Tensor

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概述

张量（Tensor）是MindSpore网络运算中的基本数据结构。张量中的数据类型可参考dtype。

不同维度的张量分别表示不同的数据，0维张量表示标量，1维张量表示向量，2维张量表示矩阵，3维张量可以表示彩色图像的RGB三通道等等。

张量构造

构造张量时，支持传入Tensor、float、int、bool、tuple、list、complex、numpy.array和numpy.str类型，其中tuple和list里只能存放float、int、bool、complex类型数据， 其中complex表示复数数据类型，其中numpy.str仅支持数据透传使用，不支持在算子侧运行。

Tensor初始化时，可指定dtype。如果没有指定dtype，初始值int、float、bool、complex分别生成数据类型为mindspore.int32、mindspore.float64、mindspore.bool_、mindspore.complex128的0维Tensor， 初始值tuple和list生成的1维Tensor数据类型与tuple和list里存放的数据类型相对应，如果包含多种不同类型的数据，则按照优先级：bool < int < float < complex，选择相对优先级最高类型所对应的mindspore数据类型。 如果初始值是Tensor，则生成的Tensor数据类型与其一致；如果初始值是NumPy.array，则生成的Tensor数据类型与之对应。

代码样例如下：

[1]:

import numpy as np
from mindspore import Tensor
from mindspore import dtype as mstype

x = Tensor(np.array([[1, 2], [3, 4]]), mstype.int32)
y = Tensor(1.0, mstype.int32)
z = Tensor(2, mstype.int32)
m = Tensor(True, mstype.bool_)
n = Tensor((1, 2, 3), mstype.int16)
p = Tensor([4.0, 5.0, 6.0], mstype.float64)
q = Tensor(p, mstype.float64)

print(x, "\n\n", y, "\n\n", z, "\n\n", m, "\n\n", n, "\n\n", p, "\n\n", q)

[[1 2]
 [3 4]]

 1

 2

 True

 [1 2 3]

 [4. 5. 6.]

 [4. 5. 6.]

张量的运算、属性和方法

运算

张量支持多种操作符运算，包括算术运算、逻辑运算等。当不同形状的两个数组进行运算时，提供与Numpy相似的broadcast广播机制。以下是一些常用运算操作符：

  • 算术运算：加（+）、减（-）、乘（*）、除（/）、取模（%）、幂次方（**）、整除（//）

  • 逻辑运算：等于（==）、不等于（!=）、大于（>）、大于等于（>=）、小于（<）、小于等于（<=）

代码样例如下：

[2]:

import numpy as np
from mindspore import Tensor
from mindspore import dtype as mstype

x = Tensor(np.array([1, 2, 3]), mstype.float32)
y = Tensor(np.array([4, 5, 6]), mstype.float32)
output_add = x + y
output_sub = x - y
output_mul = x * y
output_div = y / x
output_mod = x % y
output_pow = x ** 2
output_floordiv = y // x
print("add:", output_add)
print("sub:", output_sub)
print("mul:", output_mul)
print("div:", output_div)
print("mod:", output_mod)
print("pow:", output_pow)
print("floordiv:", output_floordiv)

a = Tensor(np.array([2, 2, 2]), mstype.int32)
b = Tensor(np.array([1, 2, 3]), mstype.int32)
output_eq = a == b
output_ne = a != b
output_gt = a > b
output_gq = a >= b
output_lt = a < b
output_lq = a <= b
print("equal:", output_eq)
print("not equal:", output_ne)
print("greater than:", output_gt)
print("greater or equal:", output_gq)
print("less than:", output_lt)
print("less or equal:", output_lq)

add: [5. 7. 9.]
sub: [-3. -3. -3.]
mul: [ 4. 10. 18.]
div: [4. 2.5 2. ]
mod: [1. 2. 3.]
pow: [1. 4. 9.]
floordiv: [4. 2. 2.]
equal: [False True False]
not equal: [ True False True]
greater than: [ True False False]
greater or equal: [ True True False]
less than: [False False True]
less or equal: [False True True]

属性

张量的属性包括形状、数据类型、转置张量、单个元素大小、占用字节数量、维数、元素个数、每一维步长。

  • 形状（shape）：Tensor的shape，是一个tuple。

  • 数据类型（dtype）：Tensor的dtype，是MindSpore的一个数据类型。

  • 转置张量（T）：Tensor的转置，也是一个Tensor。

  • 单个元素大小（itemsize）： Tensor中每一个元素占用字节数，是一个整数。

  • 占用字节数量（nbytes）： Tensor占用的总字节数，是一个整数。

  • 维数（ndim）： Tensor的秩，也就是len(tensor.shape)，是一个整数。

  • 元素个数（size）： Tensor中所有元素的个数，是一个整数。

  • 每一维步长（strides）： Tensor中每一维中进行遍历所需要经过的字节数。

代码样例如下：

[3]:

import numpy as np
from mindspore import Tensor
from mindspore import dtype as mstype

x = Tensor(np.array([[1, 2], [3, 4]]), mstype.int32)
x_shape = x.shape
x_dtype = x.dtype
x_transposed = x.T
x_itemsize = x.itemsize
x_nbytes = x.nbytes
x_ndim = x.ndim
x_size = x.size
x_strides = x.strides
print("x_shape:", x_shape)
print("x_dtype:", x_dtype)
print("x_transposed:", x_transposed)
print("x_itemsize:", x_itemsize)
print("x_nbytes:", x_nbytes)
print("x_ndim:", x_ndim)
print("x_size:", x_size)
print("x_strides:", x_strides)

x_shape: (2, 2)
x_dtype: Int32
x_transposed: [[1 3]
 [2 4]]
x_itemsize: 4
x_nbytes: 16
x_ndim: 2
x_size: 4
x_strides: (8, 4)

