深度学习pytorch——RNN从表示到原理、应用、发展、实战详细讲解（终结）

时间序列的表示

题外话：在自然界中，我们接触到的信号都是模拟信号，在手机、电脑等电子设备中存储的信号是数字信号。我们通常对模拟信号进行等间隔取样得到数字信号，这个数字信号也被称为序列。将模拟信号转换为数据信号的过程称为数字信号处理，现已成为一门独立的学科，其分支数字图像处理在人工智能领域发挥着重要的作用。

序列的规范化表示方法：

[ seq_len, feature_len ] 用来表示序列，其中seq_len为序列的长度、feature_len为表示序列中每个元素的维度。序列可以是数字化后的语音信号、可以是数字化后的图片、也可以是一句话等等。

GloVe编码方式的引入：

我们都知道pytorch中是不存在字符串类型的，但是文字信息又是我们长处理的数据，我们如何表示这种数据，答案是编码。其中最简单的编码方式one-hot，我们在处理手写数字识别的时候用的就是这种编码方式，建立一个10维的向量，每个位置表示一个数字，如果是这个数字则相应位置为1，否则为0。

0 ：[ 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ]

1 ：[ 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0 ]

……

9 ：[ 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1 ]

将相应的数字换为单词就可以表达每个单词。

one-hot的编码方式存在稀疏、高维的特点。稀疏：每一个向量只能用来表达一个单词；高维：一个向量的维度等于这个句子的单词数量，你也许感觉还可以，如果是一篇英语文章呢？这种编码方式代表了巨大的数据量。

由于one-hot的高度不实用性，GloVe编码方式随之诞生。GloVe表示了单词的相似性，具体怎么表示的我们看如下图：

左边的表示了与king的相似性，右边的表示了与queen的相似性。我们可以看到每个单词的后面都跟着一个数值，这个数值表示了与值对应单词的相似度，就比如kings后面的数值0.897245，便是了kings与king的形似度为0.897245。这个相似度是如何计算的呢？

使用两个单词之间的cos值表示，将每个单词看作一个向量，然后计算两向量之间的cos<w1, w2>如果你还不是很明白，就去看高中数学吧，或者看下图：

不知道这张图是否唤起了你沉睡的记忆？

接着介绍在序列在我们今天的主题RNN中是如何表示的，RNN里面提供了两种方法来表示序列：

第一种：[word num, b, word vec]，其中word num表示单词的数量，b表示句子的数量，word vec表示单词的维度。

第二种：[b, word num, word vec]，其中b表示句子的数量，word num表示单词的数量，word vec表示单词的维度。

这两种表示方法中的每个维度含义都是相同的，只是两者的顺序发生了改变，可以根据理解图片向量的含义来理解整体的含义。

GloVe实例：

import torch
import torchnlp  # 自然语言处理模块，如果没有torchnlp 模块，用pip install pytorch-nlp 安装
import torch.nn as nn
from torchnlp import word_to_vector
from torchnlp.word_to_vector import GloVe

################ nn.Embedding ################

word_to_ix = {"hello": 0, "world": 1}  # 编一个索引号
# 查表 Word vector lookup table，已经提前编好存储在pytorch中
lookup_tensor = torch.tensor([word_to_ix["hello"]], dtype=torch.long)  # 得到一个索引idx
embeds = nn.Embedding(2, 5)  # 实例化一个词向量表，其中2表示：一个有2个单词，5表示每个单词的词向量的维度或长度。
hello_embeds = embeds(lookup_tensor)  # 根据索引查表，得到索引对应的feature，也就是word vector 的 representation
print(hello_embeds)

