【Numpy和Pytorch的数据处理】

  最近在看多智能体强化学习代码，代码内有很多关于数据拼接、维度调整的操作，搞的整个人头晕转向。这里主要是numpy和torch两个工具包，为了读懂代码，查了一些博主的有关介绍，在此进行系统的总结，方便使用时查找，这里只总结代码里使用的语法和一些不太熟悉的语法。

一、Numpy的有关操作

1.np.nonzero()

np.nonzero函数是numpy中用于得到数组array中非零元素的位置（数组索引）的函数。

a = [0,1,1,1,1,0,0,0,0]
a1 = [[0,1,1],[1,0,1],[1,1,0]]
b = np.nonzero(a)
b1 = np.nonzero(a1)
print(b,b[0])
print(b1,b1[0])

结果：

(array([1, 2, 3, 4], dtype=int64),) [1 2 3 4]
(array([0, 0, 1, 1, 2, 2], dtype=int64), array([1, 2, 0, 2, 0, 1], dtype=int64)) [0 0 1 1 2 2]

说明：
（1）一维列表，直接返回对应非零元素的索引，返回类型是元组tuple；b[0]则返回一个ndarray(4,)的数据，即[1,2,3,4].
（2）二维列表，返回两个元组tuple，前边对应行，后边对应列.
    行：第一行有两个非零元素，故返回0,0；同理，第二行和第三行也有两个非零元素，返回1,1和2,2.
    列：第一行的1、2号索引为非零元素，第二行0、2号元素为非零元素，第三行0、1号元素,故返回array([1,2,0,2,0,1]),b1[0]则返回行的结果

2.np.hstack()和np.vstack()

np.hstack()和np.vstack()是numpy中拼接数组的方法.
(1)np.hstack():水平方向上平铺，变长
(2)np.vstack():垂直方向上堆叠，变多

arr1= np.array([1,2,3])
arr2 = np.array([4,5,6])
arr_h = np.hstack([arr1,arr2])
arr_v = np.vstack([arr1,arr2])
print(arr_h)
print(arr_v)

arr3 = np.array([[1,2],[3,4]])
arr4 = np.array([[5,6],[7,8]])
arr1_h = np.hstack([arr3,arr4])
arr1_v = np.vstack([arr3,arr4])
print(arr1_h)
print(arr1_v)

结果：

[1 2 3 4 5 6]
[[1 2 3]
 [4 5 6]]
[[1 2 5 6]
 [3 4 7 8]]
[[1 2]
 [3 4]
 [5 6]
 [7 8]]

说明：
（1）np.hstack()将[1,2,3]和[4,5,6]水平平铺成[1,2,3,4,5,6]
（2）np.vstack()将[1,2,3]和[4,5,6]垂直堆叠成[[1,2,3],[4,5,6]]
二维数组：
（1）np.hstack()将每个数组分别在水平方向平铺，[[1,2],[3,4]]和[[5,6],[7,8]]水平平铺成[[1,2,5,6],[3,4,7,8]]
（2）np.vstack()则在垂直方向堆叠，堆叠成[[1,2],[3,4],[5,6],[7,8]]
报错情况分析：
（1）无法水平平铺
arr3 = np.array([[1,2],[3,4],[5,6]])
arr4 = np.array([[5,6],[7,8]])
想要水平平铺，第一维度的行数应该一致，这种情况arr3的行数为3，arr4的行数为2，无法进行水平拼接，但可以垂直堆叠，结果为：
[[1,2]
 [3,4]
 [5,6]
 [5,6]
 [7,8]]
（2）无法垂直堆叠
arr3 = np.array([[1,2],[3,4],[5,6]])
arr4 = np.array([[5,6,7],[6,7,8],[7,8,9]])
想要垂直堆叠，第二维度的列数应该一致，这种情况arr3的列数为2，arr4的列数为3，无法进行垂直堆叠，但可以水平平铺，结果为：
[[1,2,5,6,7]
 [3,4,6,7,8]
 [5,6,7,8,9]]

3.np.concatenate()

np.concatenate 是numpy中对array进行拼接的函数.

a = np.random.random((2,3))
b = np.random.random((4,3))
c = np.concatenate((a,b),axis=0)

d = np.random.random((2,3))
e = np.random.random((2,5))
f = np.concatenate((d,e),axis=1)
print(a)
print(b)
print(c)
print(d)
print(e)
print(f)

结果：

[[0.35054413 0.40166885 0.81047908], 
[0.05835757 0.41320597 0.56587799]]

