【稀疏矩阵】使用torch.sparse模块

2024-09-05 12:44

本文主要是介绍【稀疏矩阵】使用torch.sparse模块,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

文章目录

  • 稀疏矩阵的格式
    • coo
    • csr
    • csc
  • Construction of Sparse COO tensors
  • Construction of CSR tensors
  • Linear Algebra operations(稀疏与稠密之间混合运算)
  • Tensor methods and sparse(与稀疏有关的tensor成员函数)
    • coo张量可用的tensor成员函数(经实测,csr也有一些可以用,比如dim())
  • Torch functions specific to sparse Tensors(与稀疏有关的torch函数)
  • 支持稀疏张量的常规torch函数
  • 支持稀疏张量的一元函数


稀疏矩阵的格式

目前,torch.sparse和scipy.sparse模块比较支持的主流的稀疏矩阵格式有coo格式、csr格式和csc格式,这三种格式中可供使用的API也最多。

coo

将矩阵中非零元素的坐标和值分开存储在3个数组中,3个数组长度必须相同,表示有n个非零元素。

在这里插入图片描述

csr

Index PointersIndicesData3个数组存储。

  • Index Pointers:第 i个元素记录这个矩阵的第 i行的第1个非零值在 Data数组的起始位置,第 i+1个元素记录这个矩阵的第 i行的最后一个非零值在 Data数组的终止位置(不包含右边界)。因此,这个矩阵的行数等于 len(Index Pointers)-1,第 i行非零值的个数等于 Index Pointers[i+1]-Index Pointers[i]
  • Indices:第 i个元素记录这个矩阵的第 i个非零值的列坐标。
  • Data:第 i个元素记录这个矩阵的第 i个非零值的具体数值,排列顺序严格按照行优先,列次先

在这里插入图片描述

csc

与csr唯一的不同在于列优先,其他规则一模一样。

在这里插入图片描述

Construction of Sparse COO tensors

  1. 常规构建
>>> i = [[0, 1, 1],[2, 0, 2]]
>>> v =  [3, 4, 5]
>>> s = torch.sparse_coo_tensor(i, v, (2, 3))
>>> s
tensor(indices=tensor([[0, 1, 1],[2, 0, 2]]),values=tensor([3, 4, 5]),size=(2, 3), nnz=3, layout=torch.sparse_coo)
>>> s.to_dense()
tensor([[0, 0, 3],[4, 0, 5]])

torch中,稀疏矩阵的存储方式记录在 tensor.layout中,可以通过检查 torch.layout == torch.sparse_coo来判断是否是coo张量。此外,稠密张量的 layout等于 strided

  1. 稠密混合的coo张量
>>> i = [[0, 1, 1],[2, 0, 2]]
>>> v =  [[3, 4], [5, 6], [7, 8]]
>>> s = torch.sparse_coo_tensor(i, v, (2, 3, 2))
>>> s
tensor(indices=tensor([[0, 1, 1],[2, 0, 2]]),values=tensor([[3, 4],[5, 6],[7, 8]]),size=(2, 3, 2), nnz=3, layout=torch.sparse_coo)

此方案与常规的coo构建方式不同,values中每个元素可以是一个向量,表示对应坐标的稠密张量,因此,创建出的coo张量也多出了一个维度。

  1. 带有重复坐标的coo张量
>>> i = [[1, 1]]
>>> v =  [3, 4]
>>> s=torch.sparse_coo_tensor(i, v, (3,))
>>> s
tensor(indices=tensor([[1, 1]]),values=tensor(  [3, 4]),size=(3,), nnz=2, layout=torch.sparse_coo)
>>> s.to_dense()
tensor([0, 7, 0])

如果输入的坐标有重复,则创建出的coo张量会自动把坐标重复的元素值相加。此外,可以通过成员函数 .coalesce()把重复坐标的元素值相加,将这个coo转换成一个不重复的张量;也可以通过 .is_coalesced()检查这个coo是否存在重复的坐标。

