文章目录

1 前言

1.1 torch_geometric.data.Data

PyG 提供了torch_geometric.data.Data用于构建图，包括 5 个属性，每一个属性都不是必须的，可以为空。

Data(x, edge_index, edge_attr, y）
x: 存储每个节点的特征，形状是[num_nodes, num_node_features]，一般是float tensor。
edge_index: 用于存储节点之间的边，形状是 [2, num_edges]，一般是long tensor。
edge_attr: 表示边属性，shape: [num_edges, num_edge_features]
y: 存储样本标签。如果是每个节点都有标签，那么形状是[num_nodes, *]；如果是整张图只有一个标签，那么形状是[1, *]，一般是long tensor。
edge_attr: 存储边的特征。形状是[num_edges, num_edge_features]
pos: 存储节点的坐标，形状是[num_nodes, num_dimensions]

实际上，Data对象不仅仅限制于这些属性，我们可以通过data.face来扩展Data，以张量保存三维网格中三角形的连接性。

有了Data，我们可以创建自己的Dataset，读取并返回Data了。

1.2 torch_geometric.datasets 自带的数据集

PyG 的dataset继承自torch.utils.data.Dataset，自带了很多图数据集，我们以TUDataset为例，通过以下代码就可以加载数据集，root参数设置数据下载的位置。通过索引可以访问每一个数据。

from torch_geometric.datasets import TUDataset
dataset = TUDataset(root='/tmp/ENZYMES', name='ENZYMES')
data = dataset[0]
	...

1.3 自定义数据集

除了使用benchmark数据集进行实验外，还可以自定义数据集，其方式与Pytorch类似，需要继承数据集类。PyG中提供了两个数据集抽象类：

torch_geometric.data.InMemoryDataset：用于构建内存数据集（小数据集），继承自Dataset，一次性加载所有数据到内存。
torch_geometric.data.Dataset：用于构建大型数据集（非内存数据集），分次加载到内存；

基于Data创建数据集的参数

root：string，保存数据集的路径。
transform：将Data类型的数据作为输入，并返回转换后的图。数据对象将在每次访问之前进行转换。
pre_transform：将Data类型的数据作为输入，并返回转换后的图。数据对象将在保存到硬盘之前进行转换。
pre_filter：将Data类型的数据作为输入，并返回布尔值。指示数据对象是否应包含在最终的数据集中。

2 继承InMemoryDataset构建内存数据集

2.1 需要实现的方法

在PyG中要构建自己的内存数据集需要先继承InMemoryDataset类，并实现如下方法：

raw_file_names()：返回原始数据集的文件名列表，若self.raw_dir中没有该列表中的文件，则会通过download()进行下载；
processed_file_names()：返回process()方法处理后的文件名列表，若self.processed_dir中没有确实该列表中的文件，则需要通过process()方法进行处理；
download()：下载原始数据集到self.raw_dir中，在自定义数据集中一般pass掉。
process()：写一个函数处理原始数据集成torch_geometric.data.Data的形式，并保存到processed_dir中，如果是图分类，还需要把多个图存成一个list。

注意：
①在前两个方法中，若只有单个文件，直接返回文件字符串即可，不一定要返回list对象。
②download和process只在第一次调用时会调用，之后会直接加载处理好的数据集。
以上4个方法并不都是需要的，例如如果你本地已经有了数据集，就不需要重写download()函数来下载原始数据集。
③self.raw_dir和self.processed_dir其实是两个方法，其源码为：

# 加上@property，可以使得方法像属性一样被调用
@property
def raw_dir(self) -> str:
    return osp.join(self.root, 'raw')

@property
def processed_dir(self) -> str:
    return osp.join(self.root, 'processed')

从源码可以看出，self.raw_dir和self.processed_dir是给定保存路径root下的原始数据文件夹和处理后的数据文件夹的路径。

2.2 例子

import torch
from torch_geometric.data import InMemoryDataset
class MyOwnDataset(InMemoryDataset):
	def __init__(self, root, transform=None, pre_transform=None, pre_filter=None):
		super(MyOwnDataset, self).__init__(root, transform, pre_transform, pre_filter)
		self.data, self.slices = torch.load(self.processed_paths[0])
	
	@property
	def raw_file_names(self):
		return ['some_file_1', 'some_file_2', ...]
	
