Prompt总结 | 从MLM预训任务到Prompt Learning原理解析与Zero-shot分类、NER简单实践

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来自：老刘说NLP

Prompt Learning是当前NLP的一个重要话题，已经有许多文章进行论述。

从本质上来说，Prompt Learning 可以理解为一种下游任务的重定义方法，将几乎所有的下游任务均统一为预训练语言模型任务，从而避免了预训练模型和下游任务之间存在的 gap。

如此一来，几乎所有的下游 NLP 任务均可以使用，不需要训练数据，在小样本数据集的基础上也可以取得超越 Fine-Tuning 的效果，使得所有任务在使用方法上变得更加一致，而局限于字面意义上的理解还远远不够，我们可以通过一种简单、明了的方式进行讲述。

为了解决这一问题，本文主要从预训练语言模型看MLM预测任务、引入prompt_template的MLM预测任务、引入verblize类别映射的Prompt-MLM预测、基于zero-shot的prompt情感分类实践以及基于zero-shot的promptNER实体识别实践五个方面，进行代码介绍，供大家一起思考。

一、从预训练语言模型看MLM预测任务

MLM和NSP两个任务是目前BERT等预训练语言模型预训任务，其中MLM要求指定周围词来预测中心词，其模型机构十分简单，如下所示：

import torch.nn as nn 
from transformers import BertModel,BertForMaskedLM
class Bert_Model(nn.Module):
    def __init__(self,  bert_path ,config_file ):
        super(Bert_Model, self).__init__()
        self.bert = BertForMaskedLM.from_pretrained(bert_path,config=config_file)  # 加载预训练模型权重
    def forward(self, input_ids, attention_mask, token_type_ids):
        outputs = self.bert(input_ids, attention_mask, token_type_ids) #masked LM 输出的是 mask的值 对应的ids的概率 ，输出 会是词表大小，里面是概率 
        logit = outputs[0]  # 池化后的输出 [bs, config.hidden_size]
        return logit

下面一段代码，简单的使用了hugging face中的bert-base-uncased进行空缺词预测，先可以得到预训练模型对指定[MASK]位置上概率最大的词语【词语来自于预训练语言模型的词表】。

例如给定句子"natural language processing is a [MASK] technology."，要求预测出其中的[MASK]的词：

>>> from transformers import pipeline
>>> unmasker = pipeline('fill-mask', model='bert-base-uncased')
>>> unmasker("natural language processing is a [MASK] technology.")
[{'score': 0.18927036225795746, 'token': 3274, 'token_str': 'computer', 'sequence': 'natural language processing is a computer technology.'}, 
{'score': 0.14354903995990753, 'token': 4807, 'token_str': 'communication', 'sequence': 'natural language processing is a communication technology.'},
{'score': 0.09429361671209335, 'token': 2047, 'token_str': 'new', 'sequence': 'natural language processing is a new technology.'}, 
{'score': 0.05184786394238472, 'token': 2653, 'token_str': 'language', 'sequence': 'natural language processing is a language technology.'}, 
{'score': 0.04084266722202301, 'token': 15078, 'token_str': 'computational', 'sequence': 'natural language processing is a computational technology.'}]

从结果中，可以显然的看到，[MASK]按照概率从大到小排序后得到的结果是，computer、communication、new、language以及computational，这直接反馈出了预训练语言模型能够有效刻画出NLP是一种计算机、交流以及语言技术。

二、引入prompt_template的MLM预测任务

因此，既然语言模型中的MLM预测结果能够较好地预测出指定的结果，那么其就必定包含了很重要的上下文知识，即上下文特征，那么，我们是否可以进一步地让它来执行文本分类任务？即使用[MASK]的预测方式来预测相应分类类别的词，然后再将词做下一步与具体类别的预测？

实际上，这种思想就是prompt的思想，将下游任务对齐为预训练语言模型的预训练任务，如NPS和MLM，至于怎么对齐，其中引入两个概念，一个是prompt_template，即提示模版，以告诉模型要生成与任务相关的词语。因此，将任务原文text和prompt_template进行拼接，就可以构造与预训练语言模型相同的预训练任务。

