## 输入/输出数据组织

这篇文档介绍在使用 PaddlePaddle C-API 时如何组织输入数据，以及如何解析神经网络前向计算的输出数据。

### 输入/输出数据类型
在C-API中，按照基本数据类型在PaddlePaddle内部的定义和实现，输入数据可分为：
1. 一维整型数组
2. 二维浮点型矩阵
    - 稠密矩阵
    - 稀疏矩阵

  - 说明：
    1. 一维数组**仅支持整型值**；
        - 常用于自然语言处理任务，例如：表示词语在词典中的序号；
        - 分类任务中类别标签；
    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；
    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。
    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。

### 基本使用概念

- 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`。
- `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。
- 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。

- **注**：
    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。
    2. 使用`paddle_ivector`来特指PaddlePaddle中的一维整型数组。
    3. 使用`paddle_matrix`来特指PaddlePaddle中的二维浮点型矩阵。

### 组织输入数据
- 一维整型数组

    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`。
    ```cpp
    int ids[] = {1, 2, 3};
     paddle_ivector ids_array =
         paddle_ivector_create(ids, sizeof(ids) / sizeof(int), false, false);
     CHECK(paddle_arguments_set_ids(in_args, 0, ids_array));
    ```

- **稠密矩阵**
    - 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`。
    - 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。

    ```cpp
    paddle_matrix mat =
        paddle_matrix_create(/* height = batch size */ 1,
                             /* width = dimensionality of the data layer */ layer_size,
                             /* whether to use GPU */ false);

    paddle_real* array;
    // Get the pointer pointing to the start address of the first row of the
    // created matrix.
    CHECK(paddle_matrix_get_row(mat, 0, &array));

    // Fill the matrix with a randomly generated test sample.
    srand(time(0));
    for (int i = 0; i < layer_size; ++i) {
      array[i] = rand() / ((float)RAND_MAX);
    }

    // Assign the matrix to the argument.
    CHECK(paddle_arguments_set_value(in_args, 0, mat));
    ```

- **稀疏矩阵**

  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。

  <p align="center">
  <img src="images/csr.png" width=70%></br>图1. CSR存储示意图.
  </p>

  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。

  在PaddlePaddle C-API中，通过调用以下接口创建稀疏矩阵：
  ```cpp
  PD_API paddle_matrix paddle_matrix_create_sparse(
    uint64_t height, uint64_t width, uint64_t nnz, bool isBinary, bool useGpu);
  ```

  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`）。
  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。

  - 下面的代码片段创建了一个CPU上的二值稀疏矩阵：

      ```cpp
      paddle_matrix mat = paddle_matrix_create_sparse(1, layer_size, nnz, true, false);
      int colIndices[] = {9, 93, 109};  // layer_size here is greater than 109.
      int rowOffset[] = {0, sizeof(colIndices) / sizeof(int)};

      CHECK(paddle_matrix_sparse_copy_from(mat,
                                           rowOffset,
                                           sizeof(rowOffset) / sizeof(int),
                                           colIndices,
                                           sizeof(colIndices) / sizeof(int),
                                           NULL /*values array is NULL.*/,
                                           0 /*size of the value arrary is 0.*/));
      CHECK(paddle_arguments_set_value(in_args, 0, mat));
      ```
   - 下面的代码片段在创建了一个CPU上的带元素值的稀疏矩阵：
      ```cpp
      paddle_matrix mat = paddle_matrix_create_sparse(1, layer_size, nnz, false, false);
      int colIndices[] = {9, 93, 109};  // layer_size here is greater than 109.
      int rowOffset[] = {0, sizeof(colIndices) / sizeof(int)};
      float values[] = {0.5, 0.5, 0.5};

      CHECK(paddle_matrix_sparse_copy_from(mat,
                                           rowOffset,
                                           sizeof(rowOffset) / sizeof(int),
                                           colIndices,
                                           sizeof(colIndices) / sizeof(int),
                                           values,
                                           sizeof(values) / sizeof(float)));
      ```