	@property
	def processed_file_names(self):
		return ['data.pt']

	def download(self):  # Download to `self.raw_dir`.
		pass

	def process(self):
		# Read data into huge `Data` list.
		data_list = [...]
		if self.pre_filter is not None:
			data_list = [data for data in data_list if self.pre_filter(data)]
		if self.pre_transform is not None:
			data_list = [self.pre_transform(data) for data in data_list]
		# g = Data(edge_index=edge_index, num_nodes=4039)
		# data, slices = self.collate([g])
		data, slices = self.collate(data_list)
		torch.save((data, slices), self.processed_paths[0])

注意
①如果需要在init里面初始化一些其他参数，如定义mask（划分训练集、验证集、测试集时），需要在super前继承参数，不然会失败无法传递到子函数里面。 举例：
在这里插入图片描述
②其余函数作用
data, slices = self.collate(data_list)
是通过self.collate把数据划分成不同slices去保存读取 （大数据块切成小块），便于后续生成batch。
所以即使只有一个graph写成了data， 在调用self.collate时，也要写成list形式：
data, slices = self.collate([data])

3 继承Dataset构建内存数据集

3.1 实现的方法

直接继承torch_geometric.data.Dataset，除了和InMemoryDataset相似的函数以外，需要多写两个函数
len()：返回存储在 dataset 中的图的数目。
get()：根据idx获取数据，即单个Data图。

注意：
①Dataset不会一次加载所有函数，而是分批，所有会把数据保存成好几个小数据包（.pt 文件），len() 就是说明有几个数据包，官方的写法：

def len(self):
	return len(self.processed_file_names)

可以完全照搬，只需要改变processed_file_names的返回值，有几个数据包就写几个数据名。
②get()函数中的torch.load里的函数名要和processed_file_name()返回的函数名一致， idx就是数据包的遍历下标

def get(self, idx):
	data = torch.load(osp.join(self.processed_dir, 'data_{}.pt'.format(idx)))
	return data

3.2 例子

class MyOwnDataset(Dataset):
    def __init__(self, root, transform=None, pre_transform=None, pre_filter=None):
        super().__init__(root, transform, pre_transform, pre_filter)

    @property
    def raw_file_names(self):
        return ['some_file_1', 'some_file_2', ...]

    @property
    def processed_file_names(self):
        return ['data_1.pt', 'data_2.pt', ...]

    def download(self):
        # Download to `self.raw_dir`.
        path = download_url(url, self.raw_dir)
        ...

    def process(self):
        idx = 0
        for raw_path in self.raw_paths:
            # Read data from `raw_path`.
            data = Data(...)
            if self.pre_filter is not None and not self.pre_filter(data):
                continue
            if self.pre_transform is not None:
                data = self.pre_transform(data)
            torch.save(data, osp.join(self.processed_dir, f'data_{idx}.pt'))
            idx += 1

    def len(self):
        return len(self.processed_file_names)

    def get(self, idx):
        data = torch.load(osp.join(self.processed_dir, f'data_{idx}.pt'))
        return data

3.3 几个容易出问题的地方

①继承InMemoryDataset时，在super继承之后，有一个读取数据的命令torch.load在这里插入图片描述
由于继承Dataset， 在get()函数中实现torch.load数据，所以在super继承后不需要这条命令，否则会报错。

②不再调用self.collate()去划分数据包，也就没有data_list. 直接使用torch.save把一个个小数据包按照下标储存就好。
在这里插入图片描述

4 TUDataset自定义数据集实战

4.1 重新自定义TUDataset

运行内置数据TUDataset：

from torch_geometric.datasets import TUDataset
dataset = TUDataset('./', name="PROTEINS_full", use_node_attr=True)
next(iter(dataset)) # Data(edge_index=[2, 162], x=[42, 32], y=[1])

运行结束后，会生成以下文件：
在这里插入图片描述
我们来分析一下数据
共1113个图，2个类别
_A.txt：(m,2)；表示m条边 每行表示 (row, col) -> (node_id, node_id)
_graph_indicator.txt：(n,1)，第 i 行表示第 i 个结点属于哪个图graph_id
_graph_labels.txt：(N,1)，第 i 行表示第 i 个图的标签
_node_labels.txt：(n,1) 行， 第 i 行表示节点标签
_node_attributes.txt：(n, num_nodefeatures)，第 i 行表示节点 i 的特征

