pytorch中的廣播語義

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pytorch的廣播語義（broadcasting semantics），和numpy的很像，所以可以先看看numpy的文檔：

1、什麼是廣播語義？

官方文檔有這樣一個解釋：

In short, if a PyTorch operation supports broadcast, then its Tensor arguments can be automatically expanded to be of equal sizes (without making copies of the data).

這句話的意思大概是：簡單的說，如果一個pytorch操作支持廣播，那麼它的Tensor參數可以自動的擴展為相同的尺寸（不需要復制數據）。

按照我的理解，應該是指算法計算過程中，不同的Tensor如果size不同，但是符合一定的規則，那麼可以自動的進行維度擴展，來實現Tensor的計算。在維度擴展的過程中，並不是真的把維度小的Tensor復制為和維度大的Tensor相同，因為這樣太浪費內存瞭。

2、廣播語義的規則

首先來看標準的情況，兩個Tensor的size相同，則可以直接計算：

x = torch.empty((4, 2, 3))
y = torch.empty((4, 2, 3)) 
print((x+y).size()) 

輸出：

torch.Size([4, 2, 3]) 

但是，如果兩個Tensor的維度並不相同，pytorch也是可以根據下面的兩個法則進行計算：

  • （1）Each tensor has at least one dimension.
  • （2）When iterating over the dimension sizes, starting at the trailing dimension, the dimension sizes must either be equal, one of them is 1, or one of them does not exist.
  • 每個Tensor至少有一個維度。
  • 迭代標註尺寸時，從後面的標註開始

第一個規則要求每個參與計算的Tensor至少有一個維度，第二個規則是指在維度迭代時，從最後一個維度開始，可以有三種情況：

  • 維度相等
  • 其中一個維度是1
  • 其中一個維度不存在

3、不符合廣播語義的例子

x = torch.empty((0, ))
y = torch.empty((2, 3)) 
print((x + y).size())

輸出：

RuntimeError: The size of tensor a (0) must match  the size of tensor b (3) at non-singleton dimension 1 

這裡，不滿足第一個規則“每個參與計算的Tensor至少有一個維度”。

x = torch.empty(5, 2, 4, 1) 
y = torch.empty(3, 1, 1) 
print((x + y).size())

輸出：

RuntimeError: The size of tensor a (2) must match 
the size of tensor b (3) at non-singleton dimension 1 

這裡，不滿足第二個規則，因為從最後的維度開始迭代的過程中，倒數第三個維度：x是2，y是3。這並不符合第二條規則的三種情況，所以不能使用廣播語義。

4、符合廣播語義的例子

x = torch.empty(5, 3, 4, 1) 
y = torch.empty(3, 1, 1) 
print((x + y).size()) 

輸出：

torch.Size([5, 3, 4, 1]) 

x是四維的，y是三維的，從最後一個維度開始迭代：

  • 最後一維：x是1，y是1，滿足規則二 
  • 倒數第二維：x是4，y是1，滿足規則二 
  • 倒數第三維：x是3，y是3，滿足規則一
  • 倒數第四維：x是5，y是0，滿足規則一 

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