RNN入门
雷鋒網 AI科技評論按：本文作者何之源，原文載于知乎專欄AI Insight，雷鋒網(公眾號：雷鋒網) AI科技評論獲其授權發布。
上周寫的文章《完全圖解RNN、RNN變體、Seq2Seq、Attention機制》介紹了一下RNN的幾種結構，今天就來聊一聊如何在TensorFlow中實現這些結構，這篇文章的主要內容為：
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一個完整的、循序漸進的學習TensorFlow中RNN實現的方法。這個學習路徑的曲線較為平緩，應該可以減少不少學習精力，幫助大家少走彎路。
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一些可能會踩的坑
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TensorFlow源碼分析
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一個Char RNN實現示例，可以用來寫詩，生成歌詞，甚至可以用來寫網絡小說！（項目地址：https://github.com/hzy46/Char-RNN-TensorFlow）
一、學習單步的RNN：RNNCell
如果要學習TensorFlow中的RNN，第一站應該就是去了解“RNNCell”，它是TensorFlow中實現RNN的基本單元，每個RNNCell都有一個call方法，使用方式是：(output, next_state) = call(input, state)。
借助圖片來說可能更容易理解。假設我們有一個初始狀態h0，還有輸入x1，調用call(x1, h0)后就可以得到(output1, h1)：
?
再調用一次call(x2, h1)就可以得到(output2, h2)：
?
也就是說，每調用一次RNNCell的call方法，就相當于在時間上“推進了一步”，這就是RNNCell的基本功能。
在代碼實現上，RNNCell只是一個抽象類，我們用的時候都是用的它的兩個子類BasicRNNCell和BasicLSTMCell。顧名思義，前者是RNN的基礎類，后者是LSTM的基礎類。這里推薦大家閱讀其源碼實現（地址：http://t.cn/RNJrfMl），一開始并不需要全部看一遍，只需要看下RNNCell、BasicRNNCell、BasicLSTMCell這三個類的注釋部分，應該就可以理解它們的功能了。
除了call方法外，對于RNNCell，還有兩個類屬性比較重要：
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state_size
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output_size
前者是隱層的大小，后者是輸出的大小。比如我們通常是將一個batch送入模型計算，設輸入數據的形狀為(batch_size, input_size)，那么計算時得到的隱層狀態就是(batch_size, state_size)，輸出就是(batch_size, output_size)。
可以用下面的代碼驗證一下（注意，以下代碼都基于TensorFlow最新的1.2版本）：
import tensorflow as tf
import numpy as np
?
cell = tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128) # state_size = 128
print(cell.state_size) # 128
?
inputs = tf.placeholder(np.float32, shape=(32, 100)) # 32 是 batch_size
h0 = cell.zero_state(32, np.float32) # 通過zero_state得到一個全0的初始狀態，形狀為(batch_size, state_size)
output, h1 = cell.call(inputs, h0) #調用call函數
?
print(h1.shape) # (32, 128)
對于BasicLSTMCell，情況有些許不同，因為LSTM可以看做有兩個隱狀態h和c，對應的隱層就是一個Tuple，每個都是(batch_size, state_size)的形狀：
import tensorflow as tf
import numpy as np
lstm_cell = tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(num_units=128)
inputs = tf.placeholder(np.float32, shape=(32, 100)) # 32 是 batch_size
h0 = lstm_cell.zero_state(32, np.float32) # 通過zero_state得到一個全0的初始狀態
output, h1 = lstm_cell.call(inputs, h0)
?
print(h1.h) ?# shape=(32, 128)
print(h1.c) ?# shape=(32, 128)
二、學習如何一次執行多步：tf.nn.dynamic_rnn
基礎的RNNCell有一個很明顯的問題：對于單個的RNNCell，我們使用它的call函數進行運算時，只是在序列時間上前進了一步。比如使用x1、h0得到h1，通過x2、h1得到h2等。這樣的h話，如果我們的序列長度為10，就要調用10次call函數，比較麻煩。對此，TensorFlow提供了一個tf.nn.dynamic_rnn函數，使用該函數就相當于調用了n次call函數。即通過{h0,x1, x2, …., xn}直接得{h1,h2…,hn}。
具體來說，設我們輸入數據的格式為(batch_size, time_steps, input_size)，其中time_steps表示序列本身的長度，如在Char RNN中，長度為10的句子對應的time_steps就等于10。最后的input_size就表示輸入數據單個序列單個時間維度上固有的長度。另外我們已經定義好了一個RNNCell，調用該RNNCell的call函數time_steps次，對應的代碼就是：
# inputs: shape = (batch_size, time_steps, input_size)
# cell: RNNCell
# initial_state: shape = (batch_size, cell.state_size)。初始狀態。一般可以取零矩陣
outputs, state = tf.nn.dynamic_rnn(cell, inputs, initial_state=initial_state)
此時，得到的outputs就是time_steps步里所有的輸出。它的形狀為(batch_size, time_steps, cell.output_size)。state是最后一步的隱狀態，它的形狀為(batch_size, cell.state_size)。
此處建議大家閱讀tf.nn.dynamic_rnn的文檔（地址：https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/nn/dynamic_rnn）做進一步了解。
三、學習如何堆疊RNNCell：MultiRNNCell
很多時候，單層RNN的能力有限，我們需要多層的RNN。將x輸入第一層RNN的后得到隱層狀態h，這個隱層狀態就相當于第二層RNN的輸入，第二層RNN的隱層狀態又相當于第三層RNN的輸入，以此類推。在TensorFlow中，可以使用tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell函數對RNNCell進行堆疊，相應的示例程序如下：
import tensorflow as tf
import numpy as np
?