Construction of CSR tensors

按照 Index PointersIndicesData三个数组的定义构建即可。

>>> crow_indices = torch.tensor([0, 2, 4])
>>> col_indices = torch.tensor([0, 1, 0, 1])
>>> values = torch.tensor([1, 2, 3, 4])
>>> csr = torch.sparse_csr_tensor(crow_indices, col_indices, values, dtype=torch.float64)
>>> csr
tensor(crow_indices=tensor([0, 2, 4]),col_indices=tensor([0, 1, 0, 1]),values=tensor([1., 2., 3., 4.]), size=(2, 2), nnz=4,dtype=torch.float64)
>>> csr.to_dense()
tensor([[1., 2.],[3., 4.]], dtype=torch.float64)

Linear Algebra operations(稀疏与稠密之间混合运算)

M表示2-D张量,V表示1-D张量,f表示标量,*表示逐元素乘法,@表示矩阵乘法。M[SparseSemiStructured]表示一种半结构化的稀疏矩阵,此处不再展开,可以自行去torch官网察看。

PyTorch operationSparse gradLayout signature
torch.mv()noM[sparse_coo] @ V[strided] -> V[strided]
torch.mv()noM[sparse_csr] @ V[strided] -> V[strided]
torch.matmul()noM[sparse_coo] @ M[strided] -> M[strided]
torch.matmul()noM[sparse_csr] @ M[strided] -> M[strided]
torch.matmul()noM[SparseSemiStructured] @ M[strided] -> M[strided]
torch.matmul()noM[strided] @ M[SparseSemiStructured] -> M[strided]
torch.mm()noM[strided] @ M[SparseSemiStructured] -> M[strided]
torch.mm()noM[sparse_coo] @ M[strided] -> M[strided]
torch.mm()noM[SparseSemiStructured] @ M[strided] -> M[strided]
torch.sparse.mm()yesM[sparse_coo] @ M[strided] -> M[strided]
torch.smm()noM[sparse_coo] @ M[strided] -> M[sparse_coo]
torch.hspmm()noM[sparse_coo] @ M[strided] -> M[hybrid sparse_coo]
torch.bmm()noT[sparse_coo] @ T[strided] -> T[strided]
torch.addmm()nof * M[strided] + f * (M[sparse_coo] @ M[strided]) -> M[strided]
torch.addmm()nof * M[strided] + f * (M[SparseSemiStructured] @ M[strided]) -> M[strided]
torch.addmm()nof * M[strided] + f * (M[strided] @ M[SparseSemiStructured]) -> M[strided]
torch.sparse.addmm()yesf * M[strided] + f * (M[sparse_coo] @ M[strided]) -> M[strided]
torch.sspaddmm()nof * M[sparse_coo] + f * (M[sparse_coo] @ M[strided]) -> M[sparse_coo]
torch.lobpcg()noGENEIG(M[sparse_coo]) -> M[strided], M[strided]
torch.pca_lowrank()yesPCA(M[sparse_coo]) -> M[strided], M[strided], M[strided]
torch.svd_lowrank()yesSVD(M[sparse_coo]) -> M[strided], M[strided], M[strided]

以上API中,如果 Layout signature中提供了 @或者 *操作符,就不需要记住API,直接通过操作符即可隐式调用对应的API。如:

>>> a = torch.tensor([[0, 0, 1, 0], [1, 2, 0, 0], [0, 0, 0, 0]], dtype=torch.float64)
>>> sp = a.to_sparse_csr()
>>> vec = torch.randn(4, 1, dtype=torch.float64)
>>> sp.matmul(vec)
tensor([[ 0.4788],[-3.2338],[ 0.0000]], dtype=torch.float64)
>>> sp @ vec
tensor([[ 0.4788],[-3.2338],[ 0.0000]], dtype=torch.float64)

需要注意的是,使用操作符在稀疏张量和稠密张量之间乘法运算时,返回的都是稠密张量。如果想要返回稀疏张量,需要显式使用torch.smm()

torch同样支持稀疏与稀疏之间的运算,但要求输入的稀疏张量必须具有相同的稀疏结构,否则会报错,返回的稀疏张量的稀疏结构也与输入相同。

乘法运算:

