transformer训练与推理_transfomer模型训练与推理

以下transformer基于中译英任务
数据集原本的目标语言标签dec添加完padding后，
如果在dec前面加一个S构成了dec_input，而如果在dec后面加一个E构成了dec_output(输出的标签)

attention

有两种，self attention(encoder里面的是源语言输入句子中每个词之间的注意力，decoder则是目标语言输出句子每个词之间的注意力)和encoder-decoder attention(k和v都是同一个，即经过多个encoder输出的结果即图中的虚线，q由decoder经过self attention以及线性变换后得到)

attention代码

class MultiHeadAttention(nn.Module):
    """这个Attention类可以实现:
    Encoder的Self-Attention
    Decoder的Masked Self-Attention
    Encoder-Decoder的Attention
    输入：seq_len x d_model
    输出：seq_len x d_model
    """

    def __init__(self):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        self.W_Q = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads,
                             bias=False)  # q,k必须维度相同，不然无法做点积
        self.W_K = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads, bias=False)
        self.W_V = nn.Linear(d_model, d_v * n_heads, bias=False)
        # 这个全连接层可以保证多头attention的输出仍然是seq_len x d_model
        self.fc = nn.Linear(n_heads * d_v, d_model, bias=False)

    def forward(self, input_Q, input_K, input_V, attn_mask):
        """
        input_Q: [batch_size, len_q, d_model]
        input_K: [batch_size, len_k, d_model]
        input_V: [batch_size, len_v(=len_k), d_model]
        attn_mask: [batch_size, seq_len, seq_len]
        """
        residual, batch_size = input_Q, input_Q.size(0)
        # 下面的多头的参数矩阵是放在一起做线性变换的，然后再拆成多个头，这是工程实现的技巧
        # B: batch_size, S:seq_len, D: dim
        # (B, S, D) -proj-> (B, S, D_new) -split-> (B, S, Head, W) -trans-> (B, Head, S, W)
        #           线性变换               拆成多头

        # Q: [batch_size, n_heads, len_q, d_k]
        Q = self.W_Q(input_Q).view(batch_size, -1,
                                   n_heads, d_k).transpose(1, 2)
        # K: [batch_size, n_heads, len_k, d_k] # K和V的长度一定相同，维度可以不同
        K = self.W_K(input_K).view(batch_size, -1,
                                   n_heads, d_k).transpose(1, 2)
        # V: [batch_size, n_heads, len_v(=len_k), d_v]
        V = self.W_V(input_V).view(batch_size, -1,
                                   n_heads, d_v).transpose(1, 2)

        # 因为是多头，所以mask矩阵要扩充成4维的
        # attn_mask: [batch_size, seq_len, seq_len] -> [batch_size, n_heads, seq_len, seq_len]
        attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).repeat(1, n_heads, 1, 1)

        # context: [batch_size, n_heads, len_q, d_v], attn: [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        context, attn = ScaledDotProductAttention()(Q, K, V, attn_mask)
        # 下面将不同头的输出向量拼接在一起
        # context: [batch_size, n_heads, len_q, d_v] -> [batch_size, len_q, n_heads * d_v]
        context = context.transpose(1, 2).reshape(
            batch_size, -1, n_heads * d_v)

        # 这个全连接层可以保证多头attention的输出仍然是seq_len x d_model
        output = self.fc(context)  # [batch_size, len_q, d_model]
        return nn.LayerNorm(d_model).to(device)(output + residual), attn

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padding

通过添加padding（也是一个词，需要用某个数字代表它）将一个batch中不同长度的句子补成相同长度最终使得一批训练数据的形状统一为batch_size,src_len其中src_len代表一批训练数据中最长句子的长度，其中每一行是一个训练句子，用了src_len个数字来代表这个句子，不够长度的就在句子的最后添加若干个padding

mask

有两个部分，
一部分是用于屏蔽掉padding（）的注意力即qk乘法后立刻将padding部分赋值为负无穷，使得等一下softmax的时候padding部分为0，，encoder
第二部分用于teacher_forcing这是transformer实现并行很重要的一部分，即将每一步输出Ot所依赖的输出O1～Ot-1强制设置为目标输出(标签，所以推理的时候会不会错上加错，毕竟没法teacher_forcing，所以比较容易过拟合？？？)