例如，

>>> from transformers import pipeline
>>> unmasker = pipeline('fill-mask', model='bert-base-uncased')
>>> text = "I really like the film a lot."
>>> prompt_template = "Because it was [MASK]."  
>>> pred1 = unmasker(text + prompt_template)
>>> pred1
[
{'score': 0.14730973541736603, 'token': 2307, 'token_str': 'great', 'sequence': 'i really like the film a lot. because it was great.'}, 
{'score': 0.10884211212396622, 'token': 6429, 'token_str': 'amazing', 'sequence': 'i really like the film a lot. because it was amazing.'}, 
{'score': 0.09781625121831894, 'token': 2204, 'token_str': 'good', 'sequence': 'i really like the film a lot. because it was good.'}, 
{'score': 0.04627735912799835, 'token': 4569, 'token_str': 'fun', 'sequence': 'i really like the film a lot. because it was fun.'}, 
{'score': 0.043138038367033005, 'token': 10392, 'token_str': 'fantastic', 'sequence': 'i really like the film a lot. because it was fantastic.'}]
 
>>> text = "this movie makes me very disgusting. "
>>> prompt_template = "Because it was [MASK]."  
>>> pred2 = unmasker(text + prompt_template)
>>> pred2
[
{'score': 0.05464331805706024, 'token': 9643, 'token_str': 'awful', 'sequence': 'this movie makes me very disgusting. because it was awful.'}, 
{'score': 0.050322480499744415, 'token': 2204, 'token_str': 'good', 'sequence': 'this movie makes me very disgusting. because it was good.'}, 
{'score': 0.04008950665593147, 'token': 9202, 'token_str': 'horrible', 'sequence': 'this movie makes me very disgusting. because it was horrible.'}, 
{'score': 0.03569378703832626, 'token': 3308, 'token_str': 'wrong', 'sequence': 'this movie makes me very disgusting. because it was wrong.'},
{'score': 0.033358603715896606, 'token': 2613, 'token_str': 'real', 'sequence': 'this movie makes me very disgusting. because it was real.'}]

上面，我们使用了表达正面和负面的两个句子，模型得到最高的均是与类型相关的词语，这也验证了这种方法的可行性。

三、引入verblize类别映射的Prompt-MLM预测

与构造prompt-template之外，另一个重要的点是verblize，做词语到类型的映射，因为MLM模型预测的词语很不确定，需要将词语与具体的类别进行对齐，比如将"great", "amazing", "good", "fun", "fantastic", "better"等词对齐到"positive"上，当模型预测结果出现这些词时，就可以将整个预测的类别设定为positive；

同理，将"awful", "horrible", "bad", "wrong", "ugly"等词映射为“negative”时，即可以将整个预测的类别设定为negative；

>>> verblize_dict = {"pos": ["great", "amazing", "good", "fun", "fantastic", "better"], "neg": ["awful", "horrible", "bad", "wrong", "ugly"]
... }
>>> hash_dict = dict()
>>> for k, v in verblize_dict.items():
...     for v_ in v:
...         hash_dict[v_] = k
>>> hash_dict
{'great': 'pos', 'amazing': 'pos', 'good': 'pos', 'fun': 'pos', 'fantastic': 'pos', 'better': 'pos', 'awful': 'neg', 'horrible': 'neg', 'bad': 'neg', 'wrong': 'neg', 'ugly': 'neg'}

因此，我们可以将这类方法直接加入到上面的预测结果当中进行修正，得到以下结果，

>>> [{"label":hash_dict[i["token_str"]], "score":i["score"]} for i in pred1]
[{'label': 'pos', 'score': 0.14730973541736603}, {'label': 'pos', 'score': 0.10884211212396622}, {'label': 'pos', 'score': 0.09781625121831894}, {'label': 'pos', 'score': 0.04627735912799835}, {'label': 'pos', 'score': 0.043138038367033005}]
 
>>> [{"label":hash_dict.get(i["token_str"], i["token_str"]), "score":i["score"]} for i in pred2]
[{'label': 'neg', 'score': 0.05464331805706024}, {'label': 'pos', 'score': 0.050322480499744415}, {'label': 'neg', 'score': 0.04008950665593147}, {'label': 'neg', 'score': 0.03569378703832626}, {'label': 'real', 'score': 0.033358603715896606}]

通过取top1，可直接得到类别分类结果，当然也可以综合多个预测结果，可以获top10中各个类别的比重，以得到最终结果：

{
  "text":"I really like the film a lot.", "label": "pos"  
  "text":"this movie makes me very disgusting. ", "label":"neg"
}

至此，我们可以大致就可以大致了解在zero-shot场景下，prompt的核心所在。而我们可以进一步的想到，如果我们有标注数据，又如何进行继续训练，如何更好的设计prompt-template以及做好这个词语映射词表，这也是prompt-learning的后续研究问题。