>>> a = torch.tensor([[0, 0, 1, 0], [1, 2, 0, 0], [0, 1, 0, 0], [1, 0, 0, 0]], dtype=torch.float64)
>>> b = torch.tensor([[0, 0, 2, 0], [3, 1, 0, 0], [0, 0, 4, 0], [1, 0, 0, 1]], dtype=torch.float64)
>>> sp1 = a.to_sparse_coo()
>>> sp2 = b.to_sparse_coo()
>>> sp1 @ sp2
tensor(indices=tensor([[0, 1, 1, 1, 2, 2, 3],[2, 0, 1, 2, 0, 1, 2]]),values=tensor([4., 6., 2., 2., 3., 1., 2.]),size=(4, 4), nnz=7, dtype=torch.float64, layout=torch.sparse_coo)

加法运算

>>> a = torch.tensor([[0, 0, 1, 0], [1, 2, 0, 0], [0, 1, 0, 0], [1, 0, 0, 0]], dtype=torch.float64)
>>> b = torch.tensor([[0, 0, 2, 0], [3, 1, 0, 0], [0, 0, 4, 0], [1, 0, 0, 1]], dtype=torch.float64)
>>> sp1 = a.to_sparse_coo()
>>> sp2 = b.to_sparse_coo()
>>> sp3 = b.to_sparse_csr()
>>> sp1 + sp2
tensor(indices=tensor([[0, 1, 1, 2, 2, 3, 3],[2, 0, 1, 1, 2, 0, 3]]),values=tensor([3., 4., 3., 1., 4., 2., 1.]),size=(4, 4), nnz=7, dtype=torch.float64, layout=torch.sparse_coo)
>>> sp1 + sp3
UserWarning: Sparse CSR tensor support is in beta state. If you miss a functionality in the sparse tensor support, please submit a feature request to https://github.com/pytorch/pytorch/issues. (Triggered internally at C:\actions-runner\_work\pytorch\pytorch\builder\windows\pytorch\aten\src\ATen\SparseCsrTensorImpl.cpp:55.)sp3 = b.to_sparse_csr()
Traceback (most recent call last):File "C:\Users\Xu Han\Desktop\pycharm-projects\MD_notes\main.py", line 18, in <module>print(sp1 + sp3)
RuntimeError: memory format option is only supported by strided tensors

Tensor methods and sparse(与稀疏有关的tensor成员函数)

PyTorch operationreturn
Tensor.is_sparseIsTrue if the Tensor uses sparse COO storage layout, False otherwise.
Tensor.is_sparse_csrIsTrue if the Tensor uses sparse CSR storage layout, False otherwise.
Tensor.dense_dimReturn the number of dense dimensions in a sparse tensorself.
Tensor.sparse_dimReturn the number of sparse dimensions in a sparse tensorself.

这里打断一下表格,讲解一下dense_dim和sparse_dim的含义。上文中,我们曾构建过稠密混合的coo张量,如下:

>>> i = [[0, 1, 1],[2, 0, 2]]
>>> v =  [[3, 4], [5, 6], [7, 8]]
>>> s = torch.sparse_coo_tensor(i, v, (2, 3, 2))
>>> s
tensor(indices=tensor([[0, 1, 1],[2, 0, 2]]),values=tensor([[3, 4],[5, 6],[7, 8]]),size=(2, 3, 2), nnz=3, layout=torch.sparse_coo)

那么,对于这个tensor,它的dense_dim为1,sparse_dim为2。

此外,在进行稀疏与稀疏之间的数学运算时,一定要保证稀疏张量的sparse_dim等于2.

继续表格。

PyTorch operationreturn
Tensor.sparse_maskReturns a new sparse tensor with values from a strided tensorself filtered by the indices of the sparse tensor mask.
Tensor.to_sparseReturns a sparse copy of the tensor.
Tensor.to_sparse_cooConvert a tensor to coordinate format.
Tensor.to_sparse_csrConvert a tensor to compressed row storage format (CSR).
Tensor.to_sparse_cscConvert a tensor to compressed column storage (CSC) format.
Tensor.to_sparse_bsrConvert a tensor to a block sparse row (BSR) storage format of given blocksize.
Tensor.to_sparse_bscConvert a tensor to a block sparse column (BSC) storage format of given blocksize.
Tensor.to_denseCreates a strided copy ofself if self is not a strided tensor, otherwise returns self.
Tensor.valuesReturn the values tensor of a sparse COO tensor.