都是通过将掩码中等于1的部分赋值为负无穷，添加掩码的时机也都是在QK矩阵乘法后，从而实现下一步softmax时在对应位置为0，从而使确保得得到的新向量表示Z不去考虑为0的词

padding mask代码

返回形状为[batch_size, len_q, len_k]的padding mask，其中len_q是序列q的长度(词个数)，k是k的

比如encoder内部调用了enc_self_attn_mask = get_attn_pad_mask(enc_inputs, enc_inputs)
用于self-attention，其中enc_inputs是含padding的源语言的训练句子的数字表示，假设enc_inputs代表了2个句子，分别是“我 喜 欢 你 pad pad”，“我 是 你 爹 哦 pad”，那么padding mask的结果如下图两个矩阵，在这里都恰好是6行6列的方阵(因为输入都是enc_inputs，代表了每个词之间的注意力)


这里你可能会好奇为什么不直接把上面第五行全true，毕竟第五行代表的也是padding对其他词的注意力，具体可以看看这篇文章，

我总结如下：虽然在encoder的self-attention(作为encoder-decoder attention的K)只从列上padding设为true，在decoder的self-attention也是只从列上padding设为true(作为encoder-decoder attention的Q)，但是在encoder-decoder attention中，来自decoder的Q和来自encoder的K的转置进行矩阵乘法，然后再次加上了 padding mask （关键，即dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, enc_inputs)），使得目标语言标签的每个词对源语言的padding的注意力为0，等价于令encoder的self-attention的padding的行也是true(而且本来就不可以像令整列为负无穷那样使整行为负无穷，因为整行为负无穷在softmax之后并不会为0)

除此以外，你可能还会想到为什么decoder只需要一次padding mask，也就是也只对padding列掩码，那他的行padding不需要吗？

是的，确实不需要，所以训练时，在计算loss那一步(此时transformer最后输出的形状是(batch_size,目标语言标签最大词数,目标语言词表总词数)，其中每一行代表当前位置是某个词的概率 )，一方面是不考虑第0个词即pad的概率的(即criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=0))，另一方面是因为transformer最后输出的最后几行都是padding的信息(除了最后一行是代表的是E)，因此求loss时是忽略padding那几行的(同样也是用到了mask)

decoder同上且用于self-attention
(即dec_self_attn_pad_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, dec_inputs)而且是padding mask和self-attention mask叠加在一起)
和
encoder-decoder attention(仅padding mask，
dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, enc_inputs)，形状为(batch，目标语言词数，源语言词数)，因为注意力矩阵就是该形状，其中dec_inputs是含padding的目标语言的训练句子，)

比如)，

需要注意的是，

训练时decoder注意力是整句目标语言(标签)的词之间的(所以要加self-attention mask)，而推理时

def get_attn_pad_mask(seq_q, seq_k):
    # pad mask的作用：在对value向量加权平均的时候，可以让pad对应的alpha_ij=0，这样注意力就不会考虑到pad向量
    """这里的q,k表示的是两个序列（跟注意力机制的q,k没有关系），例如encoder_inputs (x1,x2,..xm)和encoder_inputs (x1,x2..xm)
    encoder和decoder都可能调用这个函数，所以seq_len视情况而定
    seq_q: [batch_size, seq_len]
    seq_k: [batch_size, seq_len]
    seq_len could be src_len or it could be tgt_len
    seq_len in seq_q and seq_len in seq_k maybe not equal
    """
    batch_size, len_q = seq_q.size()  # 这个seq_q只是用来expand维度的
    batch_size, len_k = seq_k.size()
    # eq(zero) is PAD token
    # 例如:seq_k = [[1,2,3,4,0], [1,2,3,5,0]]
    # [batch_size, 1, len_k], True is masked
    pad_attn_mask = seq_k.data.eq(0).unsqueeze(1)
    # [batch_size, len_q, len_k] 构成一个立方体(batch_size个这样的矩阵)
    return pad_attn_mask.expand(batch_size, len_q, len_k)

