这里num_layers是同一个time_step的结构堆叠，Lstm堆叠层数与time step无关。Time step表示的是时间序列长度，它是由数据的inputsize决定，你输的数据时序有多长，那么神经网络会自动确定，时间序列长度只需要与你输入的数据时序长度保持一致即可。
lstm=nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers)
x seq_len, batch, input_size
h0 num_layers× imes×num_directions, batch, hidden_size
c0 num_layers× imes×num_directions, batch, hidden_size
output seq_len, batch, num_directions× imes×hidden_size
hn num_layers× imes×num_directions, batch, hidden_size
cn num_layers× imes×num_directions, batch, hidden_size
举个例子：
对句子进行LSTM操作
假设有100个句子（sequence）,每个句子里有7个词，batch_size=64，embedding_size=300
此时，各个参数为：
input_size=embedding_size=300
batch=batch_size=64
seq_len=7
另外设置hidden_size=100, num_layers=1
import torch
import torch.nn as nn
lstm = nn.LSTM(300, 100, 1)
x = torch.randn(7, 64, 300)
h0 = torch.randn(1, 64, 100)
c0 = torch.randn(1, 64, 100)
output, (hn, cn)=lstm(x, (h0, c0))
>>
output.shape torch.Size([7, 64, 100])
hn.shape torch.Size([1, 64, 100])
cn.shape torch.Size([1, 64, 100])
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作者：huxuedan01
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/m0_37586991/article/details/88561746
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二、双向LSTM模型
1、双向LSTM的结构
双向LSTM（Bidirectional Long-Short Term Memorry，Bi-LSTM）不仅能利用到过去的信息，还能捕捉到后续的信息，比如在词性标注问题中，一个词的词性由上下文的词所决定，那么用双向LSTM就可以利用好上下文的信息。
双向LSTM由两个信息传递相反的LSTM循环层构成，其中第一层按时间顺序传递信息，第二层按时间逆序传递信息。
没有去找双向LSTM的图了，就看这个双向RNN的结构来学习吧，理解了双向RNN，那么把循环层的记忆细胞换成LSTM就行。
2、双向LSTM隐状态的计算
关键在于隐状态如何计算。为了简单，还是按照双向RNN的公式进行理解，我们看隐状态如何计算。可以看到t时刻第一层（顺时间循环层）的隐状态ht(1)取决于前一时刻的隐状态ht-1(1)和输入值xt，这一点非常容易理解。
而要注意的是第二层（逆时间循环层）的隐状态则依然取决于前一时刻的隐状态和输入值x，这与堆叠的LSTM不同，堆叠的LSTM其l层的隐状态不由输入值x直接输入得到，而是取决于该层前一时刻的隐状态和当前时刻下一层的隐状态。如下的公式就是堆叠的循环网络层中隐状态的计算过程。
双向LSTM和堆叠的LSTM可以结合使用，在顺时间循环层我们可以构造堆叠多层的LSTM，同样，在逆时间循环层可以堆叠多个。
而双向LSTM的一个循环层中有两个隐状态，长期状态C用于内部传递信息，不抛头露面，而短期状态h则作为该循环层的输出，用于其他循环层或全连接层的计算。因此在对得的双向LSTM的最后一步，会有超过4个隐状态存在。
先上结论：
- output保存了最后一层，每个time step的输出h，如果是双向LSTM，每个time step的输出h = [h正向, h逆向] (同一个time step的正向和逆向的h连接起来)。
- h_n保存了每一层，最后一个time step的输出h，如果是双向LSTM，单独保存前向和后向的最后一个time step的输出h。
- c_n与h_n一致，只是它保存的是c的值。
下面单独分析三个输出：
- output是一个三维的张量，第一维表示序列长度，第二维表示一批的样本数(batch)，第三维是 hidden_size(隐藏层大小) * num_directions ，这里是我遇到的第一个不理解的地方，hidden_sizes由我们自己定义，num_directions这是个什么鬼？翻看源码才明白，先贴出代码，从代码中可以发现num_directions根据是“否为双向”取值为1或2。因此，我们可以知道，output第三个维度的尺寸根据是否为双向而变化，如果不是双向，第三个维度等于我们定义的隐藏层大小；如果是双向的，第三个维度的大小等于2倍的隐藏层大小。为什么使用2倍的隐藏层大小？因为它把每个time step的前向和后向的输出连接起来了，后面会有一个实验，方便我们记忆。
2. h_n是一个三维的张量，第一维是num_layers*num_directions，num_layers是我们定义的神经网络的层数，num_directions在上面介绍过，取值为1或2，表示是否为双向LSTM。第二维表示一批的样本数量(batch)。第三维表示隐藏层的大小。第一个维度是h_n难理解的地方。首先我们定义当前的LSTM为单向LSTM，则第一维的大小是num_layers，该维度表示第n层最后一个time step的输出。如果是双向LSTM，则第一维的大小是2 * num_layers，此时，该维度依旧表示每一层最后一个time step的输出，同时前向和后向的运算时最后一个time step的输出用了一个该维度。
- 举个例子，我们定义一个num_layers=3的双向LSTM，h_n第一个维度的大小就等于 6 （2*3），h_n[0]表示第一层前向传播最后一个time
step的输出，h_n[1]表示第一层后向传播最后一个time step的输出，h_n[2]表示第二层前向传播最后一个time step的输出，h_n[3]表示第二层后向传播最后一个time step的输出，h_n[4]和h_n[5]分别表示第三层前向和后向传播时最后一个time step的输出。
3. c_n与h_n的结构一样，就不重复赘述了。
给出一个样例图（画工太差，如有错误请指正），对比前面的例子自己分析下
最后上一段代码结束战斗
import torch
import torch.nn as nn
定义一个两层双向的LSTM，input size为10，hidden size为20。
随机生成一个输入样本，sequence length为5，batch size为3，input size与定义的网络一致，为10。
手动初始化h0和c0，两个结构一致(num_layers * 2, batch, hidden_size) = (4, 3, 20)。
如果不初始化，PyTorch默认初始化为全零的张量。
bilstm = nn.LSTM(input_size=10, hidden_size=20, num_layers=2, bidirectional=True)
input = torch.randn(5, 3, 10)
h0 = torch.randn(4, 3, 20)
c0 = torch.randn(4, 3, 20)
output, (hn, cn) = bilstm(input, (h0, c0))
查看output，hn，cn的维度
print('output shape: ', output.shape)
print('hn shape: ', hn.shape)
print('cn shape: ', cn.shape)
输出：
output shape: torch.Size([5, 3, 40])
hn shape: torch.Size([4, 3, 20])
cn shape: torch.Size([4, 3, 20])
根据一开始结论，我们来验证下。
1.前向传播时，output中最后一个time step的前20个与hn最后一层前向传播的输出应该一致。
output[4, 0, :20] == hn[2, 0]
输出：
tensor([ 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1, 1, 1], dtype=torch.uint8)
2.后向传播时，output中最后一个time step的后20个与hn最后一层后向传播的输出应该一致。
output[0, 0, 20:] == hn[3, 0]
输出：
tensor([ 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1,
1, 1, 1, 1, 1, 1], dtype=torch.uint8)