# tensor([[ 0.7305, -1.1242, -0.1810, -0.5458, -1.0004]],
#        grad_fn=<EmbeddingBackward>)

# 这里没有初始化，nn.embedding这张表是随机生成的，得到的vector，非常random。
# 且通过查表方式得到的vector没有办法算梯度，不能优化。
# 怎样初始化，使用现成的 word2vec 或者GloVe

##########  word2vec / GloVe ##########
# vectors=GloVe()     # 查表操作，下载太慢了
vectors = GloVe('6B')  # 840条词向量，每个词向量的维度是300个维度

vector = vectors["hello"]
print(vector.shape)
# torch.Size([300])
print(vector)

什么是RNN？

RNN全称为Recurrent Neural Network，中文名字“循环神经网络”。具体是什么，往下看：

当我们去做一个情感分析的时候，会尝试去评价一个句子是积极的还是消极的，先让我们以CNN的角度来看：

现在我们要分析I hate this boring movies这句话是消极的，还是积极的，我们将此句话使用一个[5,  100]的序列来表示，其中5表示一共有5个单词，100表示每个单词使用100个维度来表示。我们将每个单词都送进CNN，也就是将[100]进行线性运算，但是每个单词的weight和bias都是不一样的，这就意味着CNN是将每个单词单个处理的，丧失了语义，并且每个单词都会拥有2个参数，这意味着巨大的参数量。我们希望可以减少参数，并且将所有的单词联系起来，放在一个语境下去分析，由此权值共享的概念和长期记忆的概念被提出。

权值共享，简单明了，让所有的单词都共享同意对参数，如下图所示：

长期记忆，有一个单元来保存所有的信息，将每个单词串联起来，放在同一个语境下：

这个被用来保存所有信息为h0，每个单元的输出为h，请注意看红色箭头的指向，具体红色箭头指哪里由你自己决定。

一般我们将h0初始化为[0, 0, 0, ...]，每次输入一个单词，比如序列为[5, 3, 100]，送入的就是      [3,  100]。

这个模型就被称为RNN。

RNN背后的数学原理：

 RNN的使用

前提：再来看这张图，我先解释一下这个图中每个数据的特征，其中整体的数据x：[seq len, batch, feature len]，其中seq len表示单词的个数、batch表示句子的个数、feature len表示一个单词使用feature len个维度来表达；一个单词xt：[batch, feature len]；Wxh：[hidden len, feature len]其中hidden len表示记忆单元的维度；ht：[batch, hidden len]；Whh：[hidden len, hidden len]。可以使用来表示紫色框中的公式，最后的结果就是[ batch, hidden len]。

代码实例，可以直接运行试试看，也可以改变一下feature len和hidden len：

from torch import nn

rnn = nn.RNN(100, 10)  # RNN(feature len, hidden len)
print(rnn._parameters.keys())
# odict_keys(['weight_ih_l0', 'weight_hh_l0', 'bias_ih_l0', 'bias_hh_l0'])
print(rnn.weight_hh_l0.shape, rnn.weight_ih_l0.shape)
# torch.Size([10, 10]) torch.Size([10, 100])
print(rnn.bias_hh_l0.shape, rnn.bias_ih_l0.shape)
# torch.Size([10]) torch.Size([10])

在进行下面实例之前先明确两个概念：

out 是最后输出的集合，表示为[h0,h1,…,hi]的组合叠加
h 则是每一层最后隐藏单元的集合

一层RNN：

import torch
from torch import nn

# [input dim(feature dim/word vector),hidden dim,num layers(default Settings is 1)]
    rnn = nn.RNN(input_size=100, hidden_size=20, num_layers=1)
    print(rnn)
    # RNN(100, 20)

    # x：[seq len, batch, word vector]
    x = torch.randn(10, 3, 100)
    # out:[seq len,batch,hidden dim] [10,3,20]
    # h0/ht:[num layers,batch,hidden dim] [1,3,20]
    out, h = rnn(x, torch.zeros(1, 3, 20))
    print(out.shape, h.shape)
    # torch.Size([10, 3, 20]) torch.Size([1, 3, 20])

