深度学习每周学习总结N9：transformer复现

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本文为TR3学习打卡，为了保证记录顺序我这里写为N9

总结：
之前有学习过文本预处理的环节，对文本处理的主要方式有以下三种：

1：词袋模型（one-hot编码）

2：TF-IDF

3：Word2Vec(词向量(Word Embedding) 以及Word2vec(Word Embedding 的方法之一))

详细介绍及中英文分词详见pytorch文本分类（一）：文本预处理

N1期介绍了one-hot编码

N2期主要介绍Embedding,及EmbeddingBag 使用示例（对词索引向量转化为词嵌入向量）

N3期主要介绍：应用三种模型的英文分类

N4期将主要介绍中文基本分类（熟悉流程）、拓展：textCNN分类（通用模型）、拓展：Bert分类（模型进阶）

N5期主要介绍Word2Vec，和nn.Embedding(), nn.EmbeddingBag()相比都是嵌入技术，用于将离散的词语或符号映射到连续的向量空间。

nn.Embedding 和 nn.EmbeddingBag 是深度学习框架（如 PyTorch）中的层，直接用于神经网络模型中，而 Word2Vec 是一种独立的词嵌入算法。

使用来说，如果需要在神经网络中处理变长序列的嵌入，可以选择 nn.EmbeddingBag；如果需要预训练词嵌入用于不同任务，可以选择 Word2Vec。

N6期主要介绍使用Word2Vec实现文本分类：

与N4文本分类的异同点总结

• 共同点
  数据加载：都使用了PyTorch的DataLoader来批量加载数据。
  模型训练：训练过程大同小异，都是前向传播、计算损失、反向传播和梯度更新。
• 不同点
  分词处理：
  BERT模型：使用专门的BERT分词器。
  传统嵌入方法：通常使用jieba等工具进行分词。
  Word2Vec模型：假设数据已经分词。
  词向量表示：
  BERT模型：使用BERT生成的上下文相关的词向量。
  传统嵌入方法：使用静态预训练词向量。
  Word2Vec模型：训练一个Word2Vec模型生成词向量。
  模型结构：
  BERT模型：使用预训练的BERT模型作为编码器。
  传统嵌入方法：一般使用嵌入层+卷积/循环神经网络。
  Word2Vec模型：使用Word2Vec词向量和一个简单的线性分类器。
• 值得学习的点
  词向量的使用：了解如何使用Word2Vec生成词向量并将其用于下游任务。
  数据预处理：不同方法的数据预处理方式，尤其是分词和词向量化的处理。
  模型训练：标准的模型训练和评估流程，尤其是损失计算、反向传播和梯度更新等步骤。
  超参数选择：注意学习率、批量大小和训练轮数等超参数的选择。
  通过这些比较和分析，可以更好地理解不同文本分类方法的优缺点以及适用场景。

N7期，需要理解RNN 及 seq2seq代码，并在此基础上成功运行代码，理解代码流程

N8期，在上一期的基础上加入了注意力机制

N9期，transformer的代码复现，注释里加入了一些理解，但是对transformer的网络结构的理解还需加强

在之前的任务中我们学习了Seq2Seq，知晓了Attention为RNN带来的优点。那么有没有一种神经网络结构直接基于attention构造，并且不再依赖RNN、LSTM或者CNN网络结构了呢？答案便是：Transformer。Seq2Seq和Transformer都是用于处理序列数据的深度学习模型，但它们是两种不同的架构。
1，Seq2Seq：

• 定义： Seq2Seq是一种用于序列到序列任务的模型架构，最初用于机器翻译。这意味着它可以处理输入序列，并生成相应的输出序列。
• 结构： Seq2Seq模型通常由两个主要部分组成：编码器和解码器。编码器负责将输入序列编码为固定大小的向量，而解码器则使用此向量生成输出序列。
• 问题： 传统的Seq2Seq模型在处理长序列时可能会遇到梯度消失/爆炸等问题，而Transformer模型的提出正是为了解决这些问题。