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attention mask代码

返回一个右上半部分全1的矩阵(对角线及左下半部分则均为0)，使得当前timestep只能看见已输出的单词之间的注意力，并且也是用在QK矩阵乘法后得到的注意力矩阵的，于是加上这个mask之后，与V矩阵乘法得到的Z(即每个词通过注意力考虑加权了在他之前的词之后得到的新表示向量)，
在经过若干个decoder后的输出被线性变换成形状为
(batch_size,目标语言标签最大词数,目标语言词表总词数)的矩阵，即下面的[batch_size, tgt_len, tgt_len]

def get_attn_subsequence_mask(seq):
    """建议打印出来看看是什么的输出（一目了然）
    seq: [batch_size, tgt_len]
    """
    attn_shape = [seq.size(0), seq.size(1), seq.size(1)]
    # attn_shape: [batch_size, tgt_len, tgt_len]
    subsequence_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1)  # 生成一个上三角矩阵
    subsequence_mask = torch.from_numpy(subsequence_mask).byte()
    return subsequence_mask  # [batch_size, tgt_len, tgt_len]
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transformer代码

class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.encoder = Encoder().to(device)
        self.decoder = Decoder().to(device)
        self.projection = nn.Linear(
            d_model, tgt_vocab_size, bias=False).to(device)

    def forward(self, enc_inputs, dec_inputs):
        """Transformers的输入：两个序列
        enc_inputs: [batch_size, src_len]
        dec_inputs: [batch_size, tgt_len]
        """
        # tensor to store decoder outputs
        # outputs = torch.zeros(batch_size, tgt_len, tgt_vocab_size).to(self.device)

        # enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model], enc_self_attns: [n_layers, batch_size, n_heads, src_len, src_len]
        # 经过Encoder网络后，得到的输出还是[batch_size, src_len, d_model]
        enc_outputs, enc_self_attns = self.encoder(enc_inputs)
        # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model], dec_self_attns: [n_layers, batch_size, n_heads, tgt_len, tgt_len], dec_enc_attn: [n_layers, batch_size, tgt_len, src_len]
        dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns = self.decoder(
            dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs)
        # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model] -> dec_logits: [batch_size, tgt_len, tgt_vocab_size]
        dec_logits = self.projection(dec_outputs)
        return dec_logits.view(-1, dec_logits.size(-1)), enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns

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encoder代码

class EncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(EncoderLayer, self).__init__()
        self.enc_self_attn = MultiHeadAttention()
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet()

    def forward(self, enc_inputs, enc_self_attn_mask):
        """E
        enc_inputs: [batch_size, src_len, d_model]
        enc_self_attn_mask: [batch_size, src_len, src_len]  mask矩阵(pad mask or sequence mask)
        """
        # enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model], attn: [batch_size, n_heads, src_len, src_len]
        # 第一个enc_inputs * W_Q = Q
        # 第二个enc_inputs * W_K = K
        # 第三个enc_inputs * W_V = V
        enc_outputs, attn = self.enc_self_attn(enc_inputs, enc_inputs, enc_inputs,
                                               enc_self_attn_mask)  # enc_inputs to same Q,K,V（未线性变换前）
        enc_outputs = self.pos_ffn(enc_outputs)
        # enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model]
        return enc_outputs, attn

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class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.src_emb = nn.Embedding(src_vocab_size, d_model)  # token Embedding
        self.pos_emb = PositionalEncoding(
            d_model)  # Transformer中位置编码时固定的，不需要学习
        self.layers = nn.ModuleList([EncoderLayer() for _ in range(n_layers)])

    def forward(self, enc_inputs):
        """
        enc_inputs: [batch_size, src_len]
        """
        enc_outputs = self.src_emb(
            enc_inputs)  # [batch_size, src_len, d_model]
        enc_outputs = self.pos_emb(enc_outputs.transpose(0, 1)).transpose(
            0, 1)  # [batch_size, src_len, d_model]
        # Encoder输入序列的pad mask矩阵
        enc_self_attn_mask = get_attn_pad_mask(
            enc_inputs, enc_inputs)  # [batch_size, src_len, src_len]
        enc_self_attns = []  # 在计算中不需要用到，它主要用来保存你接下来返回的attention的值（这个主要是为了你画热力图等，用来看各个词之间的关系
        for layer in self.layers:  # for循环访问nn.ModuleList对象
            # 上一个block的输出enc_outputs作为当前block的输入
            # enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model], enc_self_attn: [batch_size, n_heads, src_len, src_len]
            enc_outputs, enc_self_attn = layer(enc_outputs,
                                               enc_self_attn_mask)  # 传入的enc_outputs其实是input，传入mask矩阵是因为你要做self attention
            enc_self_attns.append(enc_self_attn)  # 这个只是为了可视化
        return enc_outputs, enc_self_attns