# 每調用一次這個函數就返回一個BasicRNNCell
def get_a_cell():
? ?return tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128)
# 用tf.nn.rnn_cell MultiRNNCell創建3層RNN
cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([get_a_cell() for _ in range(3)]) # 3層RNN
# 得到的cell實際也是RNNCell的子類
# 它的state_size是(128, 128, 128)
# (128, 128, 128)并不是128x128x128的意思
# 而是表示共有3個隱層狀態，每個隱層狀態的大小為128
print(cell.state_size) # (128, 128, 128)
# 使用對應的call函數
inputs = tf.placeholder(np.float32, shape=(32, 100)) # 32 是 batch_size
h0 = cell.zero_state(32, np.float32) # 通過zero_state得到一個全0的初始狀態
output, h1 = cell.call(inputs, h0)
print(h1) # tuple中含有3個32x128的向量
通過MultiRNNCell得到的cell并不是什么新鮮事物，它實際也是RNNCell的子類，因此也有call方法、state_size和output_size屬性。同樣可以通過tf.nn.dynamic_rnn來一次運行多步。
此處建議閱讀MutiRNNCell源碼（地址：http://t.cn/RNJrfMl）中的注釋進一步了解其功能。
四、可能遇到的坑1：Output說明
在經典RNN結構中有這樣的圖：
在上面的代碼中，我們好像有意忽略了調用call或dynamic_rnn函數后得到的output的介紹。將上圖與TensorFlow的BasicRNNCell對照來看。h就對應了BasicRNNCell的state_size。那么，y是不是就對應了BasicRNNCell的output_size呢？答案是否定的。
找到源碼中BasicRNNCell的call函數實現：
def call(self, inputs, state):
? ?"""Most basic RNN: output = new_state = act(W * input + U * state + B)."""
? ?output = self._activation(_linear([inputs, state], self._num_units, True))
? ?return output, output
這句“return output, output”說明在BasicRNNCell中，output其實和隱狀態的值是一樣的。因此，我們還需要額外對輸出定義新的變換，才能得到圖中真正的輸出y。由于output和隱狀態是一回事，所以在BasicRNNCell中，state_size永遠等于output_size。TensorFlow是出于盡量精簡的目的來定義BasicRNNCell的，所以省略了輸出參數，我們這里一定要弄清楚它和圖中原始RNN定義的聯系與區別。
再來看一下BasicLSTMCell的call函數定義（函數的最后幾行）：
new_c = (
? ?c * sigmoid(f + self._forget_bias) + sigmoid(i) * self._activation(j))
new_h = self._activation(new_c) * sigmoid(o)
?
if self._state_is_tuple:
?new_state = LSTMStateTuple(new_c, new_h)
else:
?new_state = array_ops.concat([new_c, new_h], 1)
return new_h, new_state
我們只需要關注self._state_is_tuple == True的情況，因為self._state_is_tuple == False的情況將在未來被棄用。返回的隱狀態是new_c和new_h的組合，而output就是單獨的new_h。如果我們處理的是分類問題，那么我們還需要對new_h添加單獨的Softmax層才能得到最后的分類概率輸出。
還是建議大家親自看一下源碼實現（地址：http://t.cn/RNJsJoH）來搞明白其中的細節。
五、可能遇到的坑2：因版本原因引起的錯誤
在前面我們講到堆疊RNN時，使用的代碼是：
# 每調用一次這個函數就返回一個BasicRNNCell
def get_a_cell():
? ?return tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128)
# 用tf.nn.rnn_cell MultiRNNCell創建3層RNN
cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([get_a_cell() for _ in range(3)]) # 3層RNN
這個代碼在TensorFlow 1.2中是可以正確使用的。但在之前的版本中（以及網上很多相關教程），實現方式是這樣的：
one_cell = ?tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128)
cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([one_cell] * 3) # 3層RNN
如果在TensorFlow 1.2中還按照原來的方式定義，就會引起錯誤！
參考自https://www.leiphone.com/news/201709/QJAIUzp0LAgkF45J.html
總結
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