以下是仅限coo张量的成员:

PyTorch operationreturn
Tensor.coalesceReturns a coalesced copy ofself if self is an uncoalesced tensor.
Tensor.sparse_resize_Resizesself sparse tensor to the desired size and the number of sparse and dense dimensions.
Tensor.sparse_resize_and_clear_Removes all specified elements from a sparse tensorself and resizes self to the desired size and the number of sparse and dense dimensions.
Tensor.is_coalescedReturnsTrue if self is a sparse COO tensor that is coalesced, False otherwise.
Tensor.indicesReturn the indices tensor of a sparse COO tensor.

以下是仅限csr和bsr张量的成员:

PyTorch operationreturn
Tensor.crow_indicesReturns the tensor containing the compressed row indices of theself tensor when self is a sparse CSR tensor of layout sparse_csr.
Tensor.col_indicesReturns the tensor containing the column indices of theself tensor when self is a sparse CSR tensor of layout sparse_csr.

以下是仅限csc和bsc张量的成员:

PyTorch operationreturn
Tensor.row_indices
Tensor.ccol_indices

coo张量可用的tensor成员函数(经实测,csr也有一些可以用,比如dim())

add() add_() addmm() addmm_() any() asin() asin_() arcsin() arcsin_() bmm() clone() deg2rad() deg2rad_() detach() detach_() dim() div() div_() floor_divide() floor_divide_() get_device() index_select() isnan() log1p() log1p_() mm() mul() mul_() mv() narrow_copy() neg() neg_() negative() negative_() numel() rad2deg() rad2deg_() resize_as_() size() pow() sqrt() square() smm() sspaddmm() sub() sub_() t() t_() transpose() transpose_() zero_()

Torch functions specific to sparse Tensors(与稀疏有关的torch函数)

PyTorch operationreturn
sparse_coo_tensorConstructs a sparse tensor in COO(rdinate) format with specified values at the givenindices.
sparse_csr_tensorConstructs a sparse tensor in CSR (Compressed Sparse Row) with specified values at the givencrow_indices and col_indices.
sparse_csc_tensorConstructs a sparse tensor in CSC (Compressed Sparse Column) with specified values at the givenccol_indices and row_indices.
sparse_bsr_tensorConstructs a sparse tensor in BSR (Block Compressed Sparse Row)) with specified 2-dimensional blocks at the givencrow_indices and col_indices.
sparse_bsc_tensorConstructs a sparse tensor in BSC (Block Compressed Sparse Column)) with specified 2-dimensional blocks at the givenccol_indices and row_indices.
sparse_compressed_tensorConstructs a sparse tensor in Compressed Sparse format - CSR, CSC, BSR, or BSC - with specified values at the givencompressed_indices and plain_indices.
sparse.sumReturn the sum of each row of the given sparse tensor.
sparse.addmmThis function does exact same thing as torch.addmm() in the forward, except that it supports backward for sparse COO matrixmat1.
sparse.sampled_addmmPerforms a matrix multiplication of the dense matricesmat1 and mat2 at the locations specified by the sparsity pattern of input.
sparse.mmPerforms a matrix multiplication of the sparse matrixmat1
sspaddmmMatrix multiplies a sparse tensormat1 with a dense tensor mat2, then adds the sparse tensor input to the result.
hspmmPerforms a matrix multiplication of a sparse COO matrixmat1 and a strided matrix mat2.
smmPerforms a matrix multiplication of the sparse matrixinput with the dense matrix mat.
sparse.softmaxApplies a softmax function.
sparse.log_softmaxApplies a softmax function followed by logarithm.
sparse.spdiagsCreates a sparse 2D tensor by placing the values from rows ofdiagonals along specified diagonals of the output

支持稀疏张量的常规torch函数

cat() dstack() empty() empty_like() hstack() index_select() is_complex() is_floating_point() is_nonzero() is_same_size() is_signed() is_tensor() lobpcg() mm() native_norm() pca_lowrank() select() stack() svd_lowrank() unsqueeze() vstack() zeros() zeros_like()

支持稀疏张量的一元函数

The following operators currently support sparse COO/CSR/CSC/BSR tensor inputs.