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decoder代码

class DecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(DecoderLayer, self).__init__()
        self.dec_self_attn = MultiHeadAttention()
        self.dec_enc_attn = MultiHeadAttention()
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet()

    def forward(self, dec_inputs, enc_outputs, dec_self_attn_mask, dec_enc_attn_mask):
        """
        dec_inputs: [batch_size, tgt_len, d_model]
        enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model]
        dec_self_attn_mask: [batch_size, tgt_len, tgt_len]
        dec_enc_attn_mask: [batch_size, tgt_len, src_len]
        """
        # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model], dec_self_attn: [batch_size, n_heads, tgt_len, tgt_len]
        dec_outputs, dec_self_attn = self.dec_self_attn(dec_inputs, dec_inputs, dec_inputs,
                                                        dec_self_attn_mask)  # 这里的Q,K,V全是Decoder自己的输入
        # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model], dec_enc_attn: [batch_size, h_heads, tgt_len, src_len]
        dec_outputs, dec_enc_attn = self.dec_enc_attn(dec_outputs, enc_outputs, enc_outputs,
                                                      dec_enc_attn_mask)  # Attention层的Q(来自decoder) 和 K,V(来自encoder)
        # [batch_size, tgt_len, d_model]
        dec_outputs = self.pos_ffn(dec_outputs)
        # dec_self_attn, dec_enc_attn这两个是为了可视化的
        return dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn

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class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.tgt_emb = nn.Embedding(
            tgt_vocab_size, d_model)  # Decoder输入的embed词表
        self.pos_emb = PositionalEncoding(d_model)
        self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer()
                                    for _ in range(n_layers)])  # Decoder的blocks

    def forward(self, dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs):
        """
        dec_inputs: [batch_size, tgt_len]
        enc_inputs: [batch_size, src_len]
        enc_outputs: [batch_size, src_len, d_model]   # 用在Encoder-Decoder Attention层
        """
        dec_outputs = self.tgt_emb(
            dec_inputs)  # [batch_size, tgt_len, d_model]
        dec_outputs = self.pos_emb(dec_outputs.transpose(0, 1)).transpose(0, 1).to(
            device)  # [batch_size, tgt_len, d_model]
        # Decoder输入序列的pad mask矩阵（这个例子中decoder是没有加pad的，实际应用中都是有pad填充的）
        dec_self_attn_pad_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, dec_inputs).to(
            device)  # [batch_size, tgt_len, tgt_len]
        # Masked Self_Attention：当前时刻是看不到未来的信息的
        dec_self_attn_subsequence_mask = get_attn_subsequence_mask(dec_inputs).to(
            device)  # [batch_size, tgt_len, tgt_len]

        # Decoder中把两种mask矩阵相加（既屏蔽了pad的信息，也屏蔽了未来时刻的信息）
        dec_self_attn_mask = torch.gt((dec_self_attn_pad_mask + dec_self_attn_subsequence_mask),
                                      0).to(device)  # [batch_size, tgt_len, tgt_len]; torch.gt比较两个矩阵的元素，大于则返回1，否则返回0

        # 这个mask主要用于encoder-decoder attention层
        # get_attn_pad_mask主要是enc_inputs的pad mask矩阵(因为enc是处理K,V的，求Attention时是用v1,v2,..vm去加权的，要把pad对应的v_i的相关系数设为0，这样注意力就不会关注pad向量)
        #                       dec_inputs只是提供expand的size的
        dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(
            dec_inputs, enc_inputs)  # [batc_size, tgt_len, src_len]

        dec_self_attns, dec_enc_attns = [], []
        for layer in self.layers:
            # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model], dec_self_attn: [batch_size, n_heads, tgt_len, tgt_len], dec_enc_attn: [batch_size, h_heads, tgt_len, src_len]
            # Decoder的Block是上一个Block的输出dec_outputs（变化）和Encoder网络的输出enc_outputs（固定）
            dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn = layer(dec_outputs, enc_outputs, dec_self_attn_mask,
                                                             dec_enc_attn_mask)
            dec_self_attns.append(dec_self_attn)
            dec_enc_attns.append(dec_enc_attn)
        # dec_outputs: [batch_size, tgt_len, d_model]
        return dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns

