大语言模型（LLMs）Tokenizers详解

Tokenizers是大语言模型（Large Language Models，LLMs）中用于将文本分割成基本单元（tokens）的工具。这些工具不仅影响模型的输入表示，还直接影响模型的性能和效率。以下是对Tokenizers的详细解释：

1. Tokenizers的作用

Tokenizers的主要作用是将自然语言文本转换为模型可以处理的数字形式。具体来说，Tokenizers执行以下任务：

• 分割文本：将输入文本分割成有意义的单元（tokens）。
• 编码tokens：将每个token映射到一个唯一的整数ID。
• 生成嵌入：将整数ID转换为连续的向量（embeddings），作为模型的输入。

2. Tokenizers的类型

根据分割策略的不同，Tokenizers可以分为以下几种类型：

2.1 基于空格的Tokenizers

最简单的Tokenizers类型，直接按空格分割文本。这种方法简单快速，但无法处理复合词和未登录词。

from transformers import AutoTokenizer
 
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['i', 'love', 'natural', 'language', 'processing', '.']

2.2 规则基础的Tokenizers

使用预定义的规则分割文本，如去除标点符号、处理大小写等。这种方法比基于空格的Tokenizers更灵活，但仍然有限。

from nltk.tokenize import RegexpTokenizer
 
tokenizer = RegexpTokenizer(r'\w+')
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['I', 'love', 'natural', 'language', 'processing']

2.3 子词Tokenizers

子词Tokenizers将文本分割成子词单元，如字节对编码（BPE）、WordPiece和Unigram Language Model。这些方法可以有效处理未登录词，提高模型的泛化能力。

2.3.1 字节对编码（BPE）

通过统计频率合并频繁出现的字节对，逐步构建子词单元。

from transformers import AutoTokenizer
 
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("gpt2")
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['I', 'Ġlove', 'Ġnatural', 'Ġlanguage', 'Ġprocessing', '.']

2.3.2 WordPiece

类似于BPE，但选择合并操作时考虑对语言模型的增益。BERT模型使用WordPiece Tokenizer。

from transformers import AutoTokenizer
 
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['i', 'love', 'natural', 'language', 'processing', '.']

2.3.3 Unigram Language Model

基于语言模型的方法，通过优化token集来最大化似然。

from transformers import AutoTokenizer
 
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("xlnet-base-cased")
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['▁I', '▁love', '▁natural', '▁language', '▁processing', '.']

3. Tokenizers的实现

许多大预言模型使用专门的Tokenizers库，如Hugging Face的Transformers库。这个库提供了多种Tokenizers的实现，支持不同的分割策略和模型。

from transformers import AutoTokenizer
 
# 加载预训练的BERT Tokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")
 
# 分割文本
tokens = tokenizer.tokenize("I love natural language processing.")
print(tokens)
# 输出: ['i', 'love', 'natural', 'language', 'processing', '.']
 
# 编码tokens
encoded_input = tokenizer.encode("I love natural language processing.")
print(encoded_input)
# 输出: [101, 1045, 2293, 2784, 3693, 10118, 1012, 102]

4. Tokenizers的影响

Tokenizers的选择和实现对模型的性能有显著影响：

• 词汇量：更大的词汇量可以提高模型的表达能力，但也会增加计算复杂度。
• 未登录词处理：有效的Tokenizers策略可以更好地处理未登录词，提高模型的泛化能力。
• 序列长度：合理的Tokenizers可以减少输入序列的长度，从而提高计算效率和内存使用。

5. 示例

假设我们有一个简单的句子：“I love natural language processing.”

使用不同的Tokenizers，这个句子可能会被分割为：

• 基于空格的分割：["I", "love", "natural", "language", "processing."]
• WordPiece（如BERT所用）：["i", "love", "natural", "language", "processing", "."]
• BPE（如GPT所用）：["I", "Ġlove", "Ġnatural", "Ġlanguage", "Ġprocessing", "."]

总结

Tokenizers是大预言模型处理和生成文本的基础。通过将文本分割为有意义的单元，模型可以学习语言的结构和语义，从而实现复杂的语言理解和生成任务。选择合适的Tokenizers方法和策略对于提高模型的性能和效率至关重要。