一层RNN-Cell：

import torch
from torch import nn

# 1-layer
cell1 = nn.RNNCell(100, 20)  # [word vec, h_dim]
h1 = torch.zeros(3, 20)  # [b,h_dim]
for xt in x:    # xt：每个数据，x：所有数据
    h1 = cell1(xt, h1)
print(h1.shape)
# torch.Size([3, 20])

多层：

先来看一下处理后维度的变化： 

from torch import nn

rnn = nn.RNN(100, 10, num_layers=2)  # RNN(feature len, hidden len, num_layers)
print(rnn._parameters.keys())
# odict_keys(['weight_ih_l0', 'weight_hh_l0', 'bias_ih_l0', 'bias_hh_l0', 'weight_ih_l1', 'weight_hh_l1', 'bias_ih_l1', 'bias_hh_l1'])
print(rnn.weight_hh_l0.shape, rnn.weight_ih_l0.shape)
# torch.Size([10, 10]) torch.Size([10, 100])
print(rnn.weight_hh_l1.shape, rnn.weight_ih_l1.shape)
# torch.Size([10, 10]) torch.Size([10, 10])

 多层RNN：

import torch
from torch import nn

rnn = nn.RNN(input_size=100, hidden_size=20, num_layers=4)
print(rnn)
# RNN(100, 20, num_layers=4)

x = torch.randn(10, 3, 100)
# out:[seq len,batch,hidden dim] [10,3,20]
# h0/ht:[num layers,batch,hidden dim] [4,3,20]
out, h = rnn(x, torch.zeros(4, 3, 20))  # rnn(所有的数据, h0)
# out, h = rnn(x)  #与上一行等价，这里没有传h0进来
print(out.shape, h.shape)
# torch.Size([10, 3, 20]) torch.Size([4, 3, 20])

多层RNN-Cell：

import torch
from torch import nn

cell1 = nn.RNNCell(100, 30)  # [word vec,h_dim],100 dim reduce to 30
cell2 = nn.RNNCell(30, 20)  # [word vec,h_dim],30 dim reduce to 20
h1 = torch.zeros(3, 30)
h2 = torch.zeros(3, 20)
for xt in x:
    h1 = cell1(xt, h1)    # 本层的输出h1作为了下一层的输入
    h2 = cell2(h1, h2)
print(h2.shape)
# torch.Size([3, 20])

时间序列的预测

############# 正弦函数预测(1 layer RNN) #############
# （1）构建RNN网络
# （2）training:构建优化器,迭代,加载正弦函数数据，定义loss，输出
# （3）testing
# （4）画图


import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from matplotlib import pyplot as plt

num_time_steps = 50
input_size = 1
hidden_size = 16
output_size = 1
lr = 0.01

########构建RNN网络#######

class Net(nn.Module):

    def __init__(self, ):
        super(Net, self).__init__()

        self.rnn = nn.RNN(
            input_size=input_size,
            hidden_size=hidden_size,
            num_layers=1,
            batch_first=True,  # [batch,seq len ,word vector/feature dim]
        )

        # 正态分布的权值初始化
        for p in self.rnn.parameters():  # parameters:包含所有模型的迭代器.
            nn.init.normal_(p, mean=0.0, std=0.001)  # normal_：正态分布

        # 连接层，对数据做处理 [49,16]→[49,1]
        self.linear = nn.Linear(hidden_size, output_size)  # 对输入数据做线性变换y=Ax+b

    # 前向传播函数
    def forward(self, x, hidden_prev):
        out, hidden_prev = self.rnn(x, hidden_prev)  # 前向网络参数：输入，h0

        # out:[b, seq, h],torch.Size([1, 49, 16])
        # ht:[b,num layers,hidden dim],torch.Size([1, 1, 16])
        out = out.view(-1, hidden_size)  # [1, seq, h]=>[seq, h]  torch.Size([49, 16])
        out = self.linear(out)  # torch.Size([49, 1])， [seq, h] => [seq, 1]
        out = out.unsqueeze(dim=0)  # torch.Size([1, 49, 1]),要个 y做一个MSE，所以增加的维度要一致 [seq, 1] => [1, seq, 1]
        return out, hidden_prev  # torch.Size([1, 49, 1]),torch.Size([1, 1, 16])

