《动手学深度学习(PyTorch版)》笔记8.2

注：书中对代码的讲解并不详细，本文对很多细节做了详细注释。另外，书上的源代码是在Jupyter Notebook上运行的，较为分散，本文将代码集中起来，并加以完善，全部用vscode在python 3.9.18下测试通过，同时对于书上部分章节也做了整合。

Chapter8 Recurrent Neural Networks

8.2 Text Preprocessing

文本的预处理步骤通常包括：

1. 将文本作为字符串加载到内存中；
2. 将字符串拆分为词元（如单词和字符）；
3. 建立一个词表，将拆分的词元映射到数字索引；
4. 将文本转换为数字索引序列，方便模型操作。

代码如下：

import collections
import re
from d2l import torch as d2l

#@save
d2l.DATA_HUB['time_machine'] = (d2l.DATA_URL + 'timemachine.txt',
                                '090b5e7e70c295757f55df93cb0a180b9691891a')

def read_time_machine():  #@save
    """将《时间机器》数据集加载到文本行的列表中"""
    with open(d2l.download('time_machine'), 'r') as f:
        lines = f.readlines()
    return [re.sub('[^A-Za-z]+', ' ', line).strip().lower() for line in lines]
    #使用正则表达式 re.sub('[^A-Za-z]+', ' ', line) 将每行中的非字母字符替换为空格，并且多个连续的非字母字符被替换成一个空格
    #使用strip()去除每行开头和结尾的空格
    #使用lower()将字母转换为小写

lines = read_time_machine()
print(f'# 文本总行数: {len(lines)}')
print(lines[0])
print(lines[10])

def tokenize(lines, token='word'):  #@save
    """将文本行拆分为单词或字符词元(token)"""
    if token == 'word':
        return [line.split() for line in lines]
    elif token == 'char':
        return [list(line) for line in lines]
    else:
        print('错误：未知词元类型：' + token)

tokens = tokenize(lines)
for i in range(11):
    print(tokens[i])

词元的类型是字符串，而模型需要的输入是数字，因此需要构建一个字典，通常称为词表（vocabulary），用来将字符串类型的词元映射到从$0$开始的数字索引中。首先将训练集中的所有文档合并在一起，对它们的唯一词元进行统计，得到的统计结果称之为语料（corpus），然后根据每个唯一词元的出现频率，为其分配一个数字索引（很少出现的词元通常被移除以降低复杂性）。另外，语料库中不存在或已删除的任何词元都将映射到一个特定的未知词元“<unk>”，还可以增加一个列表，用于保存那些被保留的词元，例如：填充词元（“<pad>”）、序列开始词元（“<bos>”）、序列结束词元（“<eos>”）。

class Vocab:  #@save
    """文本词表"""
    def __init__(self, tokens=None, min_freq=0, reserved_tokens=None):
        if tokens is None:
            tokens = []
        if reserved_tokens is None:
            reserved_tokens = []
        # 按出现频率排序
        counter = count_corpus(tokens)
        self._token_freqs = sorted(counter.items(), key=lambda x: x[1],
                                reverse=True)
        # 未知词元的索引为0
        self.idx_to_token = ['<unk>'] + reserved_tokens
        self.token_to_idx = {token: idx
                            for idx, token in enumerate(self.idx_to_token)}
        for token, freq in self._token_freqs:
            if freq < min_freq:
                break
            if token not in self.token_to_idx:
                self.idx_to_token.append(token)
                self.token_to_idx[token] = len(self.idx_to_token) - 1

    def __len__(self):
        return len(self.idx_to_token)

    def __getitem__(self, tokens):
        if not isinstance(tokens, (list, tuple)):
            return self.token_to_idx.get(tokens, self.unk)
        return [self.__getitem__(token) for token in tokens]

    def to_tokens(self, indices):
        if not isinstance(indices, (list, tuple)):
            return self.idx_to_token[indices]
        return [self.idx_to_token[index] for index in indices]

    @property   #@property用于将类的方法转换为类的属性
    def unk(self):  # 未知词元的索引为0
        return 0

    @property
    def token_freqs(self):
        return self._token_freqs

def count_corpus(tokens):  #@save
    """统计词元的频率"""
    # 这里的tokens是1D列表或2D列表
    if len(tokens) == 0 or isinstance(tokens[0], list):
        # 将词元列表展平成一个列表
        tokens = [token for line in tokens for token in line]
    return collections.Counter(tokens)

vocab = Vocab(tokens)
#print(len(vocab))
print(list(vocab.token_to_idx.items())[:10])

for i in [0, 10]:
    print('文本:', tokens[i])
    print('索引:', vocab[tokens[i]])
    
def load_corpus_time_machine(max_tokens=-1):  #@save
    """返回时光机器数据集的词元索引列表和词表"""
    lines = read_time_machine()
    tokens = tokenize(lines, 'char')#为了简化后面章节中的训练，我们使用字符（而不是单词）实现文本词元化
    vocab = Vocab(tokens)
    # 因为时光机器数据集中的每个文本行不一定是一个句子或一个段落，所以将所有文本行展平到一个列表中
    corpus = [vocab[token] for line in tokens for token in line]
    if max_tokens > 0:
        corpus = corpus[:max_tokens]
    return corpus, vocab

corpus, vocab = load_corpus_time_machine()
print(len(corpus), len(vocab))