- 注意事项：
    1. 移动端预测**不支持**稀疏矩阵及相关的接口。

### 组织序列信息

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”。

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：

1. 单层序列
    - 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。
    - 例如：自然语言中的句子是一个序列，序列中的元素是词语；
1. 双层序列
    - 序列中的每一个元素又是一个序列。
    - 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。
    - 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。

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。

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**。

**注：**
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。
2. 非序列输入不携带`sequence_start_positions`，非序列输入无需构造`sequence_start_positions`。
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。**

图2 是PaddlePaddle中单层序列和双层序列存储示意图。
<p align="center">
<img src="images/sequence_data.png" width=80%></br>图2. 序列输入示意图.
</p>

- 单层序列

    图2 (a) 展示了一个含有4个序列的`batch`输入：
    1. 4个序列的长度分别为：5、3、2、4；
    2. 这时的`sequence_start_positions`为：`[0, 5, 8, 10, 14]`；
    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：

    ```cpp
    int seq_pos_array[] = {0, 5, 8, 10, 14};
    paddle_ivector seq_pos = paddle_ivector_create(
        seq_pos_array, sizeof(seq_pos_array) / sizeof(int), false, false);
    // Suppose the network only has one input data layer.
    CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 0, seq_pos));
    ```

- 双层序列

    图2 (b) 展示了一个含有4个序列的`batch`输入；
    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；
    1. 这时的需要同时提供：
        - 1. 外层序列在`batch`中的起始偏移`：[0, 5, 8, 10, 14]`；
        - 2. 内层序列在`batch`中的起始偏移：`[0, 2, 3, 5, 7， 8， 10， 13， 14]`；

    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：
    ```cpp
    // set the sequence start positions for the outter sequences.
    int outter_seq_pos_array[] = {0, 5, 8, 10, 14};
    paddle_ivector seq_pos =
        paddle_ivector_create(outter_seq_pos_array,
                              sizeof(outter_pos_array) / sizeof(int),
                              false,
                              false);
    // The third parameter of this API indicates the sequence level.
    // 0 for the outter sequence. 1 for the inner sequence.
    // If the input is a sequence not the nested sequence, the third parameter is
    // fixed to be 0.
    CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 0, seq_pos));

    // set the sequence start positions for the outter sequences.
    int inner_seq_pos_array[] = {0, 2, 3, 5, 7， 8， 10， 13， 14};
    paddle_ivector seq_pos = paddle_ivector_create(
        inner_pos_array, sizeof(inner_pos_array) / sizeof(int), false, false);
    // The third parameter of this API indicates the sequence level.
    // 0 for the outter sequence. 1 for the inner sequence.
    CHECK(paddle_arguments_set_sequence_start_pos(in_args, 0, 1, seq_pos));
    ```

- 注意事项：
  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。

### Python 端数据类型说明

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：

Python 端数据类型  | C-API 输入数据类型|
:-------------: | :-------------:
`paddle.data_type.integer_value` |整型数组，无需附加序列信息|
`paddle.data_type.dense_vector` |浮点型稠密矩阵，无需附加序列信息|
`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|
`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|
`paddle.data_type.integer_value_sequence` |整型数组，需附加序列信息|
`paddle.data_type.dense_vector_sequence` |浮点型稠密矩阵，需附加序列信息|
`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|
`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|
`paddle.data_type.integer_value_sub_sequence` |整型数组，需附加双层序列信息|
`paddle.data_type.dense_vector_sub_sequence` |浮点型稠密矩阵，需附加双层序列信息|
`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|
`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|

### 输出数据

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。

### 总结

- 在PaddlePaddle内部，神经网络中一个计算层的输入/输出被组织为`argument`。
- `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。
- 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。
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。

于是，在组织神经网络输入时，需要思考完成以下工作：
1. 为每一个输入/输出创建`argument`。
    - 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)。
1. 为每一个`argument`创建`paddle_matrix`或者`paddle_ivector`来存储数据。
    - 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)。
    - 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)。
1. 如果输入是序列数据，需要创建并填写`sequence_start_positions`信息。
    - 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。
    - 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。
    - 接口说明请查看 [argument.h](https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/paddle/capi/arguments.h) 文件。