########## 开始训练 ##############

model = Net()
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr)

hidden_prev = torch.zeros(1, 1, hidden_size)  # h0:[b,num layers,hidden dim],[1,1,16]

for iter in range(6000):
    # np.random.randint(low, high=None, size=None)
    # 作用返回一个随机整型数，范围从低（包括）到高（不包括），即[low, high)。如果没有写参数high的值，则返回[0,low)的值。
    # 65-74行慵懒生成数据
    start = np.random.randint(3, size=1)[0]  # 返回[0,3)的随机整型数,size=1表示维度为1,[0]取第0维的数
    # print(start)  # scalar

    time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps)  # 等分数列，生成[start，start+10] 区间的50个等分数列
    # print(time_steps)  #(50,)
    data = np.sin(time_steps)  # 取正弦函数  (50,)
    data = data.reshape(num_time_steps, 1)  # (50, 1)
    x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)  # 第0-48的数字 x:(1,49,1)
    y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)  # 第1-49的数字 y:(1,49,1)
    # 相当于用第0-48的数字预测第1-49的数字，往后预测1位

    # 正式开始训练
    output, hidden_prev = model(x, hidden_prev)  # 将x和h0送进模型,得到output和ht

    # tensor.detach()
    # 返回一个新的tensor，从当前计算图中分离下来的，但是仍指向原变量的存放位置,
    # 不同之处只是requires_grad为false，得到的这个tensor永远不需要计算其梯度，不具有grad
    hidden_prev = hidden_prev.detach()

    loss = criterion(output, y)  # compute MSE of output and y
    model.zero_grad()
    loss.backward()


    optimizer.step()

    ########### 进行测试 #########

    if iter % 100 == 0:  # 每100次输出结果
        print("Iteration: {} loss {}".format(iter, loss.item()))

# 数据定义送进来
start = np.random.randint(3, size=1)[0]
time_steps = np.linspace(start, start + 10, num_time_steps)
data = np.sin(time_steps)
data = data.reshape(num_time_steps, 1)
x = torch.tensor(data[:-1]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)  # 数据
y = torch.tensor(data[1:]).float().view(1, num_time_steps - 1, 1)   # 预测值

# 测试
predictions = []  # 先把预测的东西做一个空的数组
input = x[:, 0, :]  # x从[1,49,1]=>[1,1]
for _ in range(x.shape[1]):  # '_' 是一个循环标志
    input = input.view(1, 1, 1)  # x从[1,1]=>[1,1,1],即把seq变为1，曲线一个点一个点的动
    (pred, hidden_prev) = model(input, hidden_prev)
    input = pred  # 接收刚才输出的pred，再次送入网络，seq为1，就可以实现一个点一个点的预测下去了。
    predictions.append(pred.detach().numpy().ravel()[0])  # append 用于在列表末尾添加新的对象, ravel展平, [0]取数值
    # 也就是说，将得到的预测点一个一个展示出来

# 画图
x = x.data.numpy().ravel()  # 展平
y = y.data.numpy()
plt.scatter(time_steps[:-1], x.ravel(), s=90)  # 原始X散点图 0-48, x,size=90
plt.plot(time_steps[:-1], x.ravel())  # 原始X曲线图 0-48, x

plt.scatter(time_steps[1:], predictions)  # 预测曲线图 1-49, predictions,default size=20
plt.show()

预测结果：

RNN训练难题

从CNN模型的经验，RNN如果进行简单的叠加也会导致很差的结果，这个很差的结果主要有两种，梯度爆炸（Gradient Exploding）和梯度离散（Gradient Vanishing）。为什么会导致这种原因的发生？我们一起来看一下RNN的梯度推导公式：