2，Transformer：

• 定义： Transformer是一种更现代的深度学习模型，专为处理序列数据而设计，最初用于自然语言处理任务。它不依赖于RNN或CNN等传统结构，而是引入了注意力机制。
• 结构： Transformer模型主要由编码器和解码器组成，它们由自注意力层和全连接前馈网络组成。它使用注意力机制来捕捉输入序列中不同位置之间的依赖关系，同时通过多头注意力来提高模型的表达能力。
• 优势： Transformer的设计使其能够更好地处理长距离依赖关系，同时具有更好的并行性。
  在某种程度上，可以将Transformer看作是Seq2Seq的一种演变，Transformer可以执行Seq2Seq任务，并且相对于传统的Seq2Seq模型具有更好的性能和可扩展性。

多头注意力机制

# 多头注意力机制
import math
import torch
import torch.nn as nndevice = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

class MultiHeadAttention(nn.Module):# n_heads:多头注意力的数量# hid_dim:每个词输出的向量维度def __init__(self,hid_dim,n_heads):super(MultiHeadAttention,self).__init__()self.hid_dim = hid_dimself.n_heads = n_heads# 强制hid_dim 必须整除 hassert hid_dim % n_heads == 0# 定义W_q 矩阵self.w_q = nn.Linear(hid_dim,hid_dim) # nn.Linear(in_features, out_features) 是 PyTorch 中的线性变换层# 定义W_k 矩阵self.w_k = nn.Linear(hid_dim,hid_dim)# 定义W_v 矩阵self.w_v = nn.Linear(hid_dim,hid_dim)self.fc = nn.Linear(hid_dim,hid_dim)# 缩放self.scale = torch.sqrt(torch.FloatTensor([hid_dim // n_heads])) # 缩放因子，目的是防止注意力得分过大，从而使 softmax 函数过于饱和。hid_dim // n_heads 代表每个注意力头的维度，取平方根来缩放。def forward(self,query,key,value,mask=None):# 注意 Q，K，V的在句子长度这一个维度的数值可以一样，可以不一样。# K: [64,10,300], 假设batch_size 为 64，有 10 个词，每个词的 Query 向量是 300 维# V: [64,10,300], 假设batch_size 为 64，有 10 个词，每个词的 Query 向量是 300 维# Q: [64,12,300], 假设batch_size 为 64，有 12 个词，每个词的 Query 向量是 300 维bsz = query.shape[0] # 获取批次大小# 对输入的 query, key, value 进行线性变换。Q = self.w_q(query)K = self.w_k(key)V = self.w_v(value)# 这里把 K Q V 矩阵拆分为多组注意力# 最后一维就是是用 self.hid_dim // self.n_heads 来得到的，表示每组注意力的向量长度, 每个 head 的向量长度是：300/6=50# 64 表示 batch size，6 表示有 6组注意力，10 表示有 10 词，50 表示每组注意力的词的向量长度# K: [64,10,300] 拆分多组注意力 -> [64,10,6,50] 转置得到 -> [64,6,10,50]# V: [64,10,300] 拆分多组注意力 -> [64,10,6,50] 转置得到 -> [64,6,10,50]# Q: [64,12,300] 拆分多组注意力 -> [64,12,6,50] 转置得到 -> [64,6,12,50]# 转置是为了把注意力的数量 6 放到前面，把 10 和 50 放到后面，方便下面计算Q = Q.view(bsz,-1,self.n_heads,self.hid_dim//self.n_heads).permute(0,2,1,3)K = K.view(bsz,-1,self.n_heads,self.hid_dim//self.n_heads).permute(0,2,1,3)V = V.view(bsz,-1,self.n_heads,self.hid_dim//self.n_heads).permute(0,2,1,3)# 第 1 步：Q 乘以 K的转置，除以scale# [64,6,12,50] * [64,6,50,10] = [64,6,12,10]# attention：[64,6,12,10]attention = torch.matmul(Q,K.permute(0,1,3,2))/self.scale# 如果 mask 不为空，那么就把 mask 为 0 的位置的 attention 分数设置为 -1e10，这里用“0”来指示哪些位置的词向量不能被attention到，比如padding位置，当然也可以用“1”或者其他数字来指示，主要设计下面2行代码的改动。if mask is not None:attention = attention.masked_fill(mask == 0 , -1e10)# 第 2 步：计算上一步结果的 softmax，再经过 dropout，得到 attention。# 注意，这里是对最后一维做 softmax，也就是在输入序列的维度做 softmax# attention: [64,6,12,10]attention = torch.softmax(attention,dim=-1)# 第三步，attention结果与V相乘，得到多头注意力的结果# [64,6,12,10] * [64,6,10,50] = [64,6,12,50]# x: [64,6,12,50]x = torch.matmul(attention,V)# 因为 query 有 12 个词，所以把 12 放到前面，把 50 和 6 放到后面，方便下面拼接多组的结果# x: [64,6,12,50] 转置-> [64,12,6,50]x = x.permute(0,2,1,3).contiguous()# 这里的矩阵转换就是：把多组注意力的结果拼接起来# 最终结果就是 [64,12,300]# x: [64,12,6,50] -> [64,12,300]x = x.view(bsz,-1,self.n_heads * (self.hid_dim // self.n_heads))x = self.fc(x)return x