因此，我们可以进一步地形成一个完整的基于训练数据的prompt分类模型，其代码实现样例具体如下，从中我们可以大致在看出具体的算法思想，我们命名为prompt.py

from transformers import AutoModelForMaskedLM , AutoTokenizer
import torch
 
class Prompting(object):
 
  def __init__(self, **kwargs):
    model_path=kwargs['model']
    tokenizer_path= kwargs['model']
    if "tokenizer" in kwargs.keys():
      tokenizer_path= kwargs['tokenizer']
    self.model = AutoModelForMaskedLM.from_pretrained(model_path)
    self.tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_path)
 
  def prompt_pred(self,text):
    """
    输入带有[MASK]的序列，输出LM模型Vocab中的词语列表及其概率
    """
    indexed_tokens=self.tokenizer(text, return_tensors="pt").input_ids
    tokenized_text= self.tokenizer.convert_ids_to_tokens (indexed_tokens[0])
    mask_pos=tokenized_text.index(self.tokenizer.mask_token)
    self.model.eval()
    with torch.no_grad():
      outputs = self.model(indexed_tokens)
      predictions = outputs[0]
    values, indices=torch.sort(predictions[0, mask_pos],  descending=True)
    result=list(zip(self.tokenizer.convert_ids_to_tokens(indices), values))
    self.scores_dict={a:b for a,b in result}
    return result
 
  def compute_tokens_prob(self, text, token_list1, token_list2):
    """
    给定两个词表，token_list1表示表示正面情感positive的词，如good, great，token_list2表示表示负面情感positive的词，如good, great，bad, terrible.   
    在计算概率时候，统计每个类别词所占的比例，score1/(score1+score2)并归一化，作为最终类别概率。
    """
    _=self.prompt_pred(text)
    score1=[self.scores_dict[token1] if token1 in self.scores_dict.keys() else 0\
            for token1 in token_list1]
    score1= sum(score1)
    score2=[self.scores_dict[token2] if token2 in self.scores_dict.keys() else 0\
            for token2 in token_list2]
    score2= sum(score2)
    softmax_rt=torch.nn.functional.softmax(torch.Tensor([score1,score2]), dim=0)
    return softmax_rt
 
  def fine_tune(self, sentences, labels, prompt=" Since it was [MASK].",goodToken="good",badToken="bad"):
    """  
    对已有标注数据进行Fine tune训练。
    """
    good=tokenizer.convert_tokens_to_ids(goodToken)
    bad=tokenizer.convert_tokens_to_ids(badToken)
    from transformers import AdamW
    optimizer = AdamW(self.model.parameters(),lr=1e-3)
    for sen, label in zip(sentences, labels):
      tokenized_text = self.tokenizer.tokenize(sen+prompt)
      indexed_tokens = self.tokenizer.convert_tokens_to_ids(tokenized_text)
      tokens_tensor = torch.tensor([indexed_tokens])
      mask_pos=tokenized_text.index(self.tokenizer.mask_token)
      outputs = self.model(tokens_tensor)
      predictions = outputs[0]
      pred=predictions[0, mask_pos][[good,bad]]
      prob=torch.nn.functional.softmax(pred, dim=0)
      lossFunc = torch.nn.CrossEntropyLoss()
      loss=lossFunc(prob.unsqueeze(0), torch.tensor([label]))
      loss.backward()
      optimizer.step()

四、基于zero-shot的prompt情感分类实践

下面我们直接以imdb中的例子进行zero-shot的prompt分类实践，大家可以看看其中的大致逻辑：

1、加入

>>from transformers import AutoModelForMaskedLM , AutoTokenizer
>>import torch
>>model_path="bert-base-uncased"
>>tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_path)
>>from prompt import Prompting
>>prompting= Prompting(model=model_path)

2、使用prompt_pred直接进行情感预测

>>prompt="Because it was [MASK]."
>>text="I really like the film a lot."
>>prompting.prompt_pred(text+prompt)[:10]
[('great', tensor(9.5558)),
 ('amazing', tensor(9.2532)),
 ('good', tensor(9.1464)),
 ('fun', tensor(8.3979)),
 ('fantastic', tensor(8.3277)),
 ('wonderful', tensor(8.2719)),
 ('beautiful', tensor(8.1584)),
 ('awesome', tensor(8.1071)),
 ('incredible', tensor(8.0140)),
 ('funny', tensor(7.8785))]
>>text="I did not like the film."
>>prompting.prompt_pred(text+prompt)[:10]
[('bad', tensor(8.6784)),
 ('funny', tensor(8.1660)),
 ('good', tensor(7.9858)),
 ('awful', tensor(7.7454)),
 ('scary', tensor(7.3526)),
 ('boring', tensor(7.1553)),
 ('wrong', tensor(7.1402)),
 ('terrible', tensor(7.1296)),
 ('horrible', tensor(6.9923)),
 ('ridiculous', tensor(6.7731))]