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train代码

model = Transformer().to(device)
# 这里的损失函数里面设置了一个参数 ignore_index=0，因为 "pad" 这个单词的索引为 0，这样设置以后，就不会计算 "pad" 的损失（因为本来 "pad" 也没有意义，不需要计算）
criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=0)
optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3,
                      momentum=0.99)  # 用adam的话效果不好


for epoch in range(epochs):
    for enc_inputs, dec_inputs, dec_outputs in loader:
        """
        enc_inputs: [batch_size, src_len]
        dec_inputs: [batch_size, tgt_len]
        dec_outputs: [batch_size, tgt_len]
        """
        enc_inputs, dec_inputs, dec_outputs = enc_inputs.to(
            device), dec_inputs.to(device), dec_outputs.to(device)
        # outputs: [batch_size * tgt_len, tgt_vocab_size]
        outputs, enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns = model(
            enc_inputs, dec_inputs)
        # dec_outputs.view(-1):[batch_size * tgt_len * tgt_vocab_size]
        loss = criterion(outputs, dec_outputs.view(-1))
        print('Epoch:', '%04d' % (epoch + 1), 'loss =', '{:.6f}'.format(loss))

        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        optimizer.step()

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inference代码

可以batch推理吗

def greedy_decoder(model, enc_input, start_symbol):
    """贪心编码
    For simplicity, a Greedy Decoder is Beam search when K=1. This is necessary for inference as we don't know the
    target sequence input. Therefore we try to generate the target input word by word, then feed it into the transformer.
    Starting Reference: http://nlp.seas.harvard.edu/2018/04/03/attention.html#greedy-decoding
    :param model: Transformer Model
    :param enc_input: The encoder input
    :param start_symbol: The start symbol. In this example it is 'S' which corresponds to index 4
    :return: The target input
    """
    enc_outputs, enc_self_attns = model.encoder(enc_input)
    # 初始化一个空的tensor: tensor([], size=(1, 0), dtype=torch.int64)
    dec_input = torch.zeros(1, 0).type_as(enc_input.data)
    terminal = False
    next_symbol = start_symbol
    while not terminal:
        # 预测阶段：dec_input序列会一点点变长（每次添加一个新预测出来的单词）
        dec_input = torch.cat([dec_input.to(device), torch.tensor([[next_symbol]], dtype=enc_input.dtype).to(device)],
                              -1)
        dec_outputs, _, _ = model.decoder(dec_input, enc_input, enc_outputs)
        projected = model.projection(dec_outputs)
        prob = projected.squeeze(0).max(dim=-1, keepdim=False)[1]
        # 增量更新（我们希望重复单词预测结果是一样的）
        # 我们在预测是会选择性忽略重复的预测的词，只摘取最新预测的单词拼接到输入序列中
        # 拿出当前预测的单词(数字)。我们用x'_t对应的输出z_t去预测下一个单词的概率，不用z_1,z_2..z_{t-1}
        next_word = prob.data[-1]
        next_symbol = next_word
        if next_symbol == tgt_vocab["E"]:
            terminal = True
        # print(next_word)

    # greedy_dec_predict = torch.cat(
    #     [dec_input.to(device), torch.tensor([[next_symbol]], dtype=enc_input.dtype).to(device)],
    #     -1)
    greedy_dec_predict = dec_input[:, 1:]
    return greedy_dec_predict


# ==========================================================================================
# 预测阶段
# 测试集
sentences = [
    # enc_input                dec_input           dec_output
    ['我 有 零 个 女 朋 友 P', '', '']
]

enc_inputs, dec_inputs, dec_outputs = make_data(sentences)
test_loader = Data.DataLoader(
    MyDataSet(enc_inputs, dec_inputs, dec_outputs), 2, True)
enc_inputs, _, _ = next(iter(test_loader))

print()
print("="*30)
print("利用训练好的Transformer模型将中文句子'我 有 零 个 女 朋 友' 翻译成英文句子: ")
for i in range(len(enc_inputs)):
    greedy_dec_predict = greedy_decoder(model, enc_inputs[i].view(
        1, -1).to(device), start_symbol=tgt_vocab["S"])
    print(enc_inputs[i], '->', greedy_dec_predict.squeeze())
    print([src_idx2word[t.item()] for t in enc_inputs[i]], '->',
          [idx2word[n.item()] for n in greedy_dec_predict.squeeze()])

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