【学习笔记】深入浅出详解Pytorch中的View, reshape, unfold，flatten等方法。

一、写在前面

最近在解析transformer源码的时候突然看到了unfold？我在想unfold是什么意思？为什么不用reshape，他们的底层逻辑有什么区别呢？于是便相对比一下他们之间的区别，便有了本篇博客，希望对大家有帮助！

二、Reshape

（一）用法

1. torch.reshape(input, shape)
输入是tensor和shape，其中原始shape和目标shape的元素数量要一致。

2. Tensor.reshape(shape) → Tensor
与上述用法一致，只不过这个是直接在tensor的基础上进行reshape。

reshpe是按照顺序进行重新排列组合的。
[16,2] 其实与 [4,2,2,2] 是一样的，只要最后一维的数字是一样，其实结果都是一样的。

（二）代码展示

三、Unfold

（一）torch.unfold 的基本概念

torch.unfold 的作用是将输入张量的某个维度展开为多个滑动窗口。每个窗口包含一个局部区域，这些区域可以用于后续的计算。

1. 语法：

torch.Tensor.unfold(dimension, size, step)

2. 参数：
   • dimension：要展开的维度（整数）。
   • size：滑动窗口的大小（整数）。
   • step：滑动窗口的步长（整数）。
   • 返回值：返回一个新的张量，其中指定维度的每个元素被展开为多个滑动窗口。

（二）torch.unfold 的工作原理

假设我们有一个形状为 (N, C, H, W) 的张量（例如图像数据），我们希望在高度维度（H）上提取滑动窗口。

• 输入张量：(N, C, H, W)
• 展开维度：dimension=2（即高度维度 H）
• 窗口大小：size=k（例如 k=3）
• 步长：step=s（例如 s=1）

torch.unfold 会将高度维度 H 展开为多个大小为 k 的滑动窗口，每个窗口之间间隔 s。

（三） 示例代码

• 示例 1：一维张量的展开

import torch
# 创建一个一维张量
x = torch.arange(10)
print("原始张量:", x)# 使用 unfold 展开
unfolded = x.unfold(dimension=0, size=3, step=1)
print("展开后的张量:\n", unfolded)

• 输出：

原始张量: tensor([0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9])
展开后的张量:tensor([[0, 1, 2],[1, 2, 3],[2, 3, 4],[3, 4, 5],[4, 5, 6],[5, 6, 7],[6, 7, 8],[7, 8, 9]])

• 示例 2：二维张量的展开（图像处理）

import torch
# 创建一个二维张量（模拟图像）x = torch.arange(16).reshape(1, 1, 4, 4)  # 形状为 (1, 1, 4, 4)print("原始张量:\n", x)# 使用 unfold 展开unfolded_1 = x.unfold(dimension=2, size=3, step=1)unfolded_2 = unfolded_1.unfold(dimension=3, size=3, step=1)print("展开后的张量形状:", unfolded_1.shape)print("展开后的张量:\n", unfolded_1)print("展开后的张量形状:", unfolded_2.shape)print("展开后的张量:\n", unfolded_2)

• 输出：

原始张量:tensor([[[[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11],[12, 13, 14, 15]]]])
展开后的张量形状: torch.Size([1, 1, 2, 4, 3])
展开后的张量:tensor([[[[[ 0,  4,  8],[ 1,  5,  9],[ 2,  6, 10],[ 3,  7, 11]],[[ 4,  8, 12],[ 5,  9, 13],[ 6, 10, 14],[ 7, 11, 15]]]]])
展开后的张量形状: torch.Size([1, 1, 2, 2, 3, 3])
展开后的张量:tensor([[[[[[ 0,  1,  2],[ 4,  5,  6],[ 8,  9, 10]],[[ 1,  2,  3],[ 5,  6,  7],[ 9, 10, 11]]],[[[ 4,  5,  6],[ 8,  9, 10],[12, 13, 14]],[[ 5,  6,  7],[ 9, 10, 11],[13, 14, 15]]]]]])

