稀疏矩阵存储格式总结

news2024/12/23 19:01:10

稀疏矩阵是指矩阵中的元素大部分是0的矩阵，实际问题中大规模矩阵基本上都是稀疏矩阵，很多稀疏度在90%甚至99%以上,大规模的稀疏造成了大量无效数据的计算和存储资源占用，也无法有效的载入有限内存计算。因此我们需要有高效的稀疏矩阵存储格式。本文总结几种典型的格式：COO,CSR,DIA,ELL,HYB,HASH,BSR。

COO

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采用三元组(row, col, data)(或称为ijv format)的形式来存储矩阵中非零元素的信息
三个数组 row 、col 和 data 分别保存非零元素的行下标、列下标与值（一般长度相同）
故 coo[row[k]][col[k]] = data[k] ，即矩阵的第 row[k] 行、第 col[k] 列的值为 data[k]

适用场景

主要用来创建矩阵，因为coo_matrix无法对矩阵的元素进行增删改等操作
一旦创建之后，除了将之转换成其它格式的矩阵，几乎无法对其做任何操作和矩阵运算

①优点

转换成其它存储格式很快捷简便（tobsr()、tocsr()、to_csc()、to_dia()、to_dok()、to_lil()）
能与CSR / CSC格式的快速转换
允许重复的索引（例如在1行1列处存了值2.0，又在1行1列处存了值3.0，则转换成其它矩阵时就是2.0+3.0=5.0）

②缺点

不支持切片和算术运算操作
如果稀疏矩阵仅包含非0元素的对角线，则对角存储格式(DIA)可以减少非0元素定位的信息量
这种存储格式对有限元素或者有限差分离散化的矩阵尤其有效

CSR

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csr_matrix是按行对矩阵进行压缩的
通过 columu indices, row offset，value来确定矩阵。
value表示矩阵中的非零数据
对于第 i 行而言，该行中非零元素的列索引为 indices[indptr[i]:indptr[i+1]]
可以将 columu indptr 理解成利用其自身索引 i 来指向第 i 行元素的列索引
根据[indptr[i]:indptr[i+1]]，我就得到了该行中的非零元素个数，如
- 若 row_offset[i] = 3 且 row_offset[i+1] = 3 ，则第 i 行的没有非零元素
- 若 row_offset[j] = 6 且 row_offset[j+1] = 7 ，则第 j 行的非零元素的列索引为 indices[6:7]
得到了行索引、列索引，相应的数据存放在： data[indptr[i]:indptr[i+1]]

适用场景

常用于读入数据后进行稀疏矩阵计算，运算高效

①优点

高效的稀疏矩阵算术运算
高效的行切片
快速地矩阵矢量积运算

②缺点

较慢地列切片操作（可以考虑CSC）
转换到稀疏结构代价较高（可以考虑LIL，DOK）

改进（BCSR、CSC）

注意到其中规则：若 row_offset[i] == row_offset[i+1] ，则第 i 行的全为0元素。由于稀疏矩阵可能连续多行为全0元素行，则CSR的row_offset会有大量稀疏性，则有两种改进：

BCSR（双重稀疏行压缩）：可以再新增一个pos数组存row_offset数组中offset数据的所属行，而无需大量的相同offset数据重复。
CSC（列压缩）：行压缩转换为列压缩，原理相同

ELL

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Linked List Matrix 链表矩阵

使用两个列表存储非0元素data
row保存非零元素所在的列

适用场景

适用的场景是逐渐添加矩阵的元素（且能快速获取行相关的数据）
需要注意的是，该方法插入一个元素最坏情况下可能导致线性时间的代价，所以要确保对每个元素的索引进行预排序

①优点

适合递增的构建成矩阵
转换成其它存储方式很高效
支持灵活的切片

②缺点

当矩阵很大时，考虑用coo
算术操作，列切片，矩阵向量内积操作慢

HYB

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如果某一行特别多，造成其他行的浪费，那么把这些多出来的元素（比如第三行的9，其他每一行最大都是2个元素）用COO单独存储。

DIA

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Diagonal Matrix 对角存储格式

最适合对角矩阵的存储方式
dia_matrix通过两个数组确定： data 和 offsets
data ：对角线元素的值
offsets ：第 i 个 offsets 是当前第 i 个对角线和主对角线的距离
data[k:] 存储了 offsets[k] 对应的对角线的全部元素

HASH (dok_matrix)

Dictionary of Keys Matrix 按键字典矩阵

采用字典来记录矩阵中不为0的元素
字典的 key 存的是记录元素的位置信息的元组， value 是记录元素的具体值

适用于逐渐添加矩阵的元素。

①优点

对于递增的构建稀疏矩阵很高效，比如定义该矩阵后，想进行每行每列更新值，可用该矩阵。
可以高效访问单个元素，只需要O(1)

②缺点

不允许重复索引（coo中适用），但可以很高效的转换成coo后进行重复索引

代码示例

dok = sparse.dok_matrix((5, 5), dtype=np.float32)
for i in range(5):
    for j in range(5):
        dok[i,j] = i+j    # 更新元素
# zero elements are accessible
dok[(0, 0)]  # = 0
dok.keys() # {(0, 0), ..., (4, 4)}

dok.toarray()
'''
[[0. 1. 2. 3. 4.]
 [1. 2. 3. 4. 5.]
 [2. 3. 4. 5. 6.]
 [3. 4. 5. 6. 7.]
 [4. 5. 6. 7. 8.]]
 '''

BSR

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基于行的块压缩，与csr类似，都是通过data，indices，row_offset来确定矩阵
与csr相比，只是data中的元数据由0维的数变为了一个矩阵（块），其余完全相同
块大小 blocksize
- 块大小 (R, C) 必须均匀划分矩阵 (M, N) 的形状。
- R和C必须满足关系：M % R = 0 和 N % C = 0
- 适用场景及优点参考csr
也可以用块压缩组合COO