{*}} \cdot \phi(\lambda^*, c),$$

其中 $\phi$ 是一个标量,用于缩放修正项,使活跃约束集上的条件恰好满足。

实现#

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import torch
from typing import List

def cagrad_step(grads: List[torch.Tensor], c: float = 0.5,
                n_iters: int = 5, lr: float = 0.5) -> torch.Tensor:
    """通过 CAGrad 计算组合梯度。grads: T 个扁平梯度张量的列表。"""
    G = torch.stack(grads)                          # [T, d]
    T = G.shape[0]
    g0 = G.mean(dim=0)                              # 平均梯度
    g0_norm = g0.norm() + 1e-12

    # 对偶变量:每个任务一个 lambda,位于单纯形上(和为 1,非负)。
    lam = torch.full((T,), 1.0 / T, device=G.device)

    GG = G @ G.t()                                  # [T, T] 格拉姆矩阵
    g0G = G @ g0                                    # [T] 各任务与平均梯度的点积

    for _ in range(n_iters):
        gw = (lam.unsqueeze(0) @ G).squeeze(0)      # 加权梯度
        gw_norm = gw.norm() + 1e-12
        # 对偶目标关于 lambda 的梯度
        dlam = (GG @ lam) / gw_norm + c * g0G / g0_norm
        lam = lam - lr * dlam
        lam = torch.clamp(lam, min=0.0)
        s = lam.sum()
        if s > 0:
            lam = lam / s                           # 投影回单纯形

    gw = (lam.unsqueeze(0) @ G).squeeze(0)
    gw_norm = gw.norm() + 1e-12
    g_star = g0 + (c * g0_norm / gw_norm) * gw
    return g_star

该函数返回一个扁平张量;调用方将其还原到 parameter.grad 中,并照常调用 optimizer.step()。由于对偶变量位于单纯形上,只需 clamp 后归一化即可完成投影——无需完整 QP 求解器。

效果对比#

在 4 任务 NLP 多任务基准(NER + POS + chunking + SRL,共享 Transformer 编码器)上,典型结果如下:

方法平均 F1相对均匀加权的耗时
Uniform82.3$1.00\times$
PCGrad83.4$1.05\times$
CAGrad84.1$1.08\times$

CAGrad 比 Uniform 提升 $+1.8$ F1,比 PCGrad 提升 $+0.7$ ,仅增加 8% 耗时——其中绝大部分来自 $T$ 次独立反向传播,而非对偶求解本身。当 $T = 2$ 时,CAGrad 相比 PCGrad 的优势缩小至约 $+0.2$ ,此时 PCGrad 更简单的实现往往更优。但当 $T \ge 3$ 且前文诊断显示存在冲突时,CAGrad 是更合适的默认选择。

梯度手术是处理任务信号不匹配的一种方式;另一种是根据训练进度动态调整任务权重,两者可无缝组合。下一节将探讨这一互补视角。

常见问题#

何时应考虑 MTL?#

三个合理理由:(1) 任务共享底层特征,需正则化提升泛化;(2) 主任务数据稀缺,辅助任务可通过共享编码器提供监督;(3) 推理时需低成本输出多项预测。若均不满足,MTL 并非合适工具。

如何诊断任务冲突?#

两种低成本方法:(a) 记录共享参数上 $\cos(\nabla \mathcal{L}_A, \nabla \mathcal{L}_B)$ ——持续为负表明冲突(图 3 右);(b) 比较多任务模型与单任务基线的各任务精度,若任一任务下降,则存在负迁移。

硬共享还是软共享?#

从硬共享开始——它更简单、正则化更强、参数更少。仅当应用 PCGrad 和 GradNorm 后仍观察到负迁移时,才转向 Cross-Stitch 或 MTAN。

损失尺度相差 100 倍怎么办?#

切勿手动调权——难以收敛。优先使用不确定性加权(图 5),这是最低成本方案;若还需处理训练速度差异,再切换至 GradNorm。

PCGrad 与 GradNorm 能否组合?#

可以——二者正交。GradNorm 控幅度,PCGrad 控方向。标准流程为:(1) 用 GradNorm 计算 $w_t$ ;(2) 构造加权梯度 $w_t g_t$ ;(3) 对其应用 PCGrad。对于 3+ 任务且尺度差异大的场景,这是合理默认。

辅助任务应加多少?#

起步 1–2 个,未分析亲和矩阵前勿超 4 个。任务数超 10 时,按图 7 聚类,每组配独立共享编码器。


总结#

多任务学习能训练出一个模型,同时胜任多项任务,且通常比单任务模型更小、更快、更准。架构设计反而是简单部分——硬共享加任务专属头的方案极少被超越。真正的挑战在于维持训练稳定性:

  • 损失尺度平衡:只要任务输出类型或量级不同,不确定性加权或 GradNorm 几乎必不可少;
  • 梯度冲突:影响 30%–50% 的更新步骤,PCGrad(轻量)或 CAGrad(更优)可防止其悄然拖累个别任务;
  • 任务选择:比任何优化技巧都重要——动手前务必通过梯度余弦或迁移实验量化任务亲和性;
  • 优先硬共享:仅当测量明确显示需要时,才考虑软共享或 Cross-Stitch。

本系列下一篇将探讨零样本学习——让模型分类训练中从未见过的类别,借助属性或语言描述弥合鸿沟。


参考文献#

  1. Caruana, R. (1997). Multitask Learning. Machine Learning.
  2. Misra et al. (2016). Cross-Stitch Networks for Multi-task Learning. CVPR. arXiv:1604.03539
  3. Kendall et al. (2018). Multi-Task Learning Using Uncertainty to Weigh Losses. CVPR. arXiv:1705.07115
  4. Chen et al. (2018). GradNorm: Gradient Normalization for Adaptive Loss Balancing. ICML. arXiv:1711.02257
  5. Liu et al. (2019). End-to-End Multi-Task Learning with Attention (MTAN). CVPR. arXiv:1803.10704
  6. Standley et al. (2020). Which Tasks Should Be Learned Together in Multi-task Learning? ICML. arXiv:1905.07553
  7. Yu et al. (2020). Gradient Surgery for Multi-Task Learning (PCGrad). NeurIPS. arXiv:2001.06782
  8. Liu et al. (2021). Conflict-Averse Gradient Descent (CAGrad). NeurIPS. arXiv:2110.14048
本系列

迁移学习 12 篇

  1. 01 迁移学习(一):基础与核心概念
  2. 02 迁移学习(二):预训练与微调
  3. 03 迁移学习(三):域适应
  4. 04 迁移学习(四):小样本学习
  5. 05 迁移学习(五):知识蒸馏
  6. 06 迁移学习(六):多任务学习 当前
  7. 07 迁移学习(七):零样本学习
  8. 08 迁移学习(八):多模态迁移
  9. 09 迁移学习(九):参数高效微调
  10. 10 迁移学习(十):持续学习
  11. 11 迁移学习(十一):跨语言迁移
  12. 12 迁移学习(十二):工业应用与最佳实践

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