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分词算法BBPE详解和Qwen的应用

article 2025/6/7 19:13:00

一、TL；DR

BPE有什么问题：依旧会遇到OOV问题，并且中文、日文这些大词汇表模型容易出现训练中未出现过的字符
Byte-level BPE怎么解决：与BPE一样是高频字节进行合并，但BBPE是以UTF-8编码UTF-8编码字节序列而非字符序列
Byte-level BPE利用utf-8编码，利用动态规划解码，最大程度的还原字符的语义和上下文信息（这是我理解为什么LLM能够通过NTP进行理解的最主要原因）
Qwen是使用BBPE算法，增加了中文的能力，词汇表包括151,643 tokens

二、实际业务的使用

字节级别字节对编码（BBPE）是一种高效的分词算法，它将输入文本分割为可变长度的字节 n-gram（子词），并将其映射为词汇表中的 token ID。以下是 BBPE 分词算法将输入文本转换为 token ID 的详细过程，以及如何结合词表进行文件操作：

2.1 输入文本的字节表示

UTF-8 编码：首先，输入文本（如一行字符串）会被转换为 UTF-8 字节序列。UTF-8 编码将每个 Unicode 字符映射为 1 到 4 个字节。
示例：假设输入文本是 "Hello, 世界"，其 UTF-8 字节序列为：
[72, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 228, 189, 160, 229, 165, 189]
其中，"Hello," 是 ASCII 字符，每个字符占用 1 个字节；而 "世界" 是 UTF-8 编码的中文字符，每个字符占用 3 个字节。

2.2 BBPE 分词

学习词汇表：BBPE 通过迭代合并最频繁出现的字节对来构建词汇表。词汇表中包含基本字节（0-255）和通过 BPE 合并生成的字节 n-gram。
分词过程：输入的字节序列会被分割成词汇表中存在的子词（字节 n-gram）。这些子词是通过 BPE 合并规则生成的。
示例：假设词汇表中有以下条目：

72, 101, 108, 108, 111, 44, 32, 228, 189, 160, 229, 165, 189
72 101, 108 108, 111 44, 32 228, 189 160, 229 165 189

2.3 映射为 Token ID

词汇表文件：BBPE 的词汇表通常存储在一个文件中，文件格式类似于：

72
101
108
108 108
111
44
32
228
189
160
229 165 189

映射过程：分词器将分割后的子词与词汇表文件进行匹配，找到对应的 token ID。
示例：假设分词后的子词为 [72 101, 108 108, 111 44, 32 228, 189 160, 229 165 189]，其对应的 token ID 可能是：
[10, 15, 20, 25, 30, 35]
其中，72 101 在词汇表中的行号是 10，108 108 的行号是 15，依此类推。

2.4 文件操作

加载词汇表：分词器在初始化时会加载词汇表文件，将其内容存储到内存中，以便快速查找。

# 假设词汇表文件名为 vocab.txt
with open('vocab.txt', 'r', encoding='utf-8') as f:vocab = [line.strip() for line in f.readlines()]# 将子词映射为 token ID
def tokenize(input_text):# 将输入文本转换为 UTF-8 字节序列byte_sequence = input_text.encode('utf-8')# 分词（这里简化为直接匹配，实际分词器会更复杂）tokens = []for subword in byte_sequence.split():subword_str = ' '.join(map(str, subword))token_id = vocab.index(subword_str)tokens.append(token_id)return tokensinput_text = "Hello, 世界"
token_ids = tokenize(input_text)
print(token_ids)

2.5 总结

输入文本 → UTF-8 字节序列 → BBPE 分词 → 映射为 Token ID
词汇表文件是 BBPE 分词的核心，它存储了所有可能的子词及其对应的 token ID。

三、Byte-level BPE算法原理

paper链接： https://arxiv.org/pdf/1909.03341

papr：Neural Machine Translation with Byte-Level Subwords

3.1 为什么要开发Byte-level BPE

解决不了中文/日语这种语言：几乎所有的分词算法都是基于字符级词汇表构建的（字符、子词或单词），但对于日语和中文的字符丰富且存在噪声文本的语言，罕见字符可能会不必要地占据词汇表的槽位，从而限制其紧凑性
字节表示会引入计算成本：使用字节级别表示文本，并将 256 个字节集作为词汇表可以解决这个问题，但是会引入高昂的计算成本

3.2 实际合并方法和举例

与BPE算法的差异：

来自日语 - 英语的不同词汇表分词示例。

空格被下划线替换，而空格用于分隔词元。，随着分词粒度从细到粗，词元的形态是如何变化的：字节（256）→ 字节级别字节对编码（BBPE，1K、2K、4K、8K）→ 字符（8K）→ 字节级别字节对编码（BBPE，16K、32K）→ 字节对编码（BPE，16K、32K）。

BBPE算法在基于字节（Byte）进行合并过程和BPE一致、也是选取出现频数最高的字符对进行合并，合并过程如下图所示：关注到红色箭头，输入是日文当词表大小是1K时，A8 BC 两个字节并没有合并成一个 Token，在词表大小是2K时，A8BC被BBPE合并成一个Token。

3.3 原理上具体怎么做？

别看了，直接用就好，最重要的还是理解对input text进行分词后查表再转成encoder的过程

字节级别表示的编码：

使用 UTF-8 编码文本，它将每个 Unicode 字符编码为 1 到 4 个字节。这使得我们可以将句子建模为字节序列，而不是字符序列。
13.8 万个 Unicode 字符覆盖了 150 多种语言，但我们使用 UTF-8 字节（256 个可能字节中的 248 个）来表示任何语言的句子。

如何解决计算成本高昂的问题？

字节级别的n-gram方法来减少计算成本：

编码过程：

将Unicode字符映射为1-4个字节
将字节序列分割为可变长度的 n 元组（字节级别的“子词”）
使用深度卷积层或双向循环层与门控循环单元（GRU）来对 BBPE embedding进行上下文化

解码过程：

采用动态规划算法从字节序列恢复Unicode字符
对于给定的字节序列 {B}kN，我们用 f(k) 表示我们可以从中恢复的最大字符数。然后 f(k) 具有最优子结构

如果 {B}kj 对应一个有效的字符，则 g(i,j)=1，否则为 0。当 f(k) 递归计算时，我们还在每个位置 k 记录选择，以便通过回溯恢复解决方案。

解码过程中-说人话：

使用动态规划去恢复最有效（g代表有效性指示函数）和可恢复的最大字符数（动态词汇表便于最大化的数据还原）

四、Qwen的应用

4.1 Qwen3的技术报告原文：

4.2 Qwen实际代码实现：

参考：https://github.com/QwenLM/Qwen/blob/main/tokenization_note.md

from transformers import AutoTokenizertokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('Qwen/Qwen-7B', trust_remote_code=True)

特殊字符的处理：

特殊标记对模型具有特殊功能，例如表示文档结束。理论上，这些标记在输入文本中不存在，仅在输入文本经过处理后才会出现。

可以在微调或其他需要它们的框架中这样指定特殊标记：

from transformers import AutoTokenizertokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained('Qwen/Qwen-7B', trust_remote_code=True, pad_token='<|endoftext|>')