RNN入门

雷锋网 AI科技评论按：本文作者何之源，原文载于知乎专栏AI Insight，雷锋网(公众号：雷锋网) AI科技评论获其授权发布。

上周写的文章《完全图解RNN、RNN变体、Seq2Seq、Attention机制》介绍了一下RNN的几种结构，今天就来聊一聊如何在TensorFlow中实现这些结构，这篇文章的主要内容为：

一个完整的、循序渐进的学习TensorFlow中RNN实现的方法。这个学习路径的曲线较为平缓，应该可以减少不少学习精力，帮助大家少走弯路。
一些可能会踩的坑
TensorFlow源码分析
一个Char RNN实现示例，可以用来写诗，生成歌词，甚至可以用来写网络小说！（项目地址：https://github.com/hzy46/Char-RNN-TensorFlow）

一、学习单步的RNN：RNNCell

如果要学习TensorFlow中的RNN，第一站应该就是去了解“RNNCell”，它是TensorFlow中实现RNN的基本单元，每个RNNCell都有一个call方法，使用方式是：(output, next_state) = call(input, state)。

借助图片来说可能更容易理解。假设我们有一个初始状态h0，还有输入x1，调用call(x1, h0)后就可以得到(output1, h1)：

TensorFlow中RNN实现的正确打开方式

再调用一次call(x2, h1)就可以得到(output2, h2)：

TensorFlow中RNN实现的正确打开方式

也就是说，每调用一次RNNCell的call方法，就相当于在时间上“推进了一步”，这就是RNNCell的基本功能。

在代码实现上，RNNCell只是一个抽象类，我们用的时候都是用的它的两个子类BasicRNNCell和BasicLSTMCell。顾名思义，前者是RNN的基础类，后者是LSTM的基础类。这里推荐大家阅读其源码实现（地址：http://t.cn/RNJrfMl），一开始并不需要全部看一遍，只需要看下RNNCell、BasicRNNCell、BasicLSTMCell这三个类的注释部分，应该就可以理解它们的功能了。

除了call方法外，对于RNNCell，还有两个类属性比较重要：

state_size
output_size

前者是隐层的大小，后者是输出的大小。比如我们通常是将一个batch送入模型计算，设输入数据的形状为(batch_size, input_size)，那么计算时得到的隐层状态就是(batch_size, state_size)，输出就是(batch_size, output_size)。

可以用下面的代码验证一下（注意，以下代码都基于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) # 通过zero_state得到一个全0的初始状态，形状为(batch_size, state_size)

output, h1 = cell.call(inputs, h0) #调用call函数

print(h1.shape) # (32, 128)

对于BasicLSTMCell，情况有些许不同，因为LSTM可以看做有两个隐状态h和c，对应的隐层就是一个Tuple，每个都是(batch_size, state_size)的形状：

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) # 通过zero_state得到一个全0的初始状态

output, h1 = lstm_cell.call(inputs, h0)

print(h1.h) # shape=(32, 128)

print(h1.c) # shape=(32, 128)

二、学习如何一次执行多步：tf.nn.dynamic_rnn

基础的RNNCell有一个很明显的问题：对于单个的RNNCell，我们使用它的call函数进行运算时，只是在序列时间上前进了一步。比如使用x1、h0得到h1，通过x2、h1得到h2等。这样的h话，如果我们的序列长度为10，就要调用10次call函数，比较麻烦。对此，TensorFlow提供了一个tf.nn.dynamic_rnn函数，使用该函数就相当于调用了n次call函数。即通过{h0,x1, x2, …., xn}直接得{h1,h2…,hn}。

具体来说，设我们输入数据的格式为(batch_size, time_steps, input_size)，其中time_steps表示序列本身的长度，如在Char RNN中，长度为10的句子对应的time_steps就等于10。最后的input_size就表示输入数据单个序列单个时间维度上固有的长度。另外我们已经定义好了一个RNNCell，调用该RNNCell的call函数time_steps次，对应的代码就是：