数组的运算主要看最后两维，倒数第二维代表行，倒数第一维代表列。

（四）torch.unfold 的应用场景

1. 卷积操作

在卷积神经网络（CNN）中，卷积核通过滑动窗口的方式提取图像的局部特征。torch.unfold 可以用于手动实现卷积操作。

2. 图像处理

在图像处理中，torch.unfold 可以用于提取图像的局部区域（例如提取图像的滑动窗口）。

3. 时间序列分析

在时间序列分析中，torch.unfold 可以用于提取时间序列的滑动窗口，用于特征提取或模型训练。

（五）注意事项

1. 维度选择：需要明确指定要展开的维度（dimension）。
2. 窗口大小和步长：窗口大小（size）和步长（step）的选择会影响展开后的张量形状。
3. 内存消耗：torch.unfold 可能会生成较大的张量，尤其是在高维数据上使用时，需要注意内存消耗。

（六）总结

1. torch.unfold 的作用：从张量的某个维度提取滑动窗口。
2. 常用参数：dimension（展开维度）、size（窗口大小）、step（步长）。
3. 应用场景：卷积操作、图像处理、时间序列分析等。
4. 注意事项：选择合适的维度、窗口大小和步长，避免内存消耗过大。

四、View

torch.view 用于返回一个与原始张量共享相同数据存储的新张量，但具有不同的形状。换句话说，view 只是改变了张量的视图（view），而不会复制数据。

（一）用法

1. Tensor.view(*shape)：
   • 参数：

   *shape：新的形状（可以是整数或元组）。

   • 返回值：

   返回一个新的张量，具有指定的形状，并与原始张量共享相同的数据存储。

（二）注意事项

1. view 返回的张量与原始张量共享相同的数据存储。
2. 如果原始张量的数据发生变化，view 返回的张量也会随之变化。
3. view 要求张量的内存必须是连续的（即张量在内存中是连续存储的）。如果内存不连续，view 会抛出错误。

（三）其他方法

1. view_as

• 作用：将当前张量转换为与另一个张量相同的形状。
• 语法：

torch.Tensor.view_as(other)

• 参数：

other：目标张量，当前张量的形状将被转换为与 other 相同的形状。

• 返回值：

返回一个新的张量，具有与 other 相同的形状，并与原始张量共享数据存储。

• 示例：

import torch
# 创建一个张量
x = torch.arange(12)
print("原始张量:", x)
# 创建目标张量
other = torch.empty(3, 4)
# 使用 view_as 改变形状
y = x.view_as(other)
print("改变形状后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量: tensor([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])
改变形状后的张量:tensor([[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11]])

2. view_as_real

• 作用：将复数张量转换为实数张量。
• 语法：

torch.Tensor.view_as_real()

• 返回值：

返回一个新的实数张量，形状为 (…, 2)，其中最后一个维度包含复数的实部和虚部。

• 示例：

import torch
# 创建一个复数张量
x = torch.tensor([1 + 2j, 3 + 4j])
print("原始张量:", x)
# 使用 view_as_real 转换为实数张量
y = x.view_as_real()
print("转换后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量: tensor([1.+2.j, 3.+4.j])
转换后的张量:tensor([[1., 2.],[3., 4.]])

3. view_as_complex

• 作用：将实数张量转换为复数张量。
• 语法：

torch.Tensor.view_as_complex()

• 返回值：

返回一个新的复数张量，形状为 (…,)，其中最后一个维度被解释为复数的实部和虚部。

• 示例：

import torch
# 创建一个实数张量
x = torch.tensor([[1., 2.], [3., 4.]])
print("原始张量:\n", x)
# 使用 view_as_complex 转换为复数张量
y = x.view_as_complex()
print("转换后的张量:", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[1., 2.],[3., 4.]])
转换后的张量: tensor([1.+2.j, 3.+4.j])

