PyTorch Tensor 形状

查看张量形状

有两种方法查看张量形状:

• 通过属性查看 Tensor.shape
• 通过方法查看 Tensor.size()

两种方式的结果都是一个 torch.Size 类型(元组的子类)的对象

>>> t = torch.empty(3, 4)
>>> t.size()
torch.Size([3, 4])
# 获取 dim=1 维度的 size
>>> t.size(dim=1)
4
>>> t.shape
torch.Size([3, 4])
>>> isinstance(t.shape, tuple)
True

改变张量形状

1. 返回新的张量

以下方法均要求: 形状改变前后元素的数量一致, 名称以 as 结尾的方法表示参考其他张量的形状

• Tensor.view(*shape)
• Tensor.view_as(other)
  
  
• Tensor.reshape(*shape)
• Tensor.reshape_as(other)

在张量数据连续(contiguous)的情况下, 这两种方式均共享底层数据

>>> t = torch.arange(6)
>>> t_1 = t.view(2, 3)
>>> t_1
tensor([[0, 1, 2],[3, 4, 5]])
# 可以有一个维度是 -1, PyTorch 根据其余维度推理该维度的大小
>>> t_2 = t.reshape(3, -1)
>>> t_2
tensor([[0, 1],[2, 3],[4, 5]])
# 获取底层数据地址
>>> p = t.storage().data_ptr()
>>> p_1 = t_1.storage().data_ptr()
>>> p_2 = t_2.storage().data_ptr()
# 底层数据地址相等
>>> p == p_1 == p_2
True

当张量数据不连续时(例如改变张量的维度顺序), 无法使用 Tensor.view() 方法, 而 Tensor.reshape() 方法会拷贝底层数据

>>> a = torch.tensor([[0, 1],[2, 3]])
>>> a
tensor([[0, 1],[2, 3]])
# 转置操作
>>> t = a.t()
>>> t
tensor([[0, 2],[1, 3]])
# t 已经不连续了, 当然 a 还是连续的
>>> t.is_contiguous()
False# t.view 抛出异常
>>> t.view(1, 4)
-----------------------------------------------------------
RuntimeError              Traceback (most recent call last)
Input In [10], in <cell line: 1>()
----> 1 t.view(1, 4)RuntimeError: view size is not compatible with input tensor's size and stride (at least one dimension spans across two contiguous subspaces). Use .reshape(...) instead.# t.reshape 会拷贝数据
>>> t_2 = t.reshape(1, 4)
>>> t_2
tensor([[0, 2, 1, 3]])
>>> t.storage().data_ptr() == t_2.storage().data_ptr()
False

2. 就地修改张量

这是一个比较底层的方法, 以 _ 为结尾表示直接修改张量本身, 不会创建新的张量, 并且不要求前后元素的数量一致

• Tensor.resize_(*sizes)
• Tensor.resize_as_(other)

代码示例:

>>> t = torch.arange(5)
>>> t
tensor([0, 1, 2, 3, 4])
>>> t.resize_(2, 2)
tensor([[0, 1],[2, 3]])
# 原张量已被修改
>>> t
tensor([[0, 1],[2, 3]])

调整维度顺序

1. 矩阵转置

• Tensor.t()

仅对 2 维张量有效, 0 维和 1 维张量原样返回

>>> t = torch.tensor([[1, 2, 3]])
>>> t
tensor([[1, 2, 3]])
# 或者 t.T
>>> t.t()
tensor([[1],[2],[3]])

2. 交换两个维度

• Tensor.transpose(dim0, dim1)

交换 Tensor 的 dim0 与 dim1 维度, Tensor.t() 就相当于 Tensor.transpose(0, 1)

3. 调整维度顺序

• Tensor.permute(*dims)

指定 Tensor 维度的顺序, 将 HxWxC 顺序的图片张量转为 CxHxW 顺序, 可以调用: img.permute(2, 0, 1)

4. 维度逆序

• Tensor.T(deprecated)

相当于 Tensor.permute(n-1, n-2, …, 0), 在未来的版本 Tensor.T 仅对二维张量有效, 即矩阵转置

• Tensor.mT

末尾两个维度表示矩阵, 前面的所有维度表示 mini-batch, 仅对末尾两个维度逆序, 其余维度的顺序保持不变

>>> t = torch.arange(6).view(1,2,3)
>>> t.shape
torch.Size([1, 2, 3])
>>> t.permute(2, 1, 0).shape
torch.Size([3, 2, 1])
>>> t.T.shape
torch.Size([3, 2, 1])

插入或移除维度

• 插入大小为 1 的维度 Tensor.unsqueeze(dim)

