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@ -13,40 +13,22 @@
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1. 一维数组**仅支持整型值**;
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- 常用于自然语言处理任务,例如:表示词语在词典中的序号;
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- 分类任务中类别标签;
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1. 逻辑上高于二维的数据(例如含有多个通道的图片,视频等)在程序实现中都会转化为二维矩阵,转化方法在相应的领域都有通用解决方案,需要使用者自己了解相关的转化表示方法;
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1. 二维矩阵可以表示行向量和列向量,任何时候,如果需要浮点型数组(向量)时,都应使用C-API中的矩阵来表示,而不是C-API中的一维数组。
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不论是一维整型数组还是二维浮点数矩阵,**为它们附加上序列信息,将变成序列输入。PaddlePaddle 会通过判数据是否附带有序列信息来判断一个向量/矩阵是否是一个序列**。关于什么是“序列信息”,下文会进行详细地介绍。
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PaddlePaddle 支持两种序列类型:
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1. 单层序列
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- 序列中的每一个元素是非序列,是进行计算的基本单位,不可再进行拆分。
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- 例如:自然语言中的句子是一个序列,序列中的元素是词语;
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1. 双层序列
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- 序列中的每一个元素又是一个序列。
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- 例如:自然语言中的段落是一个双层序列;段落是有句子构成的序列;句子是由词语构成的序列。
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- 双层序列在处理长序列的任务或是构建层级模型时会发挥作用。
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1. 逻辑上高于二维的数据(例如含有多个通道的图片,视频等)在程序实现中都会转化为二维矩阵,转化方法在相应的领域都有通用解决方案,需要使用者自己了解并完成转化;
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1. 二维矩阵可以表示行向量和列向量,任何时候如果需要浮点型数组(向量),都应使用C-API中的矩阵来表示,而不是C-API中的一维数组。
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1. 不论是一维整型数组还是二维浮点数矩阵,**为它们附加上序列信息将变成序列输入。PaddlePaddle 会通过判数据是否附带有序列信息来判断一个向量/矩阵是否是一个序列**。当非序列输入时,无需关心和处理序列信息。关于什么是“序列信息”,下文会详细进行介绍。
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### 基本使用概念
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- 在PaddlePaddle内部,神经网络中一个计算层的输入/输出被组织为一个 `Argument` 结构体,如果神经网络有多个输入或者多个输入,每一个输入/输入都会对应有自己的`Argument`。
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- `Argument` 并不真正“存储”数据,而是将输入/输出信息有机地组织在一起。
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- 在`Argument`内部由`IVector`(对应着上文提到的一维整型数组)和`Matrix`(对应着上文提到的二维浮点型矩阵)来实际存储数据;由 `sequence start position` (下文详细解释) 来记录输入/输出的序列信息。
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- 在`Argument`内部由`IVector`(对应着上文提到的一维整型数组)和`Matrix`(对应着上文提到的二维浮点型矩阵)来实际存储数据;由 `Sequence Start Positions` (下文详细解释) 来描述输入/输出的序列信息。
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**注意:这篇文档之后部分将会统一使用`argument`来特指PaddlePaddle中神经网络计算层一个输入/输出数据;使用`ivector`来特指PaddlePaddle中的一维整型数组;使用`matrix`来特指PaddlePaddle中的二维浮点型矩阵;使用`sequence_start_position`来特指PaddlePaddle中的序列信息。**
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- **注**:
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1. 这篇文档之后部分将会统一使用`argument`来特指PaddlePaddle中神经网络计算层一个输入/输出数据。
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2. 使用`paddle_ivector`来特指PaddlePaddle中的一维整型数组。
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3. 使用`paddle_matrix`来特指PaddlePaddle中的二维浮点型矩阵。
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于是,在组织神经网络输入时,需要思考完成以下工作:
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1. 为每一个输入/输出创建`argument`。
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- C-API 中操作`argument`的接口请查看[argument.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h)。
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1. 为每一个`argument`创建`matrix`或者`ivector`来存储数据。
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- C-API 中操作`ivector`的接口请查看 [vector.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/vector.h)。
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- C-API 中操作`matrix`的接口请查看[matrix.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/matrix.h)。
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1. 如果输入是序列数据,需要创建并填写`sequence_start_position`信息。
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- 通过调用 [`paddle_arguments_set_sequence_start_pos`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h#L137) 来为一个`argument`添加序列信息;
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- 通过调用 [`paddle_arguments_get_sequence_start_pos`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h#L150) 来读取一个`argument`添加序列信息;
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- 接口说明请查看 [argument.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h) 文件。