4. view_as_strided

• 作用：返回一个具有指定步长和内存布局的张量视图。
• 语法：

torch.Tensor.view_as_strided(size, stride)

• 参数：

size：新的形状（元组）。
stride：新的步长（元组）。

• 返回值：

返回一个新的张量，具有指定的形状和步长，并与原始张量共享数据存储。

• 示例：

import torch
# 创建一个张量
x = torch.arange(9).view(3, 3)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 view_as_strided 改变形状和步长
y = x.view_as_strided((2, 2), (1, 2))
print("改变形状和步长后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[0, 1, 2],[3, 4, 5],[6, 7, 8]])
改变形状和步长后的张量:tensor([[0, 2],[1, 3]])

5. view_as_real 和 view_as_complex 的应用场景

• 复数计算：

在涉及复数计算的任务中，view_as_real 和 view_as_complex 可以用于在复数和实数之间进行转换。

• 信号处理：

在信号处理中，复数张量常用于表示频域信号，view_as_real 和 view_as_complex 可以用于频域和时域之间的转换。

6. view_as_strided 的应用场景

• 自定义内存布局：

在需要自定义内存布局的场景中，view_as_strided 可以用于创建具有特定步长和形状的张量视图。

• 高效内存访问：

在需要高效访问内存的场景中，view_as_strided 可以用于优化内存访问模式。

五、Flatten

（一）torch.flatten 的基本概念

torch.flatten 的作用是将输入张量的指定维度展平为一维。它可以展平整个张量，也可以只展平部分维度。

1. 语法：

torch.flatten(input, start_dim=0, end_dim=-1)

2. 参数：

   • input：输入张量。
   • start_dim：开始展平的维度（整数），默认为 0。
   • end_dim：结束展平的维度（整数），默认为 -1。
   • 返回值：返回一个新的张量，具有展平后的形状。

（二）torch.flatten 的工作原理

1. torch.flatten 会将指定范围内的维度展平为一维。
2. 如果 start_dim=0 且 end_dim=-1，则整个张量会被展平为一维。
3. 如果只展平部分维度，则其他维度保持不变。

（三）示例代码

• 示例 1：展平整个张量

import torch
# 创建一个二维张量
x = torch.arange(12).view(3, 4)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平整个张量
y = torch.flatten(x)
print("展平后的张量:", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11]])
展平后的张量: tensor([ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11])

• 示例 2：展平部分维度

import torch
# 创建一个三维张量
x = torch.arange(24).view(2, 3, 4)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平第二个维度到第三个维度
y = torch.flatten(x, start_dim=1, end_dim=2)
print("展平后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11]],[[12, 13, 14, 15],[16, 17, 18, 19],[20, 21, 22, 23]]])
展平后的张量:tensor([[ 0,  1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11],[12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23]])

• 示例 3：展平特定维度

import torch
# 创建一个四维张量
x = torch.arange(24).view(2, 2, 3, 2)
print("原始张量:\n", x)
# 使用 flatten 展平第三个维度
y = torch.flatten(x, start_dim=2, end_dim=2)
print("展平后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[[[ 0,  1],[ 2,  3],[ 4,  5]],[[ 6,  7],[ 8,  9],[10, 11]]],[[[12, 13],[14, 15],[16, 17]],[[18, 19],[20, 21],[22, 23]]]])
展平后的张量:tensor([[[ 0,  1,  2,  3,  4,  5],[ 6,  7,  8,  9, 10, 11]],[[12, 13, 14, 15, 16, 17],[18, 19, 20, 21, 22, 23]]])

六、Permute

（一）torch.permute 的基本概念

torch.permute 的作用是将输入张量的维度按照指定的顺序重新排列。它类似于 NumPy 中的 transpose，但更加灵活，可以同时对多个维度进行排列。

1. 语法：

torch.Tensor.permute(*dims)

