【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。