Lab01 - 张量与数学运算

LabLab01 Stepstep0 建议时长3h 本章产出完成 framework/student.c 中本章 TODO，并用验证命令检查结果

实验编号 Lab01    预计耗时 3h       本节产出 补完本章 TODO，并让验证输出相对当前实验基线继续转绿

实验目的

完成本 lab 后，你应当能够：

  1. 解释 Tensor 结构体里 ndim / shape / strides / data 各自的含义。
  2. 用 stride 公式 offset = i * strides[0] + j * strides[1] 手算 2D 张量的一维偏移。
  3. 解释 softmax 为什么必须先减 max(x)，并写出 3 步数值稳定版本。
  4. 区分 tensor_set（写）和 tensor_get（读）的对称性——它们用同一组 stride。

实验环境

  • 涉及文件：
    • framework/student.c —— 你唯一需要修改的文件（含 TODO(student) 注释）
    • framework/student.h —— 3 个待实现函数声明
    • framework/verify.c —— 自动验证程序（不要改）
    • ../../framework/tensor.c 与 math_ops.c —— 共享实现（通过 Makefile 链接）
  • 命令： 
    make clean && make test

实验内容

1.5.1 跑通 baseline

make clean && make test

应当看到 4 个 [TEST N] ... [FAIL]（因为你的 student_* 还没实现，全是占位）。这是预期。

1.5.2 实现 student_tensor_get

打开 framework/student.c，找到 student_tensor_get 函数。

阅读 TODO(student) 提示，写 3~5 行实现：

offset = i * t->strides[0] + j * t->strides[1]
return t->data[offset]

边界：t 为 NULL 或越界时返回 0。

1.5.3 实现 student_tensor_set

与 1.5.2 对称——只是反过来写 data[offset] = value。

1.5.4 实现 student_softmax_stable

3 步：

  1. 遍历 in[] 找最大值 max
  2. out[i] = expf(in[i] - max)
  3. 归一化：out[i] /= sum(out)

1.5.5 跑通 4 个测试

make clean && make test

现象

这一节第一次运行时，请先确认你看到的是当前实验基线，而不是已经完成实验后的理想输出。Lab01 的作用就是让你在最小闭环里看到：环境通了、verify 通了、但 3 个核心函数还没写。

当前实验基线（2026-06-17 复核）

[TEST 1]  ... [FAIL]
[TEST 2]  ... [FAIL]
[TEST 3]  ... [FAIL]
[TEST 4]  ... [PASS]
3 test(s) FAILED.

这说明 student_tensor_get、student_tensor_set、student_softmax_stable 仍然是空实现，但 Makefile 和验证器已经在正常工作。

完成本章 TODO 后的目标输出

==========================================
       Lab01 - 张量与数学运算 验证
==========================================
[TEST 1]  ... [PASS]
[TEST 2]  ... [PASS]
[TEST 3]  ... [PASS]
[TEST 4]  ... [PASS]
==========================================
All tests passed!

常见失败

现象 原因 解决
[TEST 1] ... [FAIL] get(1,2)=0.0 没实现 student_tensor_get 或 strides 取错 打印 offset 检查
[TEST 3] ... [FAIL] sum(out) != 1.0 softmax 没归一化 第 3 步漏了 out[i] /= sum
[TEST 4] ... [FAIL] NaN/Inf 没减 max 第 1 步加 max 减法
undefined reference to student_tensor_get 漏写 extern 或函数名打错 对照 student.h

思考题

  1. (必做) 如果把 student_tensor_get 里的 i * t->strides[0] 写成 i * t->shape[1]，2D 张量能跑通吗？换成 3D 张量会怎样？
  2. (必做) softmax 的 3 步里，第 2 步的 expf 在输入是 -1e9 时会返回什么？-1e9 - max 呢？为什么要先减 max？
  3. (选做) 把 student_tensor_get 改成支持 3D 张量（用 for k 循环遍历 ndim），跑通 tensor_create(3, ...) 的张量。
  4. (选做) 不用 expf，自己用泰勒级数实现 exp(x)，精度 1e-3 即可。

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