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"""
数据加载器实现
Data loader implementation for emotion and physiological state data
"""

import torch
from torch.utils.data import DataLoader as TorchDataLoader, random_split
from typing import Union, Tuple, Optional, List, Dict, Any
from pathlib import Path
import numpy as np
import pandas as pd
from loguru import logger

from .dataset import EmotionDataset
from .preprocessor import DataPreprocessor
from .synthetic_generator import SyntheticDataGenerator
from .gpu_preload_loader import GPUPreloadDataLoader, GPUPreloadDataLoaderFactory

class DataLoaderFactory:
    """
    数据加载器工厂类
    Factory class for creating data loaders
    """
    
    def __init__(self, config: Optional[Dict[str, Any]] = None):
        """
        初始化数据加载器工厂
        
        Args:
            config: 配置字典
        """
        self.config = config or self._get_default_config()
    
    def _get_default_config(self) -> Dict[str, Any]:
        """获取默认配置"""
        return {
            'batch_size': 32,
            'num_workers': 4,
            'pin_memory': True,
            'shuffle': True,
            'drop_last': False,
            'train_split': 0.7,
            'val_split': 0.15,
            'test_split': 0.15,
            'normalize_features': True,
            'normalize_labels': False,
            'seed': 42
        }
    
    def create_data_loaders(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        split_ratio: Optional[Tuple[float, float, float]] = None,
        **kwargs
    ) -> Tuple['DataLoader', 'DataLoader', 'DataLoader']:
        """
        创建训练、验证和测试数据加载器
        
        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            split_ratio: 训练/验证/测试分割比例
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            训练、验证、测试数据加载器的元组
        """
        # 加载数据集
        dataset = self._load_dataset(data_path, data, **kwargs)
        
        # 分割数据集
        train_dataset, val_dataset, test_dataset = self._split_dataset(
            dataset, split_ratio
        )
        
        # 创建数据加载器
        train_loader = self._create_dataloader(
            train_dataset, shuffle=True, **self.config
        )
        
        val_loader = self._create_dataloader(
            val_dataset, shuffle=False, **self.config
        )
        
        test_loader = self._create_dataloader(
            test_dataset, shuffle=False, **self.config
        )
        
        logger.info(f"Created data loaders:")
        logger.info(f"  Train: {len(train_dataset)} samples, {len(train_loader)} batches")
        logger.info(f"  Val: {len(val_dataset)} samples, {len(val_loader)} batches")
        logger.info(f"  Test: {len(test_dataset)} samples, {len(test_loader)} batches")
        
        return train_loader, val_loader, test_loader
    
    def create_single_loader(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        mode: str = 'train',
        **kwargs
    ) -> 'DataLoader':
        """
        创建单个数据加载器
        
        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            mode: 模式 ('train', 'val', 'test', 'predict')
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            数据加载器
        """
        # 设置模式特定的配置
        config = self.config.copy()
        if mode == 'train':
            config['shuffle'] = True
        else:
            config['shuffle'] = False
        
        # 加载数据集
        dataset = self._load_dataset(data_path, data, **kwargs)
        
        # 创建数据加载器
        loader = self._create_dataloader(dataset, **config)
        
        logger.info(f"Created {mode} loader: {len(dataset)} samples, {len(loader)} batches")
        
        return loader
    
    def create_synthetic_loaders(
        self,
        num_samples: int = 1000,
        split_ratio: Optional[Tuple[float, float, float]] = None,
        **kwargs
    ) -> Tuple['DataLoader', 'DataLoader', 'DataLoader']:
        """
        创建合成数据的数据加载器
        
        Args:
            num_samples: 样本数量
            split_ratio: 训练/验证/测试分割比例
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            训练、验证、测试数据加载器的元组
        """
        # 生成合成数据
        generator = SyntheticDataGenerator(num_samples=num_samples)
        data, labels = generator.generate_data()
        
        # 合并数据
        combined_data = np.hstack([data, labels])
        
        # 创建数据加载器
        return self.create_data_loaders(
            data=combined_data,
            split_ratio=split_ratio,
            **kwargs
        )
    
    def _load_dataset(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        **kwargs
    ) -> EmotionDataset:
        """
        加载数据集