方法

张量的方法包括len、str、repr、hash、all、any和asnumpy等，我们同时提供了与Numpy的ndarray使用方式类似的Tensor方法来提升用户体验。详细的方法列表，使用方式以及支持后端请参考Tensor类方法API，以下是一些类方法的简单介绍：

  • len()：返回张量的长度。

  • str()：返回张量的字符串表达。

  • repr()：返回张量的字符串表达，供解释器读取。

  • hash()：获取张量的哈希值。

  • all(axis, keep_dims)：在指定维度上通过and操作进行归约，axis代表归约维度，keep_dims表示是否保留归约后的维度。

  • any(axis, keep_dims)：在指定维度上通过or操作进行归约，参数含义同all。

  • asnumpy()：将Tensor转换为NumPy的array。

  • sum(axis, dtype, keepdims, initial): 在指定维度上对张量进行归约求和，axis代表归约维度，dtype代表输出的数据的类型，keepdims表示是否保留归约后的维度, initial表示规约求和开始前的初始值。

代码样例如下：

[4]:

import numpy as np
from mindspore import Tensor
from mindspore import dtype as mstype

t = Tensor(np.array([1, 2, 3]), mstype.int32)
t_len = len(t)
t_str = str(t)
t_repr = repr(t)
t_hash = hash(t)
print("t_len:", t_len)
print("t_str:", t_str)
print("t_repr:", t_repr)
print("t_hash:", t_hash)

x = Tensor(np.array([[True, True], [False, False]]), mstype.bool_)
x_all = x.all()
x_any = x.any()
x_array = x.asnumpy()
print("x_all:", x_all)
print("x_any:", x_any)
print("x_array:", x_array)

import mindspore.numpy as mnp
y = Tensor(np.array([[1., 2.], [3., 4.]]), mstype.float32)
# y.sum() and mindspore.numpy.sum(y) are equivalent methods
y_sum_tensor = y.sum()
y_sum_mnp = mnp.sum(y)
print("y_sum_tensor:", y_sum_tensor)
print("y_sum_mnp:", y_sum_mnp)

t_len: 3
t_str: [1 2 3]
t_repr: Tensor(shape=[3], dtype=Int32, value= [1, 2, 3])
t_hash: 281470264268272
x_all: False
x_any: True
x_array: [[ True  True]
 [False False]]
y_sum_tensor: 10.0
y_sum_mnp: 10.0

稀疏张量

稀疏张量是一种特殊张量，其中绝大部分元素的值为零。在某些应用场景中（比如推荐系统），数据的特征是稀疏的，若使用普通张量表征这些数据会引入大量不必要的计算、存储和通讯开销。在这种时候就可以使用稀疏张量来表征这些数据。

常用稀疏张量的表达形式是<indices:Tensor, values:Tensor, dense_shape:Tensor>。其中，indices表示非零下标元素， values表示非零元素的值，dense_shape表示的是被压缩的稀疏张量的形状。 在这个结构下，我们定义了RowTensor和SparseTensor两种稀疏张量结构。

PyNative模式暂不支持稀疏张量。

RowTensor

RowTensor用于压缩第零个维度稀疏的张量。若RowTensor的维度为[L0, D1, D2, ..., DN ]。第零维度的非零元素个数为D0, 则有L0 >> D0。

  • indices: 一维整数张量，表示稀疏张量第零维度中非零元素的位置。形状：[D0]

  • values: 表示相对应的非零元素的值。形状：[D0, D1, D2, ..., DN]

  • dense_shape: 表示的是被压缩的稀疏张量的形状。

RowTensor只能在Cell的构造方法中使用。详细内容，请参考mindspore.RowTensor。代码样例如下：

[5]:

import mindspore as ms
import mindspore.nn as nn
from mindspore import Tensor
from mindspore import RowTensor

class Net(nn.Cell):
    def __init__(self, dense_shape):
        super(Net, self).__init__()
        self.dense_shape = dense_shape
    def construct(self, indices, values):
        x = RowTensor(indices, values, self.dense_shape)
        return x.values, x.indices, x.dense_shape

indices = Tensor([0])
values = Tensor([[1, 2]], dtype=ms.float32)
out = Net((3, 2))(indices, values)
print(out[0])
print(out[1])
print(out[2])

[[1. 2.]]
[0]
(3, 2)

SparseTensor

SparseTensor用于压缩非零元素位置分布不规则的Tensor，若非零元素的个数为N，被压缩的张量的维数为ndims，则有：

  • indices: 二维整数张量，每行代表非零元素下标。形状：[N, ndims]

  • values: 一维张量，表示相对应的非零元素的值。形状：[N]

  • dense_shape: 表示的是被压缩的稀疏张量的形状。

SparseTensor只能在Cell的构造方法中使用。详细内容，请参考mindspore.SparseTensor。代码样例如下：

[6]:

import mindspore as ms
import mindspore.nn as nn
from mindspore import Tensor
from mindspore import SparseTensor

class Net(nn.Cell):
    def __init__(self, dense_shape):
        super(Net, self).__init__()
        self.dense_shape = dense_shape
    def construct(self, indices, values):
        x = SparseTensor(indices, values, self.dense_shape)
        return x.values, x.indices, x.dense_shape

indices = Tensor([[0, 1], [1, 2]])
values = Tensor([1, 2], dtype=ms.float32)
out = Net((3, 4))(indices, values)
print(out[0])
print(out[1])
print(out[2])

[1. 2.]
[[0 1]
 [1 2]]
(3, 4)