[[0.08120434 0.64616073 0.2518427 ],
 [0.5507864  0.59255662 0.05841272], 
 [0.55273764 0.85560033 0.56225599], 
 [0.20997285 0.33741127 0.01441785]]

[[0.35054413 0.40166885 0.81047908], 
[0.05835757 0.41320597 0.56587799], 
[0.08120434 0.64616073 0.2518427 ], 
[0.5507864  0.59255662 0.05841272], 
[0.55273764 0.85560033 0.56225599], 
[0.20997285 0.33741127 0.01441785]]

[[0.71757919 0.50921365 0.87668144], 
[0.69402294 0.25790403 0.2260284 ]]

[[0.27418893 0.68954413 0.63393597 0.18947664 0.11354748], 
[0.38312499 0.68509913 0.22171717 0.1272298  0.10387313]]

[[0.71757919 0.50921365 0.87668144 0.27418893 0.68954413 0.63393597,  0.18947664 0.11354748], 
[0.69402294 0.25790403 0.2260284  0.38312499 0.68509913 0.22171717,  0.1272298  0.10387313]]
说明:
（1）axis=0,表示按行拼接，要求列的维度一致
（2）axis=1,表示按列拼接，要求行的维度一致

二、Pytorch的有关操作

1.torch.tensor()

torch.tensor()是为了将数据转为会tensor数据类型，对numpy和list都可以进行转换，方便pytorch进行后续的训练。

list1 = [1,2,3,4,5,6]
arr1 = np.array(list1)

tensor1 = torch.tensor(list1)
tensor2 = torch.tensor(arr1)

结果：

tensor1:tensor([1, 2, 3, 4, 5, 6])
tensor2:tensor([1, 2, 3, 4, 5, 6])

2.torch.unsqueeze()和torch.squeeze()

torch.unsqueeze()和torch.squeeze()是进行调整尺寸的函数.

list1 = [1,2,3,4,5,6]
arr1 = np.array(list1)
tensor1 = torch.tensor(arr1)
tensor2 = tensor1.unsqueeze(0)
tensor3 = tensor2.squeeze(0)
print(tensor2)
print(tensor3)

结果：

tensor([[1, 2, 3, 4, 5, 6]], dtype=torch.int32)
tensor([1, 2, 3, 4, 5, 6], dtype=torch.int32)

说明：
torch.unsqueeze(0)表示在既定位置插入维度1,扩展维度,将维度变为torch.size([1,6])
torch.squeeze(0)表示在既定位置中的维度除去，缩减维度.

3.torch.sum()

torch.tensor(a,dim)为求和元素，a为操作对象，dim为求和的维度.

a = torch.ones((2,3))
a1 = torch.sum(a,dim=0)
a2 = torch.sum(a,dim=0,keepdim=True)
b1 = torch.sum(a,dim=1)
b2 = torch.sum(a,dim=1,keepdim=True)
c1 = torch.sum(a)
print(a)
print(a1)
print(b1)
print(c1)
print(a2)
print(b2)

结果：

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])
tensor([2., 2., 2.])
tensor([3., 3.])
tensor(6.)
tensor([[2., 2., 2.]])
tensor([[3.],
        [3.]])
说明：
（1）如果不加dim，即表示所有数求和，为6
（2）dim = 0,表示按行求和,[2,2,2],dim=0这个维度被去掉
（3）dim = 1,表示按列求和,[3,3],dim=1这个维度被去掉
（4）keepdim = True,表示dim的维度不会被squeeze
    例如：a2数据变为了torch.size([1,3])
    例如：b2数据变为了torch.size([2,1])

4.torch.repeat()

torch.repeat()用于对张量进行重复扩充.
（1）当参数只有两个时：（行的重复倍数，列的重复倍数），1表示不重复
（2）当参数有三个时：（通道数的重复倍数，行的重复倍数，列重复倍数）

a = torch.tensor([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])
b = a.repeat(2,2)
c = a.repeat(2,2,2)
print(b)
print(c)

结果：

tensor([[1, 2, 3, 1, 2, 3],
        [4, 5, 6, 4, 5, 6],
        [7, 8, 9, 7, 8, 9],
        [1, 2, 3, 1, 2, 3],
        [4, 5, 6, 4, 5, 6],
        [7, 8, 9, 7, 8, 9]])
       
tensor([[[1, 2, 3, 1, 2, 3],
         [4, 5, 6, 4, 5, 6],
         [7, 8, 9, 7, 8, 9],
         [1, 2, 3, 1, 2, 3],
         [4, 5, 6, 4, 5, 6],
         [7, 8, 9, 7, 8, 9]],