        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            **kwargs: 其他参数

        Returns:
            数据集
        """
        # 明确指定标签列(确保不会选错列)
        default_label_columns = ['ai_delta_p', 'ai_delta_a', 'ai_delta_d']

        if data_path is not None:
            dataset = EmotionDataset(
                data=data_path,
                label_columns=kwargs.get('label_columns', default_label_columns),
                normalize_features=self.config['normalize_features'],
                normalize_labels=self.config['normalize_labels'],
                **kwargs
            )
        elif data is not None:
            dataset = EmotionDataset(
                data=data,
                label_columns=kwargs.get('label_columns', default_label_columns),
                normalize_features=self.config['normalize_features'],
                normalize_labels=self.config['normalize_labels'],
                **kwargs
            )
        else:
            raise ValueError("Either data_path or data must be provided")

        return dataset
    
    def _split_dataset(
        self,
        dataset: EmotionDataset,
        split_ratio: Optional[Tuple[float, float, float]] = None
    ) -> Tuple[EmotionDataset, EmotionDataset, EmotionDataset]:
        """
        分割数据集
        
        Args:
            dataset: 原始数据集
            split_ratio: 分割比例 (train, val, test)
            
        Returns:
            训练、验证、测试数据集的元组
        """
        if split_ratio is None:
            split_ratio = (
                self.config['train_split'],
                self.config['val_split'],
                self.config['test_split']
            )
        
        # 验证分割比例
        if abs(sum(split_ratio) - 1.0) > 1e-6:
            raise ValueError(f"Split ratios must sum to 1.0, got {sum(split_ratio)}")
        
        # 计算分割大小
        total_size = len(dataset)
        train_size = int(total_size * split_ratio[0])
        val_size = int(total_size * split_ratio[1])
        test_size = total_size - train_size - val_size
        
        # 设置随机种子以确保可重现性
        torch.manual_seed(self.config['seed'])
        np.random.seed(self.config['seed'])
        
        # 分割数据集
        train_dataset, val_dataset, test_dataset = random_split(
            dataset, [train_size, val_size, test_size]
        )
        
        return train_dataset, val_dataset, test_dataset
    
    def _create_dataloader(
        self,
        dataset: EmotionDataset,
        shuffle: bool = True,
        **config
    ) -> 'DataLoader':
        """
        创建数据加载器
        
        Args:
            dataset: 数据集
            shuffle: 是否打乱数据
            **config: 配置参数
            
        Returns:
            数据加载器
        """
        # Windows 上 num_workers 必须为 0
        num_workers = config.get('num_workers', self.config['num_workers'])
        import platform
        if platform.system() == 'Windows':
            num_workers = 0

        return TorchDataLoader(
            dataset,
            batch_size=int(config.get('batch_size', self.config['batch_size'])),
            shuffle=shuffle,
            num_workers=num_workers,
            pin_memory=config.get('pin_memory', self.config['pin_memory']) and torch.cuda.is_available(),
            drop_last=config.get('drop_last', self.config['drop_last'])
        )

class DataLoader:
    """
    数据加载器包装类
    Wrapper class for data loading functionality

    支持两种数据加载模式:
    1. 标准模式: 使用PyTorch DataLoader,逐batch从CPU传输到GPU
    2. GPU预加载模式: 一次性将所有数据加载到GPU,消除传输开销(适用于小数据集)
    """

    def __init__(self, config: Optional[Dict[str, Any]] = None):
        """
        初始化数据加载器

        Args:
            config: 配置字典
        """
        self.factory = DataLoaderFactory(config)
        self.config = self.factory.config

        # 检查是否启用GPU预加载模式
        self.preload_config = self.config.get('preload_to_gpu', {})
        self.use_gpu_preload = self.preload_config.get('enabled', False)

        if self.use_gpu_preload:
            logger.info("✓ GPU预加载模式已启用")
            logger.info(f"  预加载批次大小: {self.preload_config.get('batch_size', 4096)}")
            logger.info(f"  应用到验证集: {self.preload_config.get('apply_to_validation', True)}")
        else:
            logger.info("使用标准DataLoader模式")
    
    def get_train_loader(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        **kwargs
    ) -> Union['DataLoader', GPUPreloadDataLoader]:
        """
        获取训练数据加载器

        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            **kwargs: 其他参数

        Returns:
            训练数据加载器(标准DataLoader或GPU预加载DataLoader)
        """
        # GPU预加载模式
        if self.use_gpu_preload and data_path is not None:
            logger.info("创建GPU预加载训练数据加载器")
            gpu_batch_size = self.preload_config.get('batch_size', 4096)