如果还不明白，看下面，从小到大的心灵鸡汤： 

梯度爆炸解决：

将w.grad限制在一个范围内，就是我们给定一个预值threshold then，如果梯度超过预值了我们就对梯度进行一个缩放，缩放规则为 w.grad = threshold / ||w.grad|| * w.grad。具体的代码表现形式：

loss = criterion(output, y)
model.zero_grad()
loss.backward()
for p in model.parameters():
    print(p.grad.norm())  #打印出现在的W.grad，经验来讲，如果大于等于50就有可能梯度爆炸，如果等于10左右，就ok
    torch.nn.utils.clip_grad_norm_(p, 10)  #采用clip 将梯度降成<10
optimizer.step()

梯度离散解决——LSTM：

解决梯度离散的方法就是LSTM，但是为什么叫做LSTM？LSTM是 long-short-term-memory 的简称，下面来介绍一下具体为什么要叫 long-short-term-memory ，进行RNN中的时候我们定义了一个h0，用来贯穿语境，想象很美好，现实很骨感，没错h0只能记住最近的几个，前面的早忘到十万八千里了，这种现象称作 short-term-memory（短期记忆）。而让它脑子变得好使的就加了一个long，即 long-short-term-memory 。

先来回顾一下 short-term-memory

我们完全可以将上述模型换成如下形式：

 再来看一下LSTM，观察一下两者的区别：

蓝色对应公式：

，其中Wf表示决定记住多少。

以下两个公式表示绿色的部分，这一步决定了 我们将要存储多少信息在细胞门里面。

 Wi表示获取多少现在的信息。

橙色对应公式，更新hidden里面的值：

第一个框：通过忘记之前决定要忘记的Ft乘于旧的Ct-1。

第二个框：决定更新多少的值it乘于新的状态值Ct（上面有个~）。

紫色的对应输出，这一步我们需要决定我们想要输出什么：

我们要输出的部分：

最终我们要输出的部分：

总的来说就是：

表达成公式就是如下样子：

 极值条件下（这个很像真值表，如果你学过《离散数学》或《数字电路与逻辑设计》的话，应该知道）：

输入门	输出门	表现行为
0	1	记住先前的值
1	1	加入先前的值
0	0	清除值
1	0	覆盖原来的值

但是这种计算方法怎么解决了梯度离散的现象呢？让我们从数学公式的角度来分析一下原因：

原来的累乘变成了累加，累加就有可能加正数和负数，这种形式的梯度很自然的就解决了梯度离散的问题。

LSTM的使用

由于LSTM如此强大，pytorch也提供了相关的类——nn.LSTM

nn.LSTM：

1、__init__

参数：input_size：feature len；hidden_size：h0的特征维度；num_layers：循环的层数，如果不填的话默认为1。

2、LSTM.forward()

参数：out, (ht, ct) = lstm(x, [ht_0, ct_0])

x: [seq, b , vec]; h/c: [num_layer, b, h]; out: [seq, b, h]

3、代码演示：

lstm = nn.LSTM(input_size=100, hidden_size=20, num_layers=4)
print(lstm)
# LSTM(100, 20, num_layers=4)
x = torch.randn(10, 3, 100)
out, (h, c) = lstm(x)
print(out.shape, h.shape, c.shape)  # out:[seq, b, h] h/c:[num_layer, b, h]
# torch.Size([10, 3, 20]) torch.Size([4, 3, 20]) torch.Size([4, 3, 20])

nn.LSTMCell：

1、__init__

参数：input_size：feature len；hidden_size：h0的特征维度；num_layers：循环的层数，如果不填的话默认为1。

2、LSTMCell.forward()

ht, ct = lstmcell(xt, [ht_1, ct_1]) 

xt: [b, word vec]

ht/ct: [b, h]

