源码剖析transformer、self-attention（自注意力机制）、bert原理！

首先给大家引入一个github博客，这份代码是我在看了4份transformer的源码后选出来的，这位作者的写法非常易懂，代码质量比较高。https://github.com/Separius/BERT-keras

这篇文章主要跟大家分享四个点：多头机制(multi-head)、LN和GELU、位置编码。

在这再给大家安利几篇博客，便于大家更具体的理解自注意力的内在原理。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/44121378

https://zhuanlan.zhihu.com/p/47282410（精华）

https://www.cnblogs.com/robert-dlut/p/8638283.html

 

transformer是self-attention的落地或者说扩展，多头机制把自注意力机制发挥得淋漓尽致。transformer最亮眼的地方就是完全抛弃了常规的链式RNN结构（包括LSTM等其他变体），即：并行计算能力特别弱的计算方法。它应该会是早期NLP训练技术跟当期技术的一个里程碑，毕竟人家BERT是吧，刷新了不造几个记录，虽然XLNET又刷新了BERT的记录，但是这也正证实了这种设计理念的优秀！优秀啊。。。[斜眼笑]。。。

言归正传！

一、自注意力机制（self-attention）和多头机制（mutil-head）

常规的语言生成模型长这样

下一个字的生成，依靠且只依靠上一个字的输出状态和当前输入的输入状态，也就是说，预测值在某一程度上说只跟上一个字关系大一些，而自注意力模型，差不多长下面这个样子。

 

这个图的意思是，每一个字的生成，会跟所有的字（encode的时候）都有关系，这就是所谓的“注意力”机制。整个文字的生成过程中，每一个字都可能会跟所有的字做加权，为什么是“可能”呢，因为有mask嘛，随机给屏蔽掉一些词，屏蔽掉的那就没办法顾及了。这样的好处有两个：

一是能“照顾”所有的词，也就是我们理解的“语境”，

比如，句子1：“优秀！这就很优秀了！我做梦都没想到他这么175的个子能在中场投篮投进了！”；

和句子2：“优秀！这就很优秀了！他这185的个子在篮下那么好的位置还是没进球！”。

同样位置的一个词“优秀！”，一模一样的字，它的意思的完全相反的（中华文化博大精深），自注意力机制就需要在即使后面说了一堆废话的基础上，还是能学出这个词是褒义还是贬义。换句话说，它在判断优秀是褒义还是贬义时，甚至需要看到最后几个关键语气的词，才能做出判断，而这个功能正是RNN系列模型做不到的！数学意义上可以叫做“贡献度”。

二是，这样所以词就能并行计算了，至少这一步是可以并行计算了！

OK，自注意力就是大致这样个流程，多头又是什么鬼！很简单，经过嵌入层后，每个词有多个维度（代码嵌入为768列），把这些维度均分成n_head（12）份，每一份都去做这么一件事，就是多头机制。简而言之，就是自注意力的模式，复制了几次，这个“几次”就是“多头”，12次就是12头。。。只不过，不是做复制，二是做拆分，均分成12次来进行注意力的计算。

原理懂了哈，咱们看下人家是怎么实现的。

（1）funcs的multihead_attention函数

_q, _k, _v = x[:, :, :n_state], x[:, :, n_state:2 * n_state], x[:, :, -n_state:]

# [B, n_head, max_len, 768 // n_head]
q = split_heads(_q, n_head)  # B, H, L, C//H
# [B, n_head, 768 // n_head, max_len]
k = split_heads(_k, n_head, k=True)  # B, H, C//H, L
# [B, n_head, max_len, 768 // n_head]
v = split_heads(_v, n_head)

x是embedding后的输入，经过3*768个1x1卷积，变成[B, max_len, 3*768]的特征矩阵，q、k和v各占1/3，即：[B, max_len, 768]

（2）funcs的split_heads函数

# [-1, max_len, 768]
x_shape = shape_list(x)
# 768
m = x_shape[-1]
# [-1, max_len, n_head,  768 // n_head]
new_x_shape = x_shape[:-1] + [n, m // n]
# [B, max_len, n_head,  768 // n_head]

new_x = K.reshape(x, new_x_shape)
# return [B, n_head, max_len, 768 // n_head] False
# return [B, n_head, 768 // n_head, max_len] True
return K.permute_dimensions(new_x, [0, 2, 3, 1] if k else [0, 2, 1, 3])

这里对q和v拆分成[B, 12,  max_len, 768 // 12] = [B, 12, max_len, 64]的长度，k拆成[B, 12, 64, max_len]