            # 过滤掉非DataLoader参数
            gpu_loader_config = {
                'batch_size': gpu_batch_size,
                'shuffle': True,
                'normalize_features': self.config.get('normalize_features', True),
                'normalize_labels': self.config.get('normalize_labels', False),
                'input_dim': self.preload_config.get('input_dim'),
                'output_dim': self.preload_config.get('output_dim'),
            }

            factory = GPUPreloadDataLoaderFactory()
            return factory.create_train_loader(
                data_path=data_path,
                **gpu_loader_config,
                **kwargs
            )

        # 标准模式
        return self.factory.create_single_loader(
            data_path=data_path,
            data=data,
            mode='train',
            **kwargs
        )
    
    def get_val_loader(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        **kwargs
    ) -> Union['DataLoader', GPUPreloadDataLoader]:
        """
        获取验证数据加载器

        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            **kwargs: 其他参数

        Returns:
            验证数据加载器(标准DataLoader或GPU预加载DataLoader)
        """
        # GPU预加载模式
        if self.use_gpu_preload and self.preload_config.get('apply_to_validation', True) and data_path is not None:
            logger.info("创建GPU预加载验证数据加载器")
            gpu_batch_size = self.preload_config.get('batch_size', 4096)

            # 过滤掉非DataLoader参数
            gpu_loader_config = {
                'batch_size': gpu_batch_size,
                'shuffle': False,
                'normalize_features': self.config.get('normalize_features', True),
                'normalize_labels': self.config.get('normalize_labels', False),
                'input_dim': self.preload_config.get('input_dim'),
                'output_dim': self.preload_config.get('output_dim'),
            }

            factory = GPUPreloadDataLoaderFactory()
            return factory.create_val_loader(
                data_path=data_path,
                **gpu_loader_config,
                **kwargs
            )

        # 标准模式
        return self.factory.create_single_loader(
            data_path=data_path,
            data=data,
            mode='val',
            **kwargs
        )
    
    def get_test_loader(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        **kwargs
    ) -> Union['DataLoader', GPUPreloadDataLoader]:
        """
        获取测试数据加载器

        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            **kwargs: 其他参数

        Returns:
            测试数据加载器(标准DataLoader或GPU预加载DataLoader)
        """
        # GPU预加载模式
        if self.use_gpu_preload and self.preload_config.get('apply_to_validation', True) and data_path is not None:
            logger.info("创建GPU预加载测试数据加载器")
            gpu_batch_size = self.preload_config.get('batch_size', 4096)

            # 过滤掉非DataLoader参数
            gpu_loader_config = {
                'batch_size': gpu_batch_size,
                'shuffle': False,
                'normalize_features': self.config.get('normalize_features', True),
                'normalize_labels': self.config.get('normalize_labels', False),
                'input_dim': self.preload_config.get('input_dim'),
                'output_dim': self.preload_config.get('output_dim'),
            }

            factory = GPUPreloadDataLoaderFactory()
            return factory.create_test_loader(
                data_path=data_path,
                **gpu_loader_config,
                **kwargs
            )

        # 标准模式
        return self.factory.create_single_loader(
            data_path=data_path,
            data=data,
            mode='test',
            **kwargs
        )
    
    def get_predict_loader(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        **kwargs
    ) -> 'DataLoader':
        """
        获取预测数据加载器
        
        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            预测数据加载器
        """
        return self.factory.create_single_loader(
            data_path=data_path,
            data=data,
            mode='predict',
            **kwargs
        )
    
    def get_all_loaders(
        self,
        data_path: Optional[Union[str, Path]] = None,
        data: Optional[Union[np.ndarray, pd.DataFrame]] = None,
        split_ratio: Optional[Tuple[float, float, float]] = None,
        **kwargs
    ) -> Tuple['DataLoader', 'DataLoader', 'DataLoader']:
        """
        获取所有数据加载器
        
        Args:
            data_path: 数据文件路径
            data: 数据数组或DataFrame
            split_ratio: 分割比例
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            训练、验证、测试数据加载器的元组
        """
        return self.factory.create_data_loaders(
            data_path=data_path,
            data=data,
            split_ratio=split_ratio,
            **kwargs
        )
    
    def get_synthetic_loaders(
        self,
        num_samples: int = 1000,
        split_ratio: Optional[Tuple[float, float, float]] = None,
        **kwargs
    ) -> Tuple['DataLoader', 'DataLoader', 'DataLoader']:
        """
        获取合成数据加载器
        