根据以上数据，可以自定义数据集：


import torch
from torch_geometric.data import InMemoryDataset
from torch_geometric.io import read_tu_data
import os

class CustomDatset(InMemoryDataset):
    def __init__(self, root='./PROTEINS_full', filepath='./PROTEINS_full/raw',
                 name='custom', use_edge_attr=True, transform=None,
                 pre_transform=None, pre_filter=None):
        self.name = name
        self.root = root
        self.filepath = filepath
        self.filenames = os.listdir(filepath)
        self.use_edge_attr = use_edge_attr
        self.pre_transform = pre_transform
        self.pre_filter = pre_filter
        super().__init__(root, transform, pre_transform, pre_filter)
        self.data, self.slices = torch.load(self.processed_paths[0])
        # self.slices：一个切片字典，用于从该对象重构单个示例

    @property
    def raw_dir(self):
        """默认也是self.root/raw"""
        return self.filepath

    @property
    def processed_dir(self):
        """默认是self.root/processed"""
        return os.path.join(self.root, self.name)

    @property
    def raw_file_names(self):
        """"原始文件的文件名，如果存在则不会触发download"""
        return self.filenames

    @property
    def processed_file_names(self):
        """处理后的文件名，如果在 processed_dir 中找到则跳过 process"""
        return ['data.pt']

    def download(self):
        """这里不需要下载"""
        pass

    def process(self):
        """主程序，对原始数据进行处理"""
        self.data, self.slices, _ = read_tu_data(self.raw_dir, 'PROTEINS_full')

        if self.pre_filter is not None:
            data_list = [self.get(idx) for idx in range(len(self))]
            data_list = [data for data in data_list if self.pre_filter(data)]
            self.data = data_list

        if self.pre_transform is not None:
            data_list = [self.get(idx) for idx in range(len(self))]
            data_list = [self.pre_transform(data) for data in data_list]
            self.data = data_list

        torch.save((self.data, self.slices), self.processed_paths[0])

运行：

if __name__ == '__main__':
    dataset = CustomDatset()
    print(dataset[0]) # Data(edge_index=[2, 162], x=[42, 32], y=[1])

在这里插入图片描述
可以看到生成的数据保存到了processed_file文件夹下。

需要注意的是，我们根据原文件的txt形式调用函数read_tu_data()直接生成的（一般使用在图级别任务中），不同的原数据和任务有不同的处理方法，也可以在read_tu_data()直接进行修改。

4.2 DataLoader加载数据

通过torch_geometric.data.DataLoader可以方便地使用 mini-batch。
接着上面的例子：

from torch_geometric.data import DataLoader
from torch_scatter import scatter_mean
dataset = CustomDatset()
loader = DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)
for data in loader:
    print(data) # DataBatch(edge_index=[2, 7268], x=[2001, 32], y=[32], batch=[2001], ptr=[33])
    x = scatter_mean(data.x, data.batch, dim=0)
    print(x.size()) # torch.Size([32, 32])

torch_geometric.data.Batch继承自torch_geometric.data.Data，并且多了一个属性：batch。batch是一个列向量，它将每个元素映射到每个 mini-batch 中的相应图。
我们可以使用它分别为每个图的节点维度计算平均的节点特征：
b a t c h = [ 0 , . . . , 0 , 1 , . . . , n − 2 , n − 1 , . . . , n − 1 ] T batch = [0, ..., 0, 1 ,...,n-2,n-1,...,n-1]^T batch=[0,...,0,1,...,n−2,n−1,...,n−1]T

4.3 模型训练

这里只是展示一个简单的 GCN 模型构造和训练过程，没有用到Dataset和DataLoader。
我们将使用一个简单的 GCN 层，我们依然使用上面定义好的数据集。

我们首先加载数据集：

from torch_geometric.data import DataLoader

# 1.load data
dataset = CustomDatset()

# 2. shuffle the data
dataset = dataset.shuffle()
# equal to
# perm = torch.randperm(len(dataset))
# dataset = dataset[perm]

# 3. 按照90/10 train/test 分割数据集
ld = int(len(dataset)*0.9)
train_set = dataset[:ld]
test_set = dataset[ld:]
train_loader = DataLoader(train_set, batch_size=128, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_set, batch_size=128, shuffle=False)