2、加入neg/pos词语vervlize进行情感预测

>>text="not worth watching"
>>prompting.compute_tokens_prob(text+prompt, token_list1=["great","amazin","good"], token_list2= ["bad","awfull","terrible"])
tensor([0.1496, 0.8504])
 
>>text="I strongly recommend that moview"
>>prompting.compute_tokens_prob(text+prompt, token_list1=["great","amazin","good"], token_list2= ["bad","awfull","terrible"])
tensor([0.9321, 0.0679])
 
>>text="I strongly recommend that moview"
>>prompting.compute_tokens_prob(text+prompt, token_list1=["good"], token_list2= ["bad"])
tensor([0.9223, 0.0777])

五、基于zero-shot的promptNER实体识别实践

进一步的，我们可以想到，既然分类任务可以进行分类任务，那么是否可以进一步用这种方法来做实体识别任务呢？

实际上是可行的，暴力的方式，通过获取候选span，然后询问其中实体所属的类型集合。

1、设定prompt-template

同样的，我们可以设定template，以一个人物为例，John是一个非常常见的名字，模型可以直接知道它是一个人，而不需要上下文

Sentence. John is a type of [MASK]

2、使用prompt_pred直接进行预测 我们直接进行处理，可以看看效果：

>>prompting.prompt_pred("John went to Paris to visit the University. John is a type of [MASK].")[:5]
[('man', tensor(8.1382)),
 ('john', tensor(7.1325)),
 ('guy', tensor(6.9672)),
 ('writer', tensor(6.4336)),
 ('philosopher', tensor(6.3823))]
>>prompting.prompt_pred("Savaş went to Paris to visit the university. Savaş is a type of [MASK].")[:5]
[('philosopher', tensor(7.6558)),
 ('poet', tensor(7.5621)),
 ('saint', tensor(7.0104)),
 ('man', tensor(6.8890)),
 ('pigeon', tensor(6.6780))]

2、加入类别词语vervlize进行情感预测
进一步的，我们加入类别词，进行预测，因为我们需要做的识别是人物person识别，因此我们可以将person类别相关的词作为token_list1，如["person","man"]，其他类型的，作为其他词语，如token_list2为["location","city","place"])，而在其他类别时，也可以通过构造wordlist字典完成预测。

>>> prompting.compute_tokens_prob("It is a type of [MASK].",
                              token_list1=["person","man"], token_list2=["location","city","place"])
tensor([0.7603, 0.2397])
 
>>> prompting.compute_tokens_prob("Savaş went to Paris to visit the parliament. Savaş is a type of [MASK].",
                              token_list1=["person","man"], token_list2=["location","city","place"])//确定概率为0.76，将大于0.76的作为判定为person的概率
tensor([9.9987e-01, 1.2744e-04])

从上面的结果中，我们可以看到，利用分类方式来实现zero shot实体识别，是直接有效的，“Savaş”判定为person的概率为0.99，

prompting.compute_tokens_prob("Savaş went to Laris to visit the parliament. Laris is a type of [MASK].",
                              token_list1=["person","man"], token_list2=["location","city","place"])
tensor([0.3263, 0.6737])

而在这个例子中，将“Laris”这一地点判定为person的概率仅仅为0.3263，也证明其有效性。

总结

本文主要从预训练语言模型看MLM预测任务、引入prompt_template的MLM预测任务、引入verblize类别映射的Prompt-MLM预测、基于zero-shot的prompt情感分类实践以及基于zero-shot的promptNER实体识别实践五个方面，进行了代码介绍。

关于prompt-learning，我们可以看到，其核心就在于将下游任务统一建模为了预训练语言模型的训练任务，从而能够最大地挖掘出预训模型的潜力，而其中的prompt-template以及对应词的构造，这个十分有趣，大家可以多关注。

参考文献

1、https://huggingface.co/bert-base-uncased
2、https://github.com/savasy/prompt-based-learning

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