【pytorch】关于Embedding和GRU、LSTM的使用详解
1. Embedding的使用
pytorch中实现了Embedding，下面是关于Embedding的使用。
torch.nn包下的Embedding，作为训练的一层，随模型训练得到适合的词向量。
建立词向量层
embed = torch.nn.Embedding(n_vocabulary,embedding_size)
找到对应的词向量放进网络：词向量的输入应该是什么样子
实际上，上面通过随机初始化建立了词向量层后，建立了一个“二维表”，存储了词典中每个词的词向量。每个mini-batch的训练，都要从词向量表找到mini-batch对应的单词的词向量作为RNN的输入放进网络。那么怎么把mini-batch中的每个句子的所有单词的词向量找出来放进网络呢，输入是什么样子，输出是什么样子？
首先我们知道肯定先要建立一个词典，建立词典的时候都会建立一个dict：word2id：存储单词到词典序号的映射。假设一个mini-batch如下所示：
['I am a boy.','How are you?','I am very lucky.']
显然，这个mini-batch有3个句子，即batch_size=3
第一步首先要做的是：将句子标准化，所谓标准化，指的是：大写转小写，标点分离，这部分很简单就略过。经处理后，mini-batch变为：
[['i','am','a','boy','.'],['how','are','you','?'],['i','am','very','lucky','.']]
可见，这个list的元素成了一个个list。还要做一步：将上面的三个list按单词数从多到少排列。标点也算单词。至于为什么，后面会说到。
那就变成了：
batch = [['i','am','a','boy','.'],['i','am','very','lucky','.']，['how','are','you','?']]
可见，每个句子的长度，即每个内层list的元素数为：5,5,4。这个长度也要记录。
lens = [5,5,4]
之后，为了能够处理，将batch的单词表示转为在词典中的index序号，这就是word2id的作用。转换过程很简单，假设转换之后的结果如下所示，当然这些序号是我编的。
batch = [[3,6,5,6,7],[6,4,7,9,5]，[4,5,8,7]]
同时，每个句子结尾要加EOS，假设EOS在词典中的index是1。
batch = [[3,6,5,6,7,1],[6,4,7,9,5,1],[4,5,8,7,1]]
那么长度要更新：
lens = [6,6,5]
很显然，这个mini-batch中的句子长度不一致！所以为了规整的处理，对长度不足的句子，进行填充。填充PAD假设序号是2，填充之后为：
batch = [[3,6,5,6,7,1],[6,4,7,9,5,1],[4,5,8,7,1,2]]
这样就可以直接取词向量训练了吗?
不能！上面batch有3个样例，RNN的每一步要输入每个样例的一个单词，一次输入batch_size个样例，所以batch要按list外层是时间步数(即序列长度)，list内层是batch_size排列。即batch的维度应该是：
[seq_len,batch_size]
[seq_len,batch_size]
[seq_len,batch_size]
重要的问题说3遍。
怎么变换呢？变换方法可以是：使用itertools模块的zip_longest函数。而且，使用这个函数，连填充这一步都可以省略，因为这个函数可以实现填充！
batch = list(itertools.zip_longest(batch,fillvalue=PAD))
# fillvalue就是要填充的值，强制转成list
经变换，结果应该是：
batch = [[3,6,4],[6,4,5],[5,7,8],[6,9,7],[7,5,1],[1,1,2]]
记得我们还记录了一个lens：
lens = [6,6,5]
batch还要转成LongTensor：
batch=torch.LongTensor(batch)
这里的batch就是词向量层的输入。
词向量层的输出是什么样的？
好了，现在使用建立了的embedding直接通过batch取词向量了，如：
embed_batch = embed (batch)
假设词向量维度是6，结果是：
tensor([[[-0.2699, 0.7401, -0.8000, 0.0472, 0.9032, -0.0902],
[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[ 0.1146, -0.8077, -1.4957, -1.5407, 0.3755, -0.6805]],
[[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[ 0.1146, -0.8077, -1.4957, -1.5407, 0.3755, -0.6805],
[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326]],
[[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326],
[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871],
[-0.6739, 0.3931, 0.1464, 1.4965, -0.9210, -0.0995]],
[[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[-0.7411, 0.7948, -1.5864, 0.1176, 0.0789, -0.3376],
[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871]],
[[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871],
[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326],
[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714]],
[[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714],
[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714],
[ 0.2242, -1.2474, 0.3882, 0.2814, -0.4796, 0.3732]]],
grad_fn=<EmbeddingBackward>)
维度的前两维和前面讲的是一致的。可见多了一个第三维，这就是词向量维度。所以，Embedding层的输出是：
[seq_len,batch_size,embedding_size]
2 关于pytorch中的GRU
取词向量，放进GRU。
建立GRU
gru = torch.nn.GRU(input_size,hidden_size,n_layers)
# 这里的input_size就是词向量的维度，hidden_size就是RNN隐藏层的维度，这两个一般相同就可以
# n_layers是GRU的层数
可见，并不需要指定时间步数，也即seq_len，这是因为，GRU和LSTM都实现了自身的迭代。
