操作 TensorDict 的形狀

作者: Tom Begley

在本教學中，您將學習如何操作 TensorDict 及其內容的形狀。

當我們建立 TensorDict 時，我們會指定一個 batch_size，它必須與 TensorDict 中所有條目的前導維度一致。由於我們保證所有條目都具有共同的維度，因此 TensorDict 能夠公開許多方法，我們可以使用這些方法來操作 TensorDict 及其內容的形狀。

import torch
from tensordict.tensordict import TensorDict

索引 TensorDict

由於批次維度保證存在於所有條目上，我們可以隨意索引它們，並且 TensorDict 的每個條目都將以相同的方式進行索引。

a = torch.rand(3, 4)
b = torch.rand(3, 4, 5)
tensordict = TensorDict({"a": a, "b": b}, batch_size=[3, 4])

indexed_tensordict = tensordict[:2, 1]
assert indexed_tensordict["a"].shape == torch.Size([2])
assert indexed_tensordict["b"].shape == torch.Size([2, 5])

重塑 TensorDict

TensorDict.reshape 的工作方式與 torch.Tensor.reshape() 完全相同。它沿著批次維度應用於 TensorDict 的所有內容 - 請注意下面範例中 b 的形狀。它也會更新 batch_size 屬性。

reshaped_tensordict = tensordict.reshape(-1)
assert reshaped_tensordict.batch_size == torch.Size([12])
assert reshaped_tensordict["a"].shape == torch.Size([12])
assert reshaped_tensordict["b"].shape == torch.Size([12, 5])

分割 TensorDict

TensorDict.split 類似於 torch.Tensor.split()。它會將 TensorDict 分割成多個區塊。每個區塊都是一個 TensorDict，其結構與原始 TensorDict 相同，但其中的條目是原始 TensorDict 中相應條目的視圖。

chunks = tensordict.split([3, 1], dim=1)
assert chunks[0].batch_size == torch.Size([3, 3])
assert chunks[1].batch_size == torch.Size([3, 1])
torch.testing.assert_close(chunks[0]["a"], tensordict["a"][:, :-1])

注意

每當函數或方法接受 dim 參數時，負數維度會根據調用該函數或方法的 TensorDict 的 batch_size 進行相對解釋。特別是，如果存在具有不同批次大小的巢狀 TensorDict 值，則負數維度始終根據根節點的批次維度進行相對解釋。

>>> tensordict = TensorDict(
...     {
...         "a": torch.rand(3, 4),
...         "nested": TensorDict({"b": torch.rand(3, 4, 5)}, [3, 4, 5])
...     },
...     [3, 4],
... )
>>> # dim = -2 will be interpreted as the first dimension throughout, as the root
>>> # TensorDict has 2 batch dimensions, even though the nested TensorDict has 3
>>> chunks = tensordict.split([2, 1], dim=-2)
>>> assert chunks[0].batch_size == torch.Size([2, 4])
>>> assert chunks[0]["nested"].batch_size == torch.Size([2, 4, 5])

從這個範例中可以看到，TensorDict.split 方法的行為就像我們在呼叫之前，將 dim=-2 替換為 dim=tensordict.batch_dims - 2 一樣。

Unbind

TensorDict.unbind 類似於 torch.Tensor.unbind()，並且在概念上類似於 TensorDict.split。它會移除指定的維度，並傳回沿該維度的所有切片的 tuple。

slices = tensordict.unbind(dim=1)
assert len(slices) == 4
assert all(s.batch_size == torch.Size([3]) for s in slices)
torch.testing.assert_close(slices[0]["a"], tensordict["a"][:, 0])

堆疊與串聯

TensorDict 可以與 torch.cat 和 torch.stack 結合使用。

堆疊 TensorDict

堆疊可以延遲或連續地完成。延遲堆疊只是將 tensordict 列表呈現為 tensordict 堆疊。它允許使用者攜帶具有不同內容形狀、裝置或金鑰集的 tensordict 包。另一個優點是堆疊操作可能非常昂貴，如果只需要一小部分金鑰，延遲堆疊會比適當的堆疊快得多。它依賴於 LazyStackedTensorDict 類別。在這種情況下，只有在存取值時才會按需堆疊它們。

from tensordict import LazyStackedTensorDict

cloned_tensordict = tensordict.clone()
stacked_tensordict = LazyStackedTensorDict.lazy_stack(
    [tensordict, cloned_tensordict], dim=0
)
print(stacked_tensordict)