然后定义用于图分类任务的 GCN：

import torch
from torch.nn import Linear
import torch.nn.functional as F
from torch_geometric.nn import GCNConv
from torch_geometric.nn import global_mean_pool
class GCN(torch.nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, hidden_channels, out_channels):
        super(GCN, self).__init__()
        torch.manual_seed(12345)
        self.conv1 = GCNConv(in_channels, hidden_channels)
        self.conv2 = GCNConv(hidden_channels, hidden_channels)
        self.conv3 = GCNConv(hidden_channels, hidden_channels)
        self.lin = Linear(hidden_channels, out_channels)
    def forward(self, x, edge_index, batch):
        # 1. 获得节点嵌入
        x = self.conv1(x, edge_index)
        x = x.relu()
        x = self.conv2(x, edge_index)
        x = x.relu()
        x = self.conv3(x, edge_index)
        # 2. Readout layer
        x = global_mean_pool(x, batch)  # [batch_size, hidden_channels]
        # 3. 分类器
        x = F.dropout(x, p=0.5, training=self.training)
        x = self.lin(x)
        return x

然后训练 200 个 epochs，并查看训练过程中的准确率。



input_dim = dataset.num_node_features
output_dim = dataset.num_classes
model = GCN(input_dim, 64, output_dim)
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01, weight_decay=5e-4)
criterion = nn.CrossEntropyLoss()

def train():
    model.train()
    for data in train_loader:
        optimizer.zero_grad()
        out = model(data.x, data.edge_index, data.batch)
        loss = criterion(out, data.y)
        loss.backward()
        optimizer.step()

def test(loader):
    model.eval()
    correct = 0
    for data in loader:  # 批遍历测试集数据集。
        out = model(data.x, data.edge_index, data.batch)  # 一次前向传播
        pred = out.argmax(dim=1)  # 使用概率最高的类别
        correct += int((pred == data.y).sum())  # 检查真实标签
    return correct / len(loader.dataset)

for epoch in range(1, 121):
    train()
    train_acc = test(train_loader)
    test_acc = test(test_loader)
    print(f'Epoch: {epoch:03d}, Train Acc: {train_acc:.4f}, Test Acc: {test_acc:.4f}')

在这里插入图片描述

5 其他

5.1 ransform、pre_transform和pre_filter

transforms在计算机视觉领域是一种很常见的数据增强。PyG 有自己的transforms，输出是Data类型，输出也是Data类型。可以使用torch_geometric.transforms.Compose封装一系列的transforms。我们以 ShapeNet 数据集 (包含 17000 个 point clouds，每个 point 分类为 16 个类别的其中一个) 为例，我们可以使用transforms从 point clouds 生成最近邻图：

import torch_geometric.transforms as T
from torch_geometric.datasets import ShapeNet

dataset = ShapeNet(root='/tmp/ShapeNet', categories=['Airplane'],
                    pre_transform=T.KNNGraph(k=6))
# dataset[0]: Data(edge_index=[2, 15108], pos=[2518, 3], y=[2518])

还可以通过transform在一定范围内随机平移每个点，增加坐标上的扰动，做数据增强：

import torch_geometric.transforms as T
from torch_geometric.datasets import ShapeNet

dataset = ShapeNet(root='/tmp/ShapeNet', categories=['Airplane'],
                    pre_transform=T.KNNGraph(k=6),
                    transform=T.RandomTranslate(0.01))
# dataset[0]: Data(edge_index=[2, 15108], pos=[2518, 3], y=[2518])

其中transform、pre_transform和pre_filter都是函数句柄，具体说明如下：
(1) transform接受参数类型为torch_geometric.data.Data，返回一个转换后的数据（数据类型不变），在每一次数据加载到程序之前都会默认调用进行数据转换。
(2)pre_transform接收参数类型为torch_geometric.data.Data，返回转换后的数据，在数据被存储到硬盘之前进行转换（只发生一次）。
(3)pre_filter接受参数类型为torch_geometric.data.Data，返回布尔类型结果，相当于对原始数据的一个mask。

可以看到InMemoryDataset中构造函数的参数，这三个函数参数都是None。如果要用pre_filter，就必须传递该参数，否则为None。

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