# inputs: shape = (batch_size, time_steps, input_size)

# cell: RNNCell

# initial_state: shape = (batch_size, cell.state_size)。初始状态。一般可以取零矩阵

outputs, state = tf.nn.dynamic_rnn(cell, inputs, initial_state=initial_state)

此时，得到的outputs就是time_steps步里所有的输出。它的形状为(batch_size, time_steps, cell.output_size)。state是最后一步的隐状态，它的形状为(batch_size, cell.state_size)。

此处建议大家阅读tf.nn.dynamic_rnn的文档（地址：https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/nn/dynamic_rnn）做进一步了解。

三、学习如何堆叠RNNCell：MultiRNNCell

很多时候，单层RNN的能力有限，我们需要多层的RNN。将x输入第一层RNN的后得到隐层状态h，这个隐层状态就相当于第二层RNN的输入，第二层RNN的隐层状态又相当于第三层RNN的输入，以此类推。在TensorFlow中，可以使用tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell函数对RNNCell进行堆叠，相应的示例程序如下：

import tensorflow as tf

import numpy as np

# 每调用一次这个函数就返回一个BasicRNNCell

def get_a_cell():
return tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128)

# 用tf.nn.rnn_cell MultiRNNCell创建3层RNN

cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([get_a_cell() for _ in range(3)]) # 3层RNN

# 得到的cell实际也是RNNCell的子类

# 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个隐层状态，每个隐层状态的大小为128

print(cell.state_size) # (128, 128, 128)

# 使用对应的call函数

inputs = tf.placeholder(np.float32, shape=(32, 100)) # 32 是 batch_size

h0 = cell.zero_state(32, np.float32) # 通过zero_state得到一个全0的初始状态

output, h1 = cell.call(inputs, h0)

print(h1) # tuple中含有3个32x128的向量

通过MultiRNNCell得到的cell并不是什么新鲜事物，它实际也是RNNCell的子类，因此也有call方法、state_size和output_size属性。同样可以通过tf.nn.dynamic_rnn来一次运行多步。

此处建议阅读MutiRNNCell源码（地址：http://t.cn/RNJrfMl）中的注释进一步了解其功能。

四、可能遇到的坑1：Output说明

在经典RNN结构中有这样的图：

TensorFlow中RNN实现的正确打开方式

在上面的代码中，我们好像有意忽略了调用call或dynamic_rnn函数后得到的output的介绍。将上图与TensorFlow的BasicRNNCell对照来看。h就对应了BasicRNNCell的state_size。那么，y是不是就对应了BasicRNNCell的output_size呢？答案是否定的。

找到源码中BasicRNNCell的call函数实现：

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

这句“return output, output”说明在BasicRNNCell中，output其实和隐状态的值是一样的。因此，我们还需要额外对输出定义新的变换，才能得到图中真正的输出y。由于output和隐状态是一回事，所以在BasicRNNCell中，state_size永远等于output_size。TensorFlow是出于尽量精简的目的来定义BasicRNNCell的，所以省略了输出参数，我们这里一定要弄清楚它和图中原始RNN定义的联系与区别。

再来看一下BasicLSTMCell的call函数定义（函数的最后几行）：

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

我们只需要关注self._state_is_tuple == True的情况，因为self._state_is_tuple == False的情况将在未来被弃用。返回的隐状态是new_c和new_h的组合，而output就是单独的new_h。如果我们处理的是分类问题，那么我们还需要对new_h添加单独的Softmax层才能得到最后的分类概率输出。

还是建议大家亲自看一下源码实现（地址：http://t.cn/RNJsJoH）来搞明白其中的细节。

五、可能遇到的坑2：因版本原因引起的错误

在前面我们讲到堆叠RNN时，使用的代码是：

# 每调用一次这个函数就返回一个BasicRNNCell

def get_a_cell():
return tf.nn.rnn_cell.BasicRNNCell(num_units=128)

# 用tf.nn.rnn_cell MultiRNNCell创建3层RNN

cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([get_a_cell() for _ in range(3)]) # 3层RNN

这个代码在TensorFlow 1.2中是可以正确使用的。但在之前的版本中（以及网上很多相关教程），实现方式是这样的：