实现pytorch注意力机制-one demo

主要组成部分：

1. 定义注意力层：

定义一个Attention_Layer类，接受两个参数：hidden_dim（隐藏层维度）和is_bi_rnn（是否是双向RNN）。

2. 定义前向传播：

定义了注意力层的前向传播过程，包括计算注意力权重和输出。

3. 数据准备

生成一个随机的数据集，包含3个句子，每个句子10个词，每个词128个特征。

4. 实例化注意力层：

实例化一个注意力层，接受两个参数：hidden_dim（隐藏层维度）和is_bi_rnn（是否是双向RNN）。

5. 前向传播

将数据传递给注意力层的前向传播方法。

6. 分析结果

获取第一个句子的注意力权重。

7. 可视化注意力权重

使用matplotlib库可视化了注意力权重。

**主要函数和类：**
Attention_Layer类：定义了注意力层的结构和前向传播过程。
forward方法：定义了注意力层的前向传播过程。
torch.from_numpy函数：将numpy数组转换为PyTorch张量。
matplotlib库：用于可视化注意力权重。

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 定义注意力层
class Attention_Layer(nn.Module):
    def __init__(self, hidden_dim, is_bi_rnn):
        super(Attention_Layer,self).__init__()
        self.hidden_dim = hidden_dim
        self.is_bi_rnn = is_bi_rnn
        if is_bi_rnn:
            self.Q_linear = nn.Linear(hidden_dim * 2, hidden_dim * 2, bias = False)
            self.K_linear = nn.Linear(hidden_dim * 2, hidden_dim * 2, bias = False)
            self.V_linear = nn.Linear(hidden_dim * 2, hidden_dim * 2, bias = False)
        else:
            self.Q_linear = nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim, bias = False)
            self.K_linear = nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim, bias = False)
            self.V_linear = nn.Linear(hidden_dim, hidden_dim, bias = False)
        
    def forward(self, inputs, lens):
        # 获取输入的大小
        size = inputs.size()
        Q = self.Q_linear(inputs) 
        K = self.K_linear(inputs).permute(0, 2, 1)
        V = self.V_linear(inputs)
        max_len = max(lens)
        sentence_lengths = torch.Tensor(lens)
        mask = torch.arange(sentence_lengths.max().item())[None, :] < sentence_lengths[:, None]
        mask = mask.unsqueeze(dim = 1)
        mask = mask.expand(size[0], max_len, max_len)
        padding_num = torch.ones_like(mask)
        padding_num = -2**31 * padding_num.float()
        alpha = torch.matmul(Q, K)
        alpha = torch.where(mask, alpha, padding_num)
        alpha = F.softmax(alpha, dim = 2)
        out = torch.matmul(alpha, V)
        return out

# 准备数据
data = np.random.rand(3, 10, 128)  # 3个句子，每个句子10个词，每个词128个特征
lens = [7, 10, 4]  # 每个句子的长度

# 实例化注意力层
hidden_dim = 64
is_bi_rnn = True
att_L = Attention_Layer(hidden_dim, is_bi_rnn)

# 前向传播
att_out = att_L(torch.from_numpy(data).float(), lens)

# 分析结果
attention_weights = att_out[0, :, :].detach().numpy()  # 获取第一个句子的注意力权重

# 可视化注意力权重
plt.imshow(attention_weights, cmap='hot', interpolation='nearest')
plt.colorbar()
plt.show()