【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

Python常用命令提示符使用方法详解

《Python常用命令提示符使用方法详解》在学习python的过程中,我们需要用到命令提示符(CMD)进行环境的配置,:本文主要介绍Python常用命令提示符使用方法的相关资料,文中通过代码介绍的... 目录一、python环境基础命令【Windows】1、检查Python是否安装2、 查看Python的安

Python并行处理实战之如何使用ProcessPoolExecutor加速计算

《Python并行处理实战之如何使用ProcessPoolExecutor加速计算》Python提供了多种并行处理的方式,其中concurrent.futures模块的ProcessPoolExecu... 目录简介完整代码示例代码解释1. 导入必要的模块2. 定义处理函数3. 主函数4. 生成数字列表5.

Python中help()和dir()函数的使用

《Python中help()和dir()函数的使用》我们经常需要查看某个对象(如模块、类、函数等)的属性和方法,Python提供了两个内置函数help()和dir(),它们可以帮助我们快速了解代... 目录1. 引言2. help() 函数2.1 作用2.2 使用方法2.3 示例(1) 查看内置函数的帮助(

Linux脚本(shell)的使用方式

《Linux脚本(shell)的使用方式》:本文主要介绍Linux脚本(shell)的使用方式,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... 目录概述语法详解数学运算表达式Shell变量变量分类环境变量Shell内部变量自定义变量:定义、赋值自定义变量:引用、修改、删

Java使用HttpClient实现图片下载与本地保存功能

《Java使用HttpClient实现图片下载与本地保存功能》在当今数字化时代,网络资源的获取与处理已成为软件开发中的常见需求,其中,图片作为网络上最常见的资源之一,其下载与保存功能在许多应用场景中都... 目录引言一、Apache HttpClient简介二、技术栈与环境准备三、实现图片下载与保存功能1.

Python中使用uv创建环境及原理举例详解

《Python中使用uv创建环境及原理举例详解》uv是Astral团队开发的高性能Python工具,整合包管理、虚拟环境、Python版本控制等功能,:本文主要介绍Python中使用uv创建环境及... 目录一、uv工具简介核心特点:二、安装uv1. 通过pip安装2. 通过脚本安装验证安装:配置镜像源(可

LiteFlow轻量级工作流引擎使用示例详解

《LiteFlow轻量级工作流引擎使用示例详解》:本文主要介绍LiteFlow是一个灵活、简洁且轻量的工作流引擎,适合用于中小型项目和微服务架构中的流程编排,本文给大家介绍LiteFlow轻量级工... 目录1. LiteFlow 主要特点2. 工作流定义方式3. LiteFlow 流程示例4. LiteF

使用Python开发一个现代化屏幕取色器

《使用Python开发一个现代化屏幕取色器》在UI设计、网页开发等场景中,颜色拾取是高频需求,:本文主要介绍如何使用Python开发一个现代化屏幕取色器,有需要的小伙伴可以参考一下... 目录一、项目概述二、核心功能解析2.1 实时颜色追踪2.2 智能颜色显示三、效果展示四、实现步骤详解4.1 环境配置4.

使用jenv工具管理多个JDK版本的方法步骤

《使用jenv工具管理多个JDK版本的方法步骤》jenv是一个开源的Java环境管理工具,旨在帮助开发者在同一台机器上轻松管理和切换多个Java版本,:本文主要介绍使用jenv工具管理多个JD... 目录一、jenv到底是干啥的?二、jenv的核心功能(一)管理多个Java版本(二)支持插件扩展(三)环境隔

SQL中JOIN操作的条件使用总结与实践

《SQL中JOIN操作的条件使用总结与实践》在SQL查询中,JOIN操作是多表关联的核心工具,本文将从原理,场景和最佳实践三个方面总结JOIN条件的使用规则,希望可以帮助开发者精准控制查询逻辑... 目录一、ON与WHERE的本质区别二、场景化条件使用规则三、最佳实践建议1.优先使用ON条件2.WHERE用