3、代码演示：

1-layer：

cell = nn.LSTMCell(input_size=100, hidden_size=20)
h = torch.zeros(3, 20)
c = torch.zeros(3, 20)
for xt in x:
    h, c = cell(xt, [h, c])
print(h.shape, c.shape)
# torch.Size([3, 20]) torch.Size([3, 20])

2-layer：

cell1 = nn.LSTMCell(input_size=100, hidden_size=30)
cell2 = nn.LSTMCell(input_size=30, hidden_size=20)
h1 = torch.zeros(3, 30)
c1 = torch.zeros(3, 30)
h2 = torch.zeros(3, 20)
c2 = torch.zeros(3, 20)
for xt in x:
    h1, c1 = cell1(xt, [h1, c1])
    h2, c2 = cell2(h1, [h2, c2])
print(h2.shape, c2.shape)
# torch.Size([3, 20]) torch.Size([3, 20])

情感分类实战

Google CoLab：

在Google Colab中你可以获得连续12小时的使用、获得免费的K80 for GPU，Google Colab一般用来学习机器学习，是一个非常好用的工具，前提是你必须可以科学上网，可以使用Google。

########### 情感分类实战（基于IMDB数据集）#############
# 1 加载数据:
# 1.1 分割训练集测试集
# 1.2 创建vocabulary
# 1.3 创建 iterations
# 2 定义模型(class RNN):
# 2.1 __init__: 定义模型
# 2.2 forward:前向传播
# 2.3 使用预训练过的embedding 来替换随机初始化
# 3 训练模型 :
# 3.1 首先定义优化器和损失函数
# 3.2 定义一个函数用于计算准确率  def binary_acc
# 3.3 进入训练模式
# 4 评估模型(test)
# 5 运行
# 6 预测输出样例



import torch
import torchtext  #(version:0.6.0)
from torch import nn, optim
from torchtext import data, datasets
import spacy  #(version:3.3.0)
# nlp=spacy.load('en_core_web_sm')


print('GPU:', torch.cuda.is_available())

# 为CPU设置随机种子
torch.manual_seed(123)



############ 1 加载数据 ###########
######### 1.1 分割训练集测试集 ###########

# 两个Field对象定义字段的处理方法（文本字段、标签字段）
#Spacy 3.x以上的版本：tokenizer_language='en_core_web_sm'，否则默认是tokenizer_language='en'
#TEXT = data.Field(tokenize='spacy')
TEXT = data.Field(tokenize='spacy',tokenizer_language='en_core_web_sm') #文本
LABEL = data.LabelField(dtype=torch.float)  #标签
train_data, test_data = datasets.IMDB.splits(TEXT, LABEL)

print('len of train data:', len(train_data))  # 25000
print('len of test data:', len(test_data))    # 25000

# torchtext.data.Example : 用来表示一个样本，数据+标签
print(train_data.examples[15].text)  # 文本：句子的单词列表
print(train_data.examples[15].label) # 标签: 积极pos

#当我们把句子传进模型的时候，是按照一个个batch传进去的，而且每个batch中的句子必须是相同的长度。
#为了确保句子的长度相同，TorchText会把短的句子 pad到和最长的句子 等长。

########## 1.2 创建vocabulary ############

# vocabulary把每个单词一一映射到一个数字。
# 使用10k个单词来构建单词表（用max_size这个参数可以设定），所有其他的单词都用来表示。

# word2vec, glove
TEXT.build_vocab(train_data, max_size=10000, vectors='glove.6B.100d')
LABEL.build_vocab(train_data)

# 词典中应当有10002个单词，且有两个label，
# 可以通过TEXT.vocab和TEXT.label查询，
# 可以直接用stoi(stringtoint) 或者 itos(inttostring) 来查看单词表。

# print(len(TEXT.vocab))             # 10002
# print(TEXT.vocab.itos[:12])        # ['', '', 'the', ',', '.', 'and', 'a', 'of', 'to', 'is', 'in', 'I']
# print(TEXT.vocab.stoi['and'])      # 5
# print(LABEL.vocab.stoi)            # defaultdict(None, {'neg': 0, 'pos': 1})