# Previously, torch.stack was always returning a lazy stack. For consistency with
# the regular PyTorch API, this behaviour will soon be adapted to deliver only
# dense tensordicts. To control which behaviour you are relying on, you can use
# the :func:`~tensordict.utils.set_lazy_legacy` decorator/context manager:

from tensordict.utils import set_lazy_legacy

with set_lazy_legacy(True):  # old behaviour
    lazy_stack = torch.stack([tensordict, cloned_tensordict])
assert isinstance(lazy_stack, LazyStackedTensorDict)

with set_lazy_legacy(False):  # new behaviour
    dense_stack = torch.stack([tensordict, cloned_tensordict])
assert isinstance(dense_stack, TensorDict)

LazyStackedTensorDict(
    fields={
        a: Tensor(shape=torch.Size([2, 3, 4]), device=cpu, dtype=torch.float32, is_shared=False),
        b: Tensor(shape=torch.Size([2, 3, 4, 5]), device=cpu, dtype=torch.float32, is_shared=False)},
    exclusive_fields={
    },
    batch_size=torch.Size([2, 3, 4]),
    device=None,
    is_shared=False,
    stack_dim=0)

如果我們沿著堆疊維度索引 LazyStackedTensorDict，我們會恢復原始 TensorDict。

assert stacked_tensordict[0] is tensordict
assert stacked_tensordict[1] is cloned_tensordict

存取 LazyStackedTensorDict 中的金鑰會導致這些值被堆疊。如果金鑰對應於巢狀 TensorDict，那麼我們將恢復另一個 LazyStackedTensorDict。

assert stacked_tensordict["a"].shape == torch.Size([2, 3, 4])

注意

由於值是按需堆疊的，因此多次存取一個項目意味著它會被多次堆疊，這是低效率的。如果您需要多次存取堆疊的 TensorDict 中的值，您可能需要考慮將 LazyStackedTensorDict 轉換為連續的 TensorDict，這可以使用 LazyStackedTensorDict.to_tensordict 或 LazyStackedTensorDict.contiguous 方法來完成。

>>> assert isinstance(stacked_tensordict.contiguous(), TensorDict)
>>> assert isinstance(stacked_tensordict.contiguous(), TensorDict)

在呼叫其中任一方法後，我們將擁有一個包含堆疊值的常規 TensorDict，並且在存取值時不會執行額外的計算。

串聯 TensorDict

串聯不是延遲執行的，而是直接在 torch.cat() 中呼叫 TensorDict 實例的列表，它只會回傳一個 TensorDict，其條目是列表元素的串聯條目。

concatenated_tensordict = torch.cat([tensordict, cloned_tensordict], dim=0)
assert isinstance(concatenated_tensordict, TensorDict)
assert concatenated_tensordict.batch_size == torch.Size([6, 4])
assert concatenated_tensordict["b"].shape == torch.Size([6, 4, 5])

擴展 TensorDict

我們可以使用 TensorDict.expand 來擴展 TensorDict 的所有條目。

exp_tensordict = tensordict.expand(2, *tensordict.batch_size)
assert exp_tensordict.batch_size == torch.Size([2, 3, 4])
torch.testing.assert_close(exp_tensordict["a"][0], exp_tensordict["a"][1])

壓縮和取消壓縮 TensorDict

我們可以使用 squeeze() 和 unsqueeze() 方法來壓縮或取消壓縮 TensorDict 的內容。

tensordict = TensorDict({"a": torch.rand(3, 1, 4)}, [3, 1, 4])
squeezed_tensordict = tensordict.squeeze()
assert squeezed_tensordict["a"].shape == torch.Size([3, 4])
print(squeezed_tensordict, end="\n\n")

unsqueezed_tensordict = tensordict.unsqueeze(-1)
assert unsqueezed_tensordict["a"].shape == torch.Size([3, 1, 4, 1])
print(unsqueezed_tensordict)

TensorDict(
    fields={
        a: Tensor(shape=torch.Size([3, 4]), device=cpu, dtype=torch.float32, is_shared=False)},
    batch_size=torch.Size([3, 4]),
    device=None,
    is_shared=False)