        Args:
            num_samples: 样本数量
            split_ratio: 分割比例
            **kwargs: 其他参数
            
        Returns:
            训练、验证、测试数据加载器的元组
        """
        return self.factory.create_synthetic_loaders(
            num_samples=num_samples,
            split_ratio=split_ratio,
            **kwargs
        )

def create_data_loader(
    config: Optional[Dict[str, Any]] = None,
    **kwargs
) -> DataLoader:
    """
    创建数据加载器的便捷函数
    
    Args:
        config: 配置字典
        **kwargs: 配置参数
        
    Returns:
        数据加载器实例
    """
    if config is None:
        config = {}
    
    # 合并配置
    final_config = {**config, **kwargs}
    
    return DataLoader(final_config)

def load_data_from_config(config_path: Union[str, Path]) -> Tuple['DataLoader', 'DataLoader', 'DataLoader']:
    """
    从配置文件加载数据
    
    Args:
        config_path: 配置文件路径
        
    Returns:
        训练、验证、测试数据加载器的元组
    """
    import yaml
    
    with open(config_path, 'r') as f:
        config = yaml.safe_load(f)
    
    # 提取数据配置
    data_config = config.get('data', {})
    
    # 创建数据加载器
    loader = create_data_loader(data_config.get('dataloader', {}))
    
    # 获取数据路径
    train_path = data_config.get('train_data_path')
    val_path = data_config.get('val_data_path')
    test_path = data_config.get('test_data_path')
    
    if train_path and val_path and test_path:
        # 如果有分别的文件,分别加载
        train_loader = loader.get_train_loader(data_path=train_path)
        val_loader = loader.get_val_loader(data_path=val_path)
        test_loader = loader.get_test_loader(data_path=test_path)
    else:
        # 如果只有一个文件,自动分割
        data_path = train_path or val_path or test_path
        if data_path is None:
            raise ValueError("No data path found in config")
        
        train_loader, val_loader, test_loader = loader.get_all_loaders(
            data_path=data_path
        )
    
    return train_loader, val_loader, test_loader

# 数据增强策略
class DataAugmentation:
    """
    数据增强类
    Data augmentation strategies
    """
    
    def __init__(self, config: Optional[Dict[str, Any]] = None):
        """
        初始化数据增强
        
        Args:
            config: 配置字典
        """
        self.config = config or {}
        self.noise_std = self.config.get('noise_std', 0.01)
        self.mixup_alpha = self.config.get('mixup_alpha', 0.2)
        self.enabled = self.config.get('enabled', False)
    
    def add_gaussian_noise(self, features: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        """
        添加高斯噪声
        
        Args:
            features: 特征张量
            
        Returns:
            添加噪声后的特征张量
        """
        if not self.enabled:
            return features
        
        noise = torch.randn_like(features) * self.noise_std
        return features + noise
    
    def mixup_data(
        self,
        features: torch.Tensor,
        labels: torch.Tensor,
        alpha: Optional[float] = None
    ) -> Tuple[torch.Tensor, torch.Tensor, float]:
        """
        Mixup数据增强
        
        Args:
            features: 特征张量
            labels: 标签张量
            alpha: Beta分布参数
            
        Returns:
            混合后的特征、标签和lambda值
        """
        if not self.enabled:
            return features, labels, 1.0
        
        if alpha is None:
            alpha = self.mixup_alpha
        
        if alpha > 0:
            lam = np.random.beta(alpha, alpha)
        else:
            lam = 1
        
        batch_size = features.size(0)
        index = torch.randperm(batch_size)
        
        mixed_features = lam * features + (1 - lam) * features[index, :]
        mixed_labels = lam * labels + (1 - lam) * labels[index, :]
        
        return mixed_features, mixed_labels, lam
    
    def random_feature_dropout(self, features: torch.Tensor, dropout_rate: float = 0.1) -> torch.Tensor:
        """
        随机特征丢弃
        
        Args:
            features: 特征张量
            dropout_rate: 丢弃率
            
        Returns:
            丢弃特征后的张量
        """
        if not self.enabled:
            return features
        
        mask = torch.rand_like(features) > dropout_rate
        return features * mask.float()