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### 组织非序列数据
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### 组织输入数据
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- 一维整型数组
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概念上可以将`paddle_ivector`理解为一个一维的整型数组,通常用于表示离散的类别标签,或是在自然语言处理任务中表示词语在字典中的序号。下面的代码片段创建了含有三个元素`1`、`2`、`3`的`paddle_ivector`。
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@ -56,6 +38,7 @@ PaddlePaddle 支持两种序列类型:
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paddle_ivector_create(ids, sizeof(ids) / sizeof(int), false, false);
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CHECK(paddle_arguments_set_ids(in_args, 0, ids_array));
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```
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- **稠密矩阵**
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- 一个$m×n$的稠密矩阵是一个由$m$行$n$列元素排列成的矩形阵列,矩阵里的元素是浮点数。对神经网络来说,矩阵的高度$m$是一次预测接受的样本数目,宽度$n$是神经网络定义时,`paddle.layer.data`的`size`。
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- 下面的代码片段创建了一个高度为1,宽度为`layer_size`的稠密矩阵,矩阵中每个元素的值随机生成。
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@ -83,17 +66,20 @@ PaddlePaddle 支持两种序列类型:
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- **稀疏矩阵**
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PaddlePaddle C-API 中 稀疏矩阵使用[CSR(Compressed Sparse Row Format)](https://en.wikipedia.org/wiki/Sparse_matrix#Compressed_sparse_row_(CSR,_CRS_or_Yale_format))格式存储。下图是CSR存储稀疏矩阵的示意图,在CSR表示方式中,通过(1)行偏移;(2)列号;(3)值;来决定矩阵的内容。
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PaddlePaddle C-API 中 稀疏矩阵使用[CSR(Compressed Sparse Row Format)](https://en.wikipedia.org/wiki/Sparse_matrix#Compressed_sparse_row_(CSR,_CRS_or_Yale_format))格式存储。下图是CSR存储稀疏矩阵的示意图。
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<p align="center">
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<img src="images/csr.png" width=75%></br>图1. CSR存储示意图.
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<img src="images/csr.png" width=70%></br>图1. CSR存储示意图.
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</p>
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在PaddlePaddle C-API中通过以下接口创建稀疏矩阵:
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CSR存储格式通过:(1)非零元素的值(上图中的`values`);(2)行偏移(上图中的`row offsets`):每一行元素在`values`中的起始偏移,`row offsets`中元素个数总是等于行数 + 1;(3)非零元素的列号(上图中的`column indices`)来确定稀疏矩阵的内容。
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在PaddlePaddle C-API中,通过调用以下接口创建稀疏矩阵:
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```cpp
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PD_API paddle_matrix paddle_matrix_create_sparse(
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uint64_t height, uint64_t width, uint64_t nnz, bool isBinary, bool useGpu);
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```
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1. 创建稀疏矩阵时需要显示地指定矩阵的(1)高度(`height`,在神经网络中等于一次预测处理的样本数)(2)宽度(`width`,`paddle.layer.data`的`size`)以及(3)非零元个数(`nnz`)。
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1. 当上述接口第4个参数`isBinary`指定为`true`时,**只需要设置行偏移(`row_offset`)和列号(`colum indices`),不需要提供元素值(`values`)**,这时行偏移和列号指定的元素默认其值为1。
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@ -129,26 +115,124 @@ PaddlePaddle 支持两种序列类型:
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sizeof(values) / sizeof(float)));
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```
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### 组织序列数据
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- 注意事项:
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1. 移动端预测**不支持**稀疏矩阵及相关的接口。
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### 组织序列信息
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多个排成一列的元素(可以是整型、浮点数、浮点数向量等)构成一个序列,元素之间的顺序是序列所携带的重要信息。不同序列可能会含有不同数目个元素。在 PaddlePaddle 中,序列输入/输出数据是在上文介绍的**数据输入(一维整型数组,二维浮点数矩阵)基础上,附加上序列信息**。下面详细解释什么是“序列信息”。
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### Python 端数据类型说明
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我们将神经网络一次计算接受的所有输入样本称之为一个`batch`(可以含有一条或多条样本),每一个序列在整个`batch`中的偏移,就是PaddlePaddle中所指的**序列信息**,称之为“sequence start positions”。PaddlePaddle 支持两种序列类型:
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下表列出了Python端训练接口暴露的数据类型(`paddle.layer.data`函数`type`字段的取值)对应于调用C-API时需要创建的数据类型:
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1. 单层序列
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- 序列中的每一个元素是非序列,是进行计算的基本单位,不可再进行拆分。
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- 例如:自然语言中的句子是一个序列,序列中的元素是词语;
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1. 双层序列
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- 序列中的每一个元素又是一个序列。
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- 例如:自然语言中的段落是一个双层序列;段落是由句子构成的序列;句子是由词语构成的序列。
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- 双层序列在处理长序列的任务或是构建层级模型时会发挥作用。
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这篇文档之后部分会统一使用`sequence_start_positions`来特指:PaddlePaddle中神经网络计算层输入/输出所携带的序列信息。
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对双层序列来讲,不仅要提供每一个外层序列在整个`batch`中的偏移,每一个外层序列又含有若干个内层序列,需要同时提供每一个内层序列在整个`batch`中的偏移。也就是说:**双层序列需要设置分别为外层序列和内层序列分别设置`sequence_start_positions`信息**。
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**注:**
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1. 不论序列中的元素在内存中占用多少实际存储空间,`sequence_start_positions`表示的偏移是以“序列中的一个元素”作为统计的基本单位,而不是相对`batch`起始存储地址以数据的存储大小为单位的偏移。
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2. 非序列输入不携带`sequence_start_positions`,非序列输入无需构造`sequence_start_positions`。
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3. **不论是单层序列还是双层序列的序列信息,都使用`paddle_ivector`(也就是PaddlePaddle中的一维整型数组)来存储。**
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图2 是PaddlePaddle中单层序列和双层序列存储示意图。
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<p align="center">
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<img src="images/sequence_data.png" width=80%></br>图2. 序列输入示意图.
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</p>
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- 单层序列
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图2 (a) 展示了一个含有4个序列的`batch`输入:
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1. 4个序列的长度分别为:5、3、2、4;
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2. 这时的`sequence_start_positions`为:`[0, 5, 8, 10, 14]`;
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3. 不论数据域是`paddle_ivector`类型还是`paddle_matrix`类型,都可以通过调用下面的接口为原有的数据输入附加上序列信息,使之变为一个单层序列输入,代码片段如下:
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```cpp
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int seq_pos_array[] = {0, 5, 8, 10, 14};
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paddle_ivector seq_pos = paddle_ivector_create(
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seq_pos_array, sizeof(seq_pos_array) / sizeof(int), false, false);
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// Suppose the network only has one input data layer.
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CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 0, seq_pos));
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```
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- 双层序列
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图2 (b) 展示了一个含有4个序列的`batch`输入;
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1. 4个序列的长度分别为:5、3、2、4;这四个序列又分别含有3、2、1、2个子序列;
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1. 这时的需要同时提供:
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- 1. 外层序列在`batch`中的起始偏移`:[0, 5, 8, 10, 14]`;
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- 2. 内层序列在`batch`中的起始偏移:`[0, 2, 3, 5, 7, 8, 10, 13, 14]`;
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1. 不论数据域是`paddle_ivector`类型还是`paddle_matrix`类型,这时需要调用创建序列信息和为`argument`设置序列信息的接口**两次**,分别为数据输入添加外层序列和内层序列的序列信息,使之变为一个双层序列输入,代码片段如下:
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```cpp
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// set the sequence start positions for the outter sequences.
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int outter_seq_pos_array[] = {0, 5, 8, 10, 14};
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paddle_ivector seq_pos =
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paddle_ivector_create(outter_seq_pos_array,
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sizeof(outter_pos_array) / sizeof(int),
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false,
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false);
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// The third parameter of this API indicates the sequence level.