TensorDict(
    fields={
        a: Tensor(shape=torch.Size([3, 1, 4, 1]), device=cpu, dtype=torch.float32, is_shared=False)},
    batch_size=torch.Size([3, 1, 4, 1]),
    device=None,
    is_shared=False)

注意

到目前為止，像 unsqueeze()、squeeze()、view()、permute()、transpose() 這樣的操作都會回傳這些操作的延遲版本（也就是，一個儲存原始 tensordict 的容器，並且每次存取 key 時都會套用操作）。這種行為在未來將會被棄用，並且可以透過 set_lazy_legacy() 函式來控制。

>>> with set_lazy_legacy(True):
...     lazy_unsqueeze = tensordict.unsqueeze(0)
>>> with set_lazy_legacy(False):
...     dense_unsqueeze = tensordict.unsqueeze(0)

請記住，這些方法始終只適用於批次維度。條目的任何非批次維度都不會受到影響。

tensordict = TensorDict({"a": torch.rand(3, 1, 1, 4)}, [3, 1])
squeezed_tensordict = tensordict.squeeze()
# only one of the singleton dimensions is dropped as the other
# is not a batch dimension
assert squeezed_tensordict["a"].shape == torch.Size([3, 1, 4])

檢視 TensorDict

TensorDict 也支援 view。這會建立一個 _ViewedTensorDict，當存取其內容時，會延遲地建立檢視。

tensordict = TensorDict({"a": torch.arange(12)}, [12])
# no views are created at this step
viewed_tensordict = tensordict.view((2, 3, 2))

# the view of "a" is created on-demand when we access it
assert viewed_tensordict["a"].shape == torch.Size([2, 3, 2])

置換批次維度

TensorDict.permute 方法可以用來置換批次維度，很像 torch.permute()。非批次維度保持不變。

這個操作是延遲的，所以只有在我們嘗試存取條目時，才會置換批次維度。一如既往，如果您可能需要多次存取特定條目，請考慮轉換為 TensorDict。

tensordict = TensorDict({"a": torch.rand(3, 4), "b": torch.rand(3, 4, 5)}, [3, 4])
# swap the batch dimensions
permuted_tensordict = tensordict.permute([1, 0])

assert permuted_tensordict["a"].shape == torch.Size([4, 3])
assert permuted_tensordict["b"].shape == torch.Size([4, 3, 5])

將 tensordict 用作裝飾器

對於一堆可逆的操作，tensordict 可以用作裝飾器。這些操作包括用於函數呼叫的 to_module()、unlock_() 和 lock_() 或形狀操作，例如 view()、permute() transpose()、squeeze() 和 unsqueeze()。以下是一個使用 transpose 函式的快速範例。

tensordict = TensorDict({"a": torch.rand(3, 4), "b": torch.rand(3, 4, 5)}, [3, 4])

with tensordict.transpose(1, 0) as tdt:
    tdt.set("c", torch.ones(4, 3))  # we have permuted the dims

# the ``"c"`` entry is now in the tensordict we used as decorator:
#

assert (tensordict.get("c") == 1).all()

在 TensorDict 中收集數值

TensorDict.gather 方法可以用來沿著批次維度進行索引，並將結果收集到單一維度中，很像 torch.gather()。

index = torch.randint(4, (3, 4))
gathered_tensordict = tensordict.gather(dim=1, index=index)
print("index:\n", index, end="\n\n")
print("tensordict['a']:\n", tensordict["a"], end="\n\n")
print("gathered_tensordict['a']:\n", gathered_tensordict["a"], end="\n\n")

index:
 tensor([[2, 3, 2, 1],
        [3, 3, 0, 0],
        [3, 1, 1, 2]])

tensordict['a']:
 tensor([[0.1814, 0.2808, 0.2381, 0.4003],
        [0.1536, 0.0138, 0.4464, 0.6981],
        [0.9308, 0.0727, 0.3552, 0.4791]])

gathered_tensordict['a']:
 tensor([[0.2381, 0.4003, 0.2381, 0.2808],
        [0.6981, 0.6981, 0.1536, 0.1536],
        [0.4791, 0.0727, 0.0727, 0.3552]])