abs() asin() asinh() atan() atanh() ceil() conj_physical() floor() log1p() neg() round() sin() sinh() sign() sgn() signbit() tan() tanh() trunc() expm1() sqrt() angle() isinf() isposinf() isneginf() isnan() erf() erfinv()

这篇关于【稀疏矩阵】使用torch.sparse模块的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1138998

相关文章

使用Python实现可恢复式多线程下载器

《使用Python实现可恢复式多线程下载器》在数字时代,大文件下载已成为日常操作,本文将手把手教你用Python打造专业级下载器,实现断点续传,多线程加速,速度限制等功能,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录一、智能续传:从崩溃边缘抢救进度二、多线程加速:榨干网络带宽三、速度控制:做网络的好邻居四、终端交互

Python中注释使用方法举例详解

《Python中注释使用方法举例详解》在Python编程语言中注释是必不可少的一部分,它有助于提高代码的可读性和维护性,:本文主要介绍Python中注释使用方法的相关资料,需要的朋友可以参考下... 目录一、前言二、什么是注释?示例:三、单行注释语法:以 China编程# 开头,后面的内容为注释内容示例:示例:四

Python中re模块结合正则表达式的实际应用案例

《Python中re模块结合正则表达式的实际应用案例》Python中的re模块是用于处理正则表达式的强大工具,正则表达式是一种用来匹配字符串的模式,它可以在文本中搜索和匹配特定的字符串模式,这篇文章主... 目录前言re模块常用函数一、查看文本中是否包含 A 或 B 字符串二、替换多个关键词为统一格式三、提

Go语言数据库编程GORM 的基本使用详解

《Go语言数据库编程GORM的基本使用详解》GORM是Go语言流行的ORM框架,封装database/sql,支持自动迁移、关联、事务等,提供CRUD、条件查询、钩子函数、日志等功能,简化数据库操作... 目录一、安装与初始化1. 安装 GORM 及数据库驱动2. 建立数据库连接二、定义模型结构体三、自动迁

ModelMapper基本使用和常见场景示例详解

《ModelMapper基本使用和常见场景示例详解》ModelMapper是Java对象映射库,支持自动映射、自定义规则、集合转换及高级配置(如匹配策略、转换器),可集成SpringBoot,减少样板... 目录1. 添加依赖2. 基本用法示例:简单对象映射3. 自定义映射规则4. 集合映射5. 高级配置匹

Spring 框架之Springfox使用详解

《Spring框架之Springfox使用详解》Springfox是Spring框架的API文档工具,集成Swagger规范,自动生成文档并支持多语言/版本,模块化设计便于扩展,但存在版本兼容性、性... 目录核心功能工作原理模块化设计使用示例注意事项优缺点优点缺点总结适用场景建议总结Springfox 是

嵌入式数据库SQLite 3配置使用讲解

《嵌入式数据库SQLite3配置使用讲解》本文强调嵌入式项目中SQLite3数据库的重要性,因其零配置、轻量级、跨平台及事务处理特性,可保障数据溯源与责任明确,详细讲解安装配置、基础语法及SQLit... 目录0、惨痛教训1、SQLite3环境配置(1)、下载安装SQLite库(2)、解压下载的文件(3)、

使用Python绘制3D堆叠条形图全解析

《使用Python绘制3D堆叠条形图全解析》在数据可视化的工具箱里,3D图表总能带来眼前一亮的效果,本文就来和大家聊聊如何使用Python实现绘制3D堆叠条形图,感兴趣的小伙伴可以了解下... 目录为什么选择 3D 堆叠条形图代码实现:从数据到 3D 世界的搭建核心代码逐行解析细节优化应用场景:3D 堆叠图

Springboot如何正确使用AOP问题

《Springboot如何正确使用AOP问题》:本文主要介绍Springboot如何正确使用AOP问题,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录​一、AOP概念二、切点表达式​execution表达式案例三、AOP通知四、springboot中使用AOP导出

Navicat数据表的数据添加,删除及使用sql完成数据的添加过程

《Navicat数据表的数据添加,删除及使用sql完成数据的添加过程》:本文主要介绍Navicat数据表的数据添加,删除及使用sql完成数据的添加过程,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有... 目录Navicat数据表数据添加,删除及使用sql完成数据添加选中操作的表则出现如下界面,查看左下角从左