2. 参数：
   • *dims：新的维度顺序（元组或多个整数）。
   • 返回值：返回一个新的张量，具有重新排列后的维度顺序，并与原始张量共享数据存储。

（二）torch.permute 的工作原理

torch.permute 会将输入张量的维度按照指定的顺序重新排列。
新的维度顺序必须与原始张量的维度数量相同，并且每个维度索引只能出现一次。

（三） 示例代码

1. 示例 1：二维张量的转置

import torch
# 创建一个二维张量
x = torch.arange(12).view(3, 4)
print("原始张量:\n", x)# 使用 permute 转置
y = x.permute(1, 0)  # 将维度 0 和 1 交换
print("转置后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11]])
转置后的张量:tensor([[ 0,  4,  8],[ 1,  5,  9],[ 2,  6, 10],[ 3,  7, 11]])

2. 示例 2：三维张量的维度重排

import torch
# 创建一个三维张量
x = torch.arange(24).view(2, 3, 4)
print("原始张量:\n", x)# 使用 permute 重排维度
y = x.permute(2, 0, 1)  # 将维度 0, 1, 2 重排为 2, 0, 1
print("重排后的张量形状:", y.shape)
print("重排后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[[ 0,  1,  2,  3],[ 4,  5,  6,  7],[ 8,  9, 10, 11]],[[12, 13, 14, 15],[16, 17, 18, 19],[20, 21, 22, 23]]])
重排后的张量形状: torch.Size([4, 2, 3])
重排后的张量:tensor([[[ 0,  4,  8],[12, 16, 20]],[[ 1,  5,  9],[13, 17, 21]],[[ 2,  6, 10],[14, 18, 22]],[[ 3,  7, 11],[15, 19, 23]]])

3. 示例 3：四维张量的维度重排

import torch
# 创建一个四维张量
x = torch.arange(24).view(2, 2, 3, 2)
print("原始张量:\n", x)# 使用 permute 重排维度
y = x.permute(3, 1, 2, 0)  # 将维度 0, 1, 2, 3 重排为 3, 1, 2, 0
print("重排后的张量形状:", y.shape)
print("重排后的张量:\n", y)

• 输出：

原始张量:tensor([[[[ 0,  1],[ 2,  3],[ 4,  5]],[[ 6,  7],[ 8,  9],[10, 11]]],[[[12, 13],[14, 15],[16, 17]],[[18, 19],[20, 21],[22, 23]]]])
重排后的张量形状: torch.Size([2, 2, 3, 2])
重排后的张量:tensor([[[[ 0, 12],[ 2, 14],[ 4, 16]],[[ 6, 18],[ 8, 20],[10, 22]]],[[[ 1, 13],[ 3, 15],[ 5, 17]],[[ 7, 19],[ 9, 21],[11, 23]]]])

（四） torch.permute 的应用场景

1. 图像处理

在图像处理中，torch.permute 可以用于调整图像的通道顺序。例如，将 (C, H, W) 的图像张量转换为 (H, W, C)。

2. 深度学习模型输入

在深度学习中，模型的输入张量通常需要特定的维度顺序。torch.permute 可以用于调整输入张量的维度顺序。

3. 数据预处理

在数据预处理中，torch.permute 可以用于调整数据的维度顺序，以便进行后续的计算或操作。

如果每一维度都有特定的含义，此时想改变维度的时候用permute。

七、总结

1. reshape 与 view 几乎一致， 甚至可以说reshape可以代替view；
2. reshape 与 permute 的区别在于，reshape是按照顺序重新进行排列组合，permute是按照维度进行重新排列组合，如果各个维度都有特定的意义，那么permute会更合适。
3. unfold是按照某一维度滑动选取数据，新增加一维，新增加的维度的大小为滑动窗口的大小，原始维度会根据滑动窗口和step的大小而变化。
4. flatten也是按照顺序进行展开，且展开的是某个范围的维度，不是特定的维度。
5. 不管是几维数组，主要看最后两维，倒数第二维代表行，倒数第一维代表列。