自注意力机制 Self-Attention与Transformer的原理及结构（编码器、解码器的原理及代码实现）

Transformer

1.自注意力机制 Self-Attention

自注意力机制在文本中的应用，主要是通过计算单词间的互相影响，来解决长距离依赖问题。
自注意力机制的计算过程：

①Multi-head Self-Attention

之前我们都是用Q去找K，来计算相关性。但是两个事物之间相关性本身可能有多种不同的类型。因此设置多个Q(head),不同的Q来负责不同的相关性，所以需要Multi-head Self-Attention。

我们可以发现不管是Self-attention还是Multi-head Self-attention的操作中都没有加入关于输入input的位置信息（positional encoding)。
因此，当我们觉得我们做的任务中位置信息也很重要的话，可以使用positional encoding的方法来为每一个input设置一个唯一的位置。

2.Transformer的结构

Transformer 架构是以encoder/decoder架构为基础在Encoder和Decoder中都使用了Self-attention, Point-wise和全连接层。Encoder和decoder的大致结构分别如下图的左半部分和右半部分所示：

Encoder将输入序列(x1,…,xn)映射到一个连续表示序列 z=(z1,…,zn)。对于编码得到的z，Decoder每次解码生成一个符号，直到生成完整的输出序列：(y1,…,ym)。对于每一步解码，模型都是自回归的，即在生成下一个符号时将先前生成的符号作为附加输入。

①Encoder and Decoder

输入文本会先经过一个叫Encoders的模块进行编码，数据再传入一个叫Decoders的模块进行解码，解码后就得到了翻译后的文本。

每个编码器的结构均相同（但它们不共享权重），每层有两个子层：自注意力层（self-attention） 和全连接的前馈网络层（feed-forward）。
从编码器输入的句子首先会经过一个自注意力层，这层帮助编码器在对每个单词编码时关注输入句子的其他单词。自注意力层的输出会传递到前馈神经网络中。每个位置的单词对应的前馈神经网络相同。

自注意力层和前馈层之间还有一个注意力层，用来关注输入句子的相关部分。确保了生成位置i的预测时，仅依赖小于i的位置处的已知输出，相当于把后面不该看到的信息屏蔽掉。

②残差连接 residual connections

整体加到Encoder\Decoder中看就是如下图所示：区别在于它多了一个Encoder-Decoder Attention层，这个层的输入除了来自Self-Attention之外还有Encoder最后一层的所有时刻的输出。Encoder-Decoder Attention层的Query来自下一层，而Key和Value则来自Encoder的输出。

③编码器模块结构

编码器的代码分析：

编码器层的代码分析:

④解码器模块结构

解码器的代码分析:

解码器层的代码实现:

# 使用DecoderLayer的类实现解码器层class DecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self, size, self_attn, src_attn, feed_forward, dropout):
        """ 初始化函数的参数有5个
            第一个是分别是size，代表词嵌入的维度大小, 同时也代表解码器层的尺寸，
            第二个是self_attn，多头自注意力对象，也就是说这个注意力机制需要Q=K=V， 
            第三个是src_attn，多头注意力对象，这里Q!=K=V， 
            第四个是前馈全连接层对象，
            最后是droupout置0比率。"""
        super(DecoderLayer, self).__init__()
        # 在初始化函数中， 主要就是将这些输入传到类中
        self.size = size
        self.self_attn = self_attn
        self.src_attn = src_attn
        self.feed_forward = feed_forward
        # 按照结构图使用clones函数克隆三个子层连接对象.
        self.sublayer = clones(SublayerConnection(size, dropout), 3)
    def forward(self, x, memory, source_mask, target_mask):
        """forward函数中的参数有4个，
           分别是来自上一层的输入x，
           来自编码器层的语义存储变量mermory， 
           以及源数据掩码张量和目标数据掩码张量."""
        # 将memory表示成m方便之后使用
        m = memory
# 将x传入第一个子层结构，第一个子层结构的输入分别是x和self-attn函数，因为是自注意力机制，所以Q,K,V都是x
 # 最后一个参数是目标数据掩码张量，这时要对目标数据进行遮掩，因为此时模型可能还没有生成任何目标数据
# 比如在解码器准备生成第一个字符或词汇时，我们其实已经传入了第一个字符以便计算损失
 # 但是我们不希望在生成第一个字符时模型能利用这个信息，因此我们会将其遮掩，同样生成第二个字符或词汇时，
# 模型只能使用第一个字符或词汇信息，第二个字符以及之后的信息都不允许被模型使用.
        x = self.sublayer[0](x, lambda x: self.self_attn(x, x, x, target_mask))
 # 接着进入第二个子层，这个子层中常规的注意力机制，q是输入x; k，v是编码层输出memory， 
# 同样也传入source_mask，但是进行源数据遮掩的原因并非是抑制信息泄漏，而是遮蔽掉对结果没有意义的字符而产生的注意力值，
 # 以此提升模型效果和训练速度. 这样就完成了第二个子层的处理.
        x = self.sublayer[1](x, lambda x: self.src_attn(x, m, m, source_mask))
# 最后一个子层就是前馈全连接子层，经过它的处理后就可以返回结果.这就是我们的解码器层结构.
        return self.sublayer[2](x, self.feed_forward)