前馈传播

# 前馈传播
class Feedforward(nn.Module):"""这个 Feedforward 类实现了一个两层的前馈神经网络，是 Transformer 中的子层之一。每个 Transformer 层包括自注意力机制（Multi-Head Attention）和前馈神经网络。前馈层的作用是进一步处理每个位置（词向量）的信息，将特征从高维投影回输入的原始维度，同时保持全局信息。"""def __init__(self,d_model,d_ff,dropout=0.1):super(Feedforward,self).__init__()# 两层线性映射和激活函数ReLUself.linear1 = nn.Linear(d_model,d_ff)self.dropout = nn.Dropout(dropout)self.linear2 = nn.Linear(d_ff,d_model)def forward(self,x):x = torch.nn.functional.relu(self.linear1(x))x = self.dropout(x)x = self.linear2(x)return x

位置编码

# 位置编码
class PositionalEncoding(nn.Module):"""这是 Transformer 中实现位置编码（Positional Encoding）部分的实现。位置编码用于将输入序列中的位置信息引入到模型中，因为 Transformer 没有传统 RNN 中的时间顺序机制，所以需要用位置编码来帮助模型理解输入序列中各个位置之间的相对关系。"""def __init__(self,d_model,dropout,max_len=5000):super(PositionalEncoding,self).__init__()self.dropout = nn.Dropout(p = dropout)# 初始化Shape为(max_len, d_model)的PE (positional encoding)pe = torch.zeros(max_len,d_model).to(device) # pe: 一个形状为 [max_len, d_model] 的张量，用于存储所有位置的编码，初始化为全零张量。这个张量会在后续步骤中被填充上具体的位置信息。position = torch.arange(0,max_len).unsqueeze(1) # 生成位置索引 [0, 1, 2, ...], 形状为 [max_len, 1]# 这里就是sin和cos括号中的内容，通过e和ln进行了变换div_term = torch.exp(torch.arange(0,d_model,2) * -(math.log(10000.0) / d_model)) # 用于在位置编码中进行缩放的除法项pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term) # 计算PE(pos, 2i)   计算偶数位置的 sin 编码pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term) # 计算PE(pos, 2i+1) 计算奇数位置的 cos 编码pe = pe.unsqueeze(0) # 为了将其与输入张量相加，增加 batch 维度，形状变为 [1, max_len, d_model]# 如果一个参数不参与梯度下降，但又希望保存model的时候将其保存下来# 这个时候就可以用register_bufferself.register_buffer("pe", pe)def forward(self, x):"""x 为embedding后的inputs，例如(1,7, 128)，batch size为1,7个单词，单词维度为128"""# 将位置编码与输入相加x = x + self.pe[:, :x.size(1)].requires_grad_(False) # 取出与输入序列长度相同的部分位置编码。如果输入序列的长度小于 max_len，只取前 x.size(1) 个位置的编码;之后禁止对位置编码进行梯度计算，因为位置编码是固定的，不需要更新。return self.dropout(x)