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// 0 for the outter sequence. 1 for the inner sequence.
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// If the input is a sequence not the nested sequence, the third parameter is
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// fixed to be 0.
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CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 0, seq_pos));
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// set the sequence start positions for the outter sequences.
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int inner_seq_pos_array[] = {0, 2, 3, 5, 7, 8, 10, 13, 14};
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paddle_ivector seq_pos = paddle_ivector_create(
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inner_pos_array, sizeof(inner_pos_array) / sizeof(int), false, false);
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|
// The third parameter of this API indicates the sequence level.
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|
// 0 for the outter sequence. 1 for the inner sequence.
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|
CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 1, seq_pos));
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```
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|
- 注意事项:
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1. 当一个`batch`中含有多个序列,**不支持序列长度为`0`的序列(也就是空输入)** 作为输入。不同计算层对空输入的处理策略有可能不同,潜在会引起未定义行为,或者引起行时错误,请在输入时进行合法性检查。
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### Python 端数据类型说明
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下表列出了Python端训练接口暴露的数据类型(`paddle.layer.data`函数`type`字段的取值)对应于调用C-API需要创建的数据类型:
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Python 端数据类型 | C-API 输入数据类型|
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:-------------: | :-------------:
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`paddle.data_type.integer_value` |一维整型数组,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector` |二维浮点型稠密矩阵,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector` |二维浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector` |二维浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.integer_value_sequence` |一维整型数组,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector_sequence` |二维浮点型稠密矩阵,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector_sequence` |二维浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector_sequence` |二维浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.integer_value_sub_sequence` |一维整型数组,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector_sub_sequence` |二维浮点型稠密矩阵,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector_sub_sequence` |二维浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector_sub_sequence` |二维浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.integer_value` |整型数组,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector` |浮点型稠密矩阵,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector` |浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector` |浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,无需附加序列信息|
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`paddle.data_type.integer_value_sequence` |整型数组,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector_sequence` |浮点型稠密矩阵,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector_sequence` |浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector_sequence` |浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,需附加序列信息|
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`paddle.data_type.integer_value_sub_sequence` |整型数组,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.dense_vector_sub_sequence` |浮点型稠密矩阵,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_binary_vector_sub_sequence` |浮点型稀疏矩阵,无需提供非零元的值,默认为1,需附加双层序列信息|
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`paddle.data_type.sparse_vector_sub_sequence` |浮点型稀疏矩阵,需提供非零元的值,需附加双层序列信息|
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### 输出数据
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PaddlePaddle中一个计算层的输出数据组织方式和输入数据组织方式完全相同。一个输出数据同样被组织为一个`argument`,`argument`通过`paddle_matrix`或`paddle_ivector`存数数据,如果输出是一个序列,那么会携带有`sequence_start_positions`信息。调用C-API相关接口,读取需要的结果即可。
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### 总结
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- 在PaddlePaddle内部,神经网络中一个计算层的输入/输出被组织为`argument`。
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- `argument`并不真正“存储”数据,而是将输入/输出信息有机地组织在一起。
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- 在`argument`内部由`paddle_ivector`(一维整型数组)和`paddle_matrix`(二维浮点型矩阵)来实际存储数据。
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如果是一个序列输入/输出由 `sequence start positions` 来记录输入/输出的序列信息。
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于是,在组织神经网络输入时,需要思考完成以下工作:
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1. 为每一个输入/输出创建`argument`。
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- C-API 中操作`argument`的接口请查看[argument.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h)。
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1. 为每一个`argument`创建`paddle_matrix`或者`paddle_ivector`来存储数据。
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- C-API 中操作`paddle_ivector`的接口请查看 [vector.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/vector.h)。
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- C-API 中操作`paddle_matrix`的接口请查看[matrix.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/matrix.h)。
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1. 如果输入是序列数据,需要创建并填写`sequence_start_positions`信息。
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- 通过调用 [`paddle_arguments_set_sequence_start_pos`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h#L137) 来为一个`argument`添加序列信息。
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- 通过调用 [`paddle_arguments_get_sequence_start_pos`](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h#L150) 来读取一个`argument`添加序列信息。
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- 接口说明请查看 [argument.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h) 文件。
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