nn.LSTM输入、输出、参数及pad

1.LSTM的三个输出output, hidden, cell，分别表示什么意思？

https://blog.csdn.net/wangwangstone/article/details/90296461 这里最后的代码中能搞明白。

import torch
import torch.nn as nn             # 神经网络模块
rnn = nn.LSTM(10, 20, 2) 
# 输入数据x的向量维数10, 设定lstm隐藏层的特征维度20, 此model用2个lstm层。如果是1，可以省略，默认为1)
input = torch.randn(5, 3, 10)
# 输入的input为，序列长度seq_len=5, 每次取的minibatch大小，batch_size=3, 
# 数据向量维数=10（仍然为x的维度）。每次运行时取3个含有5个字的句子（且句子中每个字的维度为10进行运行） 
# 初始化的隐藏元和记忆元,通常它们的维度是一样的
# 2个LSTM层，batch_size=3, 隐藏层的特征维度20
h0 = torch.randn(2, 3, 20)
c0 = torch.randn(2, 3, 20)
# 这里有2层lstm，output是最后一层lstm的每个词向量对应隐藏层的输出,其与层数无关，只与序列长度相关
# hn,cn是所有层最后一个隐藏元和记忆元的输出，和层数、隐层大小有关。
output, (hn, cn) = rnn(input, (h0, c0))
##模型的三个输入与三个输出。三个输入与输出的理解见上三输入，三输出
print(output.size(),hn.size(),cn.size())
#输出：torch.Size([5, 3, 20]) torch.Size([2, 3, 20]) torch.Size([2, 3, 20])

 输入数据格式： （三个输入）

input(seq_len, batch, input_size)

h_0(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

c_0(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

输出数据格式：

output(seq_len, batch, hidden_size * num_directions)

h_n(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

c_n(num_layers * num_directions, batch, hidden_size)

设置batch_first=True：

import torch
import torch.nn as nn 
rnn = nn.LSTM(10, 20, 2,batch_first=True)
input = torch.randn(5, 3, 10)
h0 = torch.randn(2, 5, 20)
c0 = torch.randn(2, 5, 20)
output, (hn, cn) = rnn(input, (h0, c0))
print(output.size(),hn.size(),cn.size())

torch.Size([5, 3, 20]) torch.Size([2, 5, 20]) torch.Size([2, 5, 20])
#可以看到是shape和输入保持一致的
#如果开始设置了批次在前，那么输出时也会批次在前。

2.pack_padded_sequence /pad_packed_sequence

https://zhuanlan.zhihu.com/p/34418001?edition=yidianzixun&utm_source=yidianzixun&yidian_docid=0IVwLf60

https://www.cnblogs.com/lindaxin/p/8052043.html

这个还蛮有意思的，通过这个代码我明白了：

import torch
import torch.nn as nn
from torch.autograd import Variable
from torch.nn import utils as nn_utils
batch_size = 2
max_length = 3
hidden_size = 2
n_layers =1
 
tensor_in = torch.FloatTensor([[1, 2, 3], [1, 0, 0]]).resize_(2,3,1)
tensor_in = Variable( tensor_in ) #[batch, seq, feature], [2, 3, 1]
seq_lengths = [3,1] # list of integers holding information about the batch size at each sequence step
 
# pack it
pack = nn_utils.rnn.pack_padded_sequence(tensor_in, seq_lengths, batch_first=True)
 
# initialize
rnn = nn.RNN(1, hidden_size, n_layers, batch_first=True)
h0 = Variable(torch.randn(n_layers, batch_size, hidden_size))
 
#forward
out, _ = rnn(pack, h0)
 
# unpack
unpacked = nn_utils.rnn.pad_packed_sequence(out)
print('111',unpacked)

 输出：

111 (tensor([[[ 0.0217, -0.4686],
         [-0.0132, -0.4441]],

        [[-0.2905, -0.7984],
         [ 0.0000,  0.0000]],

        [[-0.6398, -0.9216],
         [ 0.0000,  0.0000]]], grad_fn=<CopySlices>), tensor([3, 1]))

#中间结果：
>>> tensor_in
tensor([[[1.],
         [2.],
         [3.]],

        [[1.],
         [0.],
         [0.]]])
#输入的是已经添加了batchsize的，是一个三维的

>>> pack
PackedSequence(data=tensor([[1.],
        [1.],
        [2.],
        [3.]]), batch_sizes=tensor([2, 1, 1]))
#经过压缩之后就可以发现很有意思，它是按照batch压缩的，压缩成一个长序列，然后还有一个batch_size的参数来控制读取。

>>> h0
tensor([[[ 0.2472,  0.2233],
         [-0.0616,  0.2127]]])
#初始化的隐状态

>>> out
PackedSequence(data=tensor([[ 0.0217, -0.4686],
        [-0.0132, -0.4441],
        [-0.2905, -0.7984],
        [-0.6398, -0.9216]], grad_fn=<CatBackward>), batch_sizes=tensor([2, 1, 1]))
#这个是未经过pad之前的，可以发现是和pack的结构类似，
#为什么变成了二维的呢，是因为hidden_size是二维的

总之是为了lstm的特殊输入，需要先pack，pack之后lstm的output再pad输出。