GRU的输入应该是什么样子的？
上面的embed_batch作为Embedding层的输出，可以直接放进GRU中吗？
理论上可以，但这样不对！因为GRU并不知道哪些是填充的，并不是每一个句子都满足最大序列长度！所以我们事先用lens记录了长度。
将输出embed_batch转成pack_padded_sequence，使用torch.nn.utils.rnn. 下的pack_padded_sequence方法。
batch_packed = torch.nn.utils.rnn.pack_padded_sequence(embed_batch, lens)
# 注意这里的输入lens就是前面的长度list
这个 batch_packed 就是GRU的输入。
batch_packed 长啥样？
不妨看一下：
PackedSequence(data=tensor([[-0.2699, 0.7401, -0.8000, 0.0472, 0.9032, -0.0902],
[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[ 0.1146, -0.8077, -1.4957, -1.5407, 0.3755, -0.6805],
[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[ 0.1146, -0.8077, -1.4957, -1.5407, 0.3755, -0.6805],
[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326],
[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326],
[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871],
[-0.6739, 0.3931, 0.1464, 1.4965, -0.9210, -0.0995],
[-0.2675, 1.8021, 1.4966, 0.6988, 1.4770, 1.1235],
[-0.7411, 0.7948, -1.5864, 0.1176, 0.0789, -0.3376],
[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871],
[-0.3745, -1.9178, -0.2928, 0.6510, 0.9621, -1.3871],
[-0.0387, 0.8401, 1.6871, 0.3057, -0.8248, -0.1326],
[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714],
[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714],
[ 0.2837, 0.5629, 1.0398, 2.0679, -1.0122, -0.2714]],
grad_fn=<PackPaddedBackward>), batch_sizes=tensor([3, 3, 3, 3, 3, 2], grad_fn=<PackPaddedBackward>))
可以看到，属性batch_sizes清楚的记录了每个时间步上batch输出是多少，而且去除了PAD。
此外，GRU还需要一个初始隐藏向量（注意层数和方向），嫌麻烦直接传None也无妨。
所以输入应该是( batch_packed , None )
GRU的输出？
output,hidden = gru(batch_packed,None)
output：PackedSequence对象
PackedSequence(data=tensor([[ 0.0432, -0.0149, -0.0884, -0.0194, -0.0740, 0.1278],
[-0.0436, -0.0726, 0.0568, -0.0995, -0.1992, 0.1594],
[ 0.0582, 0.0625, -0.1639, 0.1474, 0.0077, 0.0542],
[-0.0052, -0.0732, 0.0031, -0.1367, -0.2336, 0.2307],
[ 0.0131, 0.0234, -0.0681, 0.0535, -0.1651, 0.1864],
[ 0.0324, 0.1441, -0.1788, 0.1800, -0.0816, 0.1684],
[-0.0788, -0.0148, -0.0292, -0.1348, -0.3352, 0.3045],
[ 0.0502, 0.0436, -0.1509, 0.1481, -0.1284, 0.1523],
[ 0.0627, 0.1626, -0.1888, 0.1341, -0.0984, 0.2627],
[-0.1391, -0.0149, 0.0473, -0.2069, -0.4410, 0.3690],
[ 0.1378, 0.0578, -0.2008, 0.1265, -0.0149, 0.2053],
[ 0.0780, 0.1199, -0.2107, 0.1460, -0.0906, 0.2291],
[-0.1019, 0.0055, -0.0304, -0.1277, -0.4149, 0.3582],
[ 0.0906, 0.1025, -0.1646, 0.0933, -0.0953, 0.2905],
[ 0.1004, 0.1175, -0.1911, 0.0979, -0.0877, 0.2771],
[-0.0607, 0.0469, -0.0935, -0.1002, -0.3568, 0.3707],
[ 0.0737, 0.1213, -0.1516, 0.0365, -0.1417, 0.3591]],
grad_fn=<CatBackward>), batch_sizes=tensor([3, 3, 3, 3, 3, 2], grad_fn=<PackPaddedBackward>))
前三个list对应于第一时间步，mini-batch的三个样例的输出。依次类推。最后只有两个，因为最后是有缺省的。
hidden：是个张量。维度[n_layers,batch_size,hidden_size]
tensor([[[-0.1057, 0.2273, 0.0964, 0.2777, 0.1391, -0.1769],
[-0.1792, 0.1942, 0.1248, 0.0800, -0.0082, 0.0778],
[-0.2631, 0.1654, 0.1455, -0.1428, 0.1888, -0.2379]],
[[-0.0607, 0.0469, -0.0935, -0.1002, -0.3568, 0.3707],
[ 0.0737, 0.1213, -0.1516, 0.0365, -0.1417, 0.3591],
[ 0.1004, 0.1175, -0.1911, 0.0979, -0.0877, 0.2771]]],
grad_fn=<ViewBackward>)
所以到这，为什么逆序，为什么记录长度也就清楚了。
3 关于pytroch中的LSTM
有点累了，过会写。差不对，就LSTM有两个隐藏层向量。
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