编码层

# 编码层
class EncoderLayer(nn.Module):def __init__(self, d_model, n_heads, d_ff, dropout=0.1):super(EncoderLayer, self).__init__()# 编码器层包含自注意力机制和前馈神经网络self.self_attn   = MultiHeadAttention(d_model, n_heads)self.feedforward = Feedforward(d_model, d_ff, dropout)self.norm1   = nn.LayerNorm(d_model)self.norm2   = nn.LayerNorm(d_model)self.dropout = nn.Dropout(dropout)def forward(self, x, mask):# 自注意力机制attn_output = self.self_attn(x, x, x, mask)x = x + self.dropout(attn_output)x = self.norm1(x)# 前馈神经网络ff_output = self.feedforward(x)x = x + self.dropout(ff_output)x = self.norm2(x)return x

解码层

# 解码层
class DecoderLayer(nn.Module):def __init__(self, d_model, n_heads, d_ff, dropout=0.1):super(DecoderLayer, self).__init__()# 解码器层包含自注意力机制、编码器-解码器注意力机制和前馈神经网络self.self_attn   = MultiHeadAttention(d_model, n_heads)self.enc_attn    = MultiHeadAttention(d_model, n_heads)self.feedforward = Feedforward(d_model, d_ff, dropout)self.norm1   = nn.LayerNorm(d_model)self.norm2   = nn.LayerNorm(d_model)self.norm3   = nn.LayerNorm(d_model)self.dropout = nn.Dropout(dropout)def forward(self, x, enc_output, self_mask, context_mask):# 自注意力机制attn_output = self.self_attn(x, x, x, self_mask)x           = x + self.dropout(attn_output)x           = self.norm1(x)# 编码器-解码器注意力机制attn_output = self.enc_attn(x, enc_output, enc_output, context_mask)x           = x + self.dropout(attn_output)x           = self.norm2(x)# 前馈神经网络ff_output = self.feedforward(x)x = x + self.dropout(ff_output)x = self.norm3(x)return x

Transformer模型构建

# Transformer模型构建
class Transformer(nn.Module):def __init__(self, vocab_size, d_model, n_heads, n_encoder_layers, n_decoder_layers, d_ff, dropout=0.1):super(Transformer, self).__init__()# Transformer 模型包含词嵌入、位置编码、编码器和解码器self.embedding           = nn.Embedding(vocab_size, d_model)self.positional_encoding = PositionalEncoding(d_model, dropout)self.encoder_layers      = nn.ModuleList([EncoderLayer(d_model, n_heads, d_ff, dropout) for _ in range(n_encoder_layers)])self.decoder_layers      = nn.ModuleList([DecoderLayer(d_model, n_heads, d_ff, dropout) for _ in range(n_decoder_layers)])self.fc_out              = nn.Linear(d_model, vocab_size)self.dropout             = nn.Dropout(dropout)def forward(self, src, trg, src_mask, trg_mask):# 词嵌入和位置编码src = self.embedding(src)src = self.positional_encoding(src)trg = self.embedding(trg)trg = self.positional_encoding(trg)# 编码器for layer in self.encoder_layers:src = layer(src, src_mask)# 解码器for layer in self.decoder_layers:trg = layer(trg, src, trg_mask, src_mask)# 输出层output = self.fc_out(trg)return output

使用示例

# 使用示例
vocab_size = 10000  # 假设词汇表大小为10000
d_model    = 512
n_heads    = 8
n_encoder_layers = 6
n_decoder_layers = 6
d_ff             = 2048
dropout          = 0.1transformer_model = Transformer(vocab_size, d_model, n_heads, n_encoder_layers, n_decoder_layers, d_ff, dropout)# 定义输入，这里的输入是假设的，需要根据实际情况修改
src = torch.randint(0, vocab_size, (32, 10))  # 源语言句子
trg = torch.randint(0, vocab_size, (32, 20))  # 目标语言句子
src_mask = (src != 0).unsqueeze(1).unsqueeze(2)  # 掩码，用于屏蔽填充的位置
trg_mask = (trg != 0).unsqueeze(1).unsqueeze(2)  # 掩码，用于屏蔽填充的位置# 模型前向传播
output = transformer_model(src, trg, src_mask, trg_mask)
print(output.shape)

torch.Size([32, 20, 10000])

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