############### 1.3 创建 iterations ############

# 每个iterator 迭代器 中各有两部分：词（.text）和标签(.label)，其中 text 全部转换成数字了。
# BucketIterator会把长度差不多的句子放到同一个batch中，确保每个batch中不出现太多的padding。

batchsz = 30
device = torch.device('cuda:0')
train_iterator, test_iterator = data.BucketIterator.splits(
    (train_data, test_data),
    batch_size = batchsz,
    device=device
)

################### 2 定义模型 ##########################


#这里的RNN是一个通称，应该叫Network
class RNN(nn.Module):
    
    def __init__(self, vocab_size, embedding_dim, hidden_dim):
        super(RNN, self).__init__()
        
        # [0-10001] => [100]
        # 参数1:embedding个数(单词数), 参数2:embedding的维度(词向量维度)
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, embedding_dim)  #[10002,100]
        # [100] => [256]
        # bidirectional=True 双向LSTM，所以下面FC层使用 hidden_dim*2
        self.rnn = nn.LSTM(embedding_dim, hidden_dim, num_layers=2,   #[100,256]
                           bidirectional=True, dropout=0.5)
        # [256*2] => [1]
        self.fc = nn.Linear(hidden_dim*2, 1)
        self.dropout = nn.Dropout(0.5)
        
        
    def forward(self, x):
        """
        x: [seq_len, b] vs [b, 3, 28, 28]
        """
        # [seq, b, 1] => [seq, b, 100]
        embedding = self.dropout(self.embedding(x))
        
        # output: [seq, b, hid_dim*2]
        # hidden/h: [num_layers*2, b, hid_dim]
        # cell/c: [num_layers*2, b, hid_di]
        output, (hidden, cell) = self.rnn(embedding)
        
        # [num_layers*2, b, hid_dim] => 2 of [b, hid_dim] => [b, hid_dim*2]
        # 双向LSTM，所以要把最后两个输出连接
        hidden = torch.cat([hidden[-2], hidden[-1]], dim=1)
        
        # [b, hid_dim*2] => [b, 1]
        hidden = self.dropout(hidden)
        out = self.fc(hidden)
        
        return out

####### 使用预训练过的embedding 来替换随机初始化  ###############


rnn = RNN(len(TEXT.vocab), 100, 256)  #词个数 10002 ，词嵌入维度 100 ，输出维度 256

#使用预训练过的embedding 来替换随机初始化
pretrained_embedding = TEXT.vocab.vectors
print('pretrained_embedding:', pretrained_embedding.shape) # torch.Size([10002, 100])
rnn.embedding.weight.data.copy_(pretrained_embedding)   # .copy_() 这种带着下划线的函数均代表替换inplace
print('embedding layer inited.')

######### 3 训练模型 ##########

######### 3.1首先定义优化器和损失函数  #########

optimizer = optim.Adam(rnn.parameters(), lr=1e-3)
criteon = nn.BCEWithLogitsLoss().to(device)  # BCEWithLogitsLoss是针对二分类的CrossEntropy
rnn.to(device)

# RNN(
#   (embedding): Embedding(10002, 100)
#   (rnn): LSTM(100, 256, num_layers=2, dropout=0.5, bidirectional=True)
#   (fc): Linear(in_features=512, out_features=1, bias=True)
#   (dropout): Dropout(p=0.5, inplace=False)
# )

######### 3.2 定义一个函数用于计算准确率  #########

import numpy as np

def binary_acc(preds, y):
    """
    get accuracy
    """
    preds = torch.round(torch.sigmoid(preds))
    correct = torch.eq(preds, y).float() #correct is a tensor
    acc = correct.sum() / len(correct)
    return acc