• 删除大小为 1 的维度 Tensor.squeeze(dim=None) dim 为 None 时删除所有的 1-dim

dim 参数指定插入或删除的索引位

>>> t = torch.arange(4).view(2, -1)
>>> t.shape
torch.Size([2, 2])# 在开头插入 1-dim
>>> t_2 = t.unsqueeze(0)
>>> t_2.shape
torch.Size([1, 2, 2])# 在末尾插入 1-dim
>>> t_3 = t_2.unsqueeze(-1)
>>> t_3.shape
torch.Size([1, 2, 2, 1])# squeeze 默认移除所有的 1-dim
>>> t_3.squeeze().shape
torch.Size([2, 2])

维度数据重复

1. Tensor.expand(*sizes)

*sizes 参数指定扩张后各个维度的大小, -1 表示表示该维度不扩张, 仅能对 1-dim 进行数据扩张

该方法不会额外分配空间, 与原张量共享底层数据, 可以在左侧新增维度

>>> t = torch.tensor([1, 2]).view(2, 1)
>>> t
tensor([[1],[2]])
>>> t.shape
torch.Size([2, 1])# 将维度 (2, 1) 扩张为 (2, 3), 
# 原维度 (2, 1) 中的 2 保持不变, 1 扩为 2
>>> e = t.expand(-1, 2)
>>> e
tensor([[1, 1, 1],[2, 2, 2]])
>>> e.shape
torch.Size([2, 3])# 修改原张量会影响到扩张后的张量
>>> t[0, 0] = 0
>>> e
tensor([[0, 0, 0],[2, 2, 2]])

2. Tensor.repeat(*sizes)

*sizes 参数指定各个维度的重复次数, 重复 1 次等同于维度保持不变

该方法复制底层数据, 与 Tensor.expand() 类似也可以在左侧新增维度

>>> t = torch.tensor([1, 2]).view(2, 1)
>>> t
tensor([[1],[2]])
>>> t.shape
torch.Size([2, 1])# # 原维度 (2, 1) 中的 2 和 1 均重复 2 次
>>> r = t.repeat(2, 2)
>>> r.shape
torch.Size([4, 2])
>>> r
tensor([[1, 1],[2, 2],[1, 1],[2, 2]])

拼接

torch.cat(tensors, dim=0) 拼接多个张量, 除了 dim 参数指定的拼接维度, 其他维度必须一致

>>> a = torch.arange(3, 9).view(3, 2).t()
>>> a
tensor([[3, 5, 7],[4, 6, 8]])
>>> b = torch.tensor([[1], [2]])
>>> b
tensor([[1],[2]])
>>> b.shape
torch.Size([2, 1])
# 维度(2, 3)与维度(2, 1)拼接
# 第 1 个维度相同(都是 2), 第 2 个维度不同(在此维度上拼接)
>>> torch.cat([b, a], dim=1)
tensor([[1, 3, 5, 7],[2, 4, 6, 8]])

叠加

torch.stack(tensors, dim=0) 叠加多个张量, 所有张量的维度必须一致, dim 指定叠加后新增的维度

>>> t = torch.arange(4).view(2, 2)
>>> t
tensor([[0, 1],[2, 3]])
# 叠加后变成三维张量
>>> n = torch.stack([t, t, t], dim=2)
>>> n
tensor([[[0, 0, 0],[1, 1, 1]],[[2, 2, 2],[3, 3, 3]]])
>>> n.shape
torch.Size([2, 2, 3])

与 torch.cat 保持原有的维度数量不同, torch.stack 会新增一个维度

分割

沿着指定的维度分割张量

• Tensor.split(split_size, dim=0)
• torch.split(tensor, split_size, dim=0)

参数 split_size:

• 整数: 表示分割后每一块的大小(最后一块可能略小)
• 列表: 具体指定每一个块的大小

>>> t = torch.arange(10).view(2, 5)
>>> t
tensor([[0, 1, 2, 3, 4],[5, 6, 7, 8, 9]])
# 按列分割, 每一个张量均为 2 列, 一共有 5 列, 最后一个张量不够分, 仅有 1 列
>>> t.split(2, dim=1)
(tensor([[0, 1],[5, 6]]),tensor([[2, 3],[7, 8]]),tensor([[4],[9]]))
# 3 个张量分别为 1, 3, 1 列
>>> t.split([1, 3, 1], dim=1)
(tensor([[0],[5]]),tensor([[1, 2, 3],[6, 7, 8]]),tensor([[4],[9]]))

分割后的张量是原张量的视图

分块

chunk 与 split 功能基本相同, 不同之处在于: chunk 的参数指定了分块的数量, 而 split 的参数指定每一个分块的大小

• Tensor.chunk(chunks, dim=0)
• torch.chunk(input, chunks, dim=0)

>>> t = torch.arange(10).view(2, 5)
>>> t
tensor([[0, 1, 2, 3, 4],[5, 6, 7, 8, 9]])
# 将 5 列分为 3 块, 没法均分, 最后一块略小
>>> t.chunk(3, dim=1)
(tensor([[0, 1],[5, 6]]),tensor([[2, 3],[7, 8]]),tensor([[4],[9]]))

分块后的张量也是原张量的视图