也就是说，每个词拆成了12等分，每一等分特征由之前的768变成了64。整个分成了B个batch，12的小batch，每个小batch的句子是max_len个长度的词组成，每个词有64的特征。

（3）这里咱们细讲一下这个permute，permute是自注意力计算逻辑最核心最抽象的地方之一。先上一张图

permute跟numpy的transpose是异曲同工的，都可以理解为转置。只是我们在对张量做转置的时候，用常规的二维矩阵的思维去理解比较难。但是！解释还是得用二维矩阵的方法去解释！

假设我们的q是一个2X6的矩阵，每一个字被嵌入成6个特征。k跟q一毛一样，但是我把k做一下转置，变成6X2的矩阵。这样的形式，我们用矩阵相乘的方法，把2x6的矩阵跟6x2的矩阵相乘，是不是变成了2x2，这个2x2是不是就可以理解为2个字对自己的排列组合。换句话说，所有的字与字之间的加权值得出来了。如图：优跟优的加权值是50（1x1+2x2+3x3+4x4+5x5），优跟秀的加权值是70（1x2+2x3+3x4+4x5+5x6），秀跟优的加权值是70（1x2+2x3+3x4+4x5+5x6），秀跟秀的加权值是90（2x2+3x3+4x4+5x5+6x6）。

 

（4）funcs的scaled_dot_product_attention_tf函数

先看这个函数：w = K.batch_dot(q, k)

这一步就是上一步所说的矩阵乘法。算法中，对每一组嵌入数据

[B, max_len, 768*3]通过均分，拆成3份[B, max_len, 768]，分别作为q、k和v的前身；通过reshape，都变成[B, max_len, 12, 64]；在通过permute变成q=[B, 12, max_len, 64]、k=[B, 12, 64, max_len]和v=[B, 12, max_len, 64]。

其中，q和k进行矩阵乘法，把max_len个字彼此求加权值（q=[B, 12, max_len, 64] * k=[B, 12, max_len, 64]），变成w=[B, 12, max_len, max_len]。这里的max_len放在“优秀”一组词里面就是2，即：当前句子的长度。

接着，继续对w和v做矩阵乘法，再求一次加权值（至于这一步有什么实际的原理，我不太确定），这一次矩阵乘法，在数学上把维度还原到[B, 12, max_len, 64]，以方便后期继续还原成输入的shape。我揣测，这一步w*v的意义跟全连接层的意义是接近的。只不过在设计的出发点和可解释性上，要稍强于全连接层的意义。

 

所以，我用我自己组织的方式，给大家解释一下整个自注意力的过程

a、首先是split_heads，就是切分出qkv

 

b、矩阵乘法求权值，即：scaled_dot_product_attention_tf

c、merge_heads

经过上述两步，O（output）=[B, 12, max_len, 64]，在这个函数里面，还原成[B, max_len, 64]

到此，多头+自注意力机制暂告一段落！

接下来你想在这一步重复多少次就重复多少次，因为输入输出都是一个shape。

 

二、LN（Layer Normalization）

https://blog.csdn.net/weixin_42078618/article/details/90730488

往这看！！！

 

三、GELU

一个公式说明一切（这个是近似函数，不是本征函数）

然后看看图像

当我看到这个图像的时候，我第一反应想起了Swish激活函数

他俩真的是异曲同工，几乎长得都一毛一样。从论文来看，GELU函数的收敛性会比RELU和ELU都有略好。

 

四、位置编码

位置信息对于理解一句话来说，也是很重要的。比如：

a、难受！滑板坏了，水还洒身上了！

b、滑板坏了，难受！水还洒身上了！

对于句子b，其实表达出来的意思，难受的重心是滑板，水是附加的负面影响。对于a，可能整体对心情造成的负面影响是差不多的。这就是词在不同位置可能对语境带了影响的一种情况。

常用的位置编码一般无外乎两种：一种是词嵌入，相当于先加一步全连接层，并且该层参数可学；另一种是自己设计位置编码方法。比如我印象中bert是用正余弦函数做编码的，以后看到再跟大家分享；或者，做一个递进的简单累加也不是不行哇，哈哈。

这里的Transformer阶段的位置编码只是使用了简单的词嵌入的方式，你也可以理解其实就是全连接层的一种应用方式。

 

结语：transformer以及后来的bert模型最核心的地方就是自注意力机制，大家能把自注意力的实现原理看懂，其核心思想也就一通百通了。