######### 3.3 进入训练模式  #########


def train(rnn, iterator, optimizer, criteon):
    
    avg_acc = []
    rnn.train()  # 表示进入训练模式
    
    for i, batch in enumerate(iterator):

        # batch.text 就是上面forward函数的参数text，压缩维度是为了和batch.label维度一致
        pred = rnn(batch.text).squeeze(1) # [seq, b] => [b, 1] => [b]
        loss = criteon(pred, batch.label)
        # 计算每个batch的准确率
        acc = binary_acc(pred, batch.label).item()
        avg_acc.append(acc)
        
        optimizer.zero_grad() # 清零梯度准备计算
        loss.backward() # 反向传播
        optimizer.step() # 更新训练参数
        
        if i%100 == 0:
            print(i, acc)
        
    avg_acc = np.array(avg_acc).mean()
    print('avg acc:', avg_acc)
    
################# 4 评估模型 ######################

#定义一个评估函数，和训练函数高度重合


def eval(rnn, iterator, criteon):
    
    avg_acc = []
    
    rnn.eval() # 表示进入测试模式
    
    with torch.no_grad():
        for batch in iterator:

            # [b, 1] => [b]
            pred = rnn(batch.text).squeeze(1)
            loss = criteon(pred, batch.label)
            acc = binary_acc(pred, batch.label).item()
            avg_acc.append(acc)
    avg_acc = np.array(avg_acc).mean()
    print('>>test:', avg_acc)

#############  5 运行 ###########

for epoch in range(10):
    train(rnn, train_iterator, optimizer, criteon)   # 训练模型  
    eval(rnn, test_iterator, criteon)  # 评估模型 


# 跑的时候发现模型过拟合了

############## 6 预测输出样例  ##########

# for batch in test_iterator:
#     # batch_size个预测
#     preds = rnn(batch.text).squeeze(1)
#     # preds = predice_test(preds) #?
#     print(preds)
#
#
#     i = 0
#     for text in batch.text:
#         # 遍历一句话里的每个单词
#         for word in text:
#             print(TEXT.vocab.itos[word], end=' ')
#
#         print('')
#         # 输出3句话
#         if i == 3:
#             break
#         i = i + 1
#
#     i = 0
#     for pred in preds:
#         idx = int(pred.item())
#         print(idx, LABEL.vocab.itos[idx])
#         # 输出3个结果(标签)
#         if i == 3:
#             break
#         i = i + 1
#     break

我是pytorch：2.1.2，torchtext：0.16.0+cpu，跑这段代码的时候会报错AttributeError: module 'torchtext.data' has no attribute 'Field'，原因是因为torchtext0.12.0之后不存在Filed了，解决办法就是下载旧的版本，我是通过在命令行提示符执行

pip install torchtext==0.6.0

成功解决了问题。 

总结：

        至此我的pytorch已经学习完毕，在这个过程中我通过写博客来督促自己学习，通过输出的过程中我解决了在听课时遇到的难点，并且思考了如何清晰的表达我的语言，才可以让阅读我博客的人觉得pytorch是如此轻松，并且使我更加对pytorch的知识点更加清晰，也明白了自己的很多不足，并且严重的意识到实践才是巩固知识的唯一途径。

        在以后，我会着重于深度学习的应用，将所学知识用到AI安全方面，并且也会学习机器学习的知识以此加强对深度学习的理解。同样，为了加强我学习的动力，我将会继续采用blog记录的方式，将会开展AI-安全系列、机器学习系列，如果有对AI-安全感兴趣的小伙伴，请好好学习，然后发blog，也让我学习学习，我期待中国的AI-安全领域出现更多开放的学习资料，中国网络安全领域繁荣。

        最后的最后，请允许我将我这段时间阅读中记下的至理名言放在这里：

啊，在我们化作灰烬之前，

充分享用人生。

黄泉之下，

可没有美酒，

没有琴弦，

没有歌妓，

没有明天。 

谁说啊呦不可爱？