        [[1, 2, 3, 1, 2, 3],
         [4, 5, 6, 4, 5, 6],
         [7, 8, 9, 7, 8, 9],
         [1, 2, 3, 1, 2, 3],
         [4, 5, 6, 4, 5, 6],
         [7, 8, 9, 7, 8, 9]]])

5.torch.ones_like()和torch.zeros_like()

torch.ones_like函数和torch.zeros_like函数的基本功能是根据给定张量，生成与其形状相同的全1或全0张量，这里以torch.ones_like为例.

a = torch.ones((2,3))
print(a)
b = torch.ones_like(a)
print(b)

结果：

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])
说明：torch.ones()如果只传一个参数，生成的张量不是方阵.   

6.torch.reshape()

变换张量tensor的形状，注意两个数据类型都是张量.

a = torch.rand(12)
b= torch.reshape(a,(3,4))
c= torch.reshape(a,(-1,2,3))

print(a)
print(b)
print(c)

结果：

tensor([0.4659, 0.8868, 0.9371, 0.0049, 0.6908, 0.2511, 0.2538, 0.2651, 0.0320, 0.0593, 0.6062, 0.4983])

tensor([[0.4659, 0.8868, 0.9371, 0.0049],
        [0.6908, 0.2511, 0.2538, 0.2651],
        [0.0320, 0.0593, 0.6062, 0.4983]])

tensor([[[0.4659, 0.8868, 0.9371],
         [0.0049, 0.6908, 0.2511]],

        [[0.2538, 0.2651, 0.0320],
         [0.0593, 0.6062, 0.4983]]])
说明：
（1）torch.reshape()可以用于处理同样维度的数据，比如把torch.size([3,4])处理为torch.size([2,6])
（2）torch.reshape()可以用于处理不同维度的数据，比如可以把二维变成三维，-1代表根据二者的关系自动匹配该位置的维度.

7.view()

变换张量tensor的形状，类似于torch.reshape()，但没有torch.view()这一函数，用法为在变量后加.view(),个人感觉没有reshape好用

a = torch.tensor([1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12])
b= a.view((2,6))
c= a.view((-1,2,3))
print(a)
print(b)
print(c)

结果：

tensor([ 1,  2,  3,  4,  5,  6,  7,  8,  9, 10, 11, 12])

tensor([[ 1,  2,  3,  4,  5,  6],
        [ 7,  8,  9, 10, 11, 12]])

tensor([[[ 1,  2,  3],
         [ 4,  5,  6]],

        [[ 7,  8,  9],
         [10, 11, 12]]])

8.expand()

函数返回张量在某一个维度扩展之后的张量,用法为在变量后加.expand()，个人感觉没有repeat好用
如果为.expand(-1,-1)则表示当前维度不进行扩充

a = torch.tensor([1,2,3,4])
b= a.expand((2,4))
print(b)

c = torch.tensor([[1],[2]])
d = c.expand((2,4))
print(d)

tensor([[1, 2, 3, 4],
        [1, 2, 3, 4]])
        
tensor([[1, 1, 1, 1],
        [2, 2, 2, 2]])

9.torch.cat()

torch.cat是将两个张量（tensor）拼接在一起，cat是concatenate的意思，即拼接.

a = torch.ones((2,3))
b = 2*torch.ones((4,3))
c = 3*torch.ones((2,5))
d = torch.cat((a,b),dim=0)
e = torch.cat((a,c),dim=1)
print(a)
print(b)
print(c)
print(d)
print(e)

结果：

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.]])

tensor([[2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.]])

tensor([[3., 3., 3., 3., 3.],
        [3., 3., 3., 3., 3.]])

tensor([[1., 1., 1.],
        [1., 1., 1.],
        [2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.],
        [2., 2., 2.]])

tensor([[1., 1., 1., 3., 3., 3., 3., 3.],
        [1., 1., 1., 3., 3., 3., 3., 3.]])

说明：
（1）dim=0表示按行拼接，要保证列数的维度一致
（2）dim=1表示按列拼接，要保证行数的维度一致

  暂且用到这些函数，其他的还没有遇到，先总结这么多，有一些写错的地方，会在后续的学习中进行更正；后续如果有其他用到的函数，也会进行更新。