多头自注意力机制Pytorch实现

注意力机制广泛存在于现在的深度学习网络结构中，使用得到能够提升模型的学习效果。本文讲使用Pytorch实现多头自注意力模块。

一个典型的自注意力模块由Q、K、V三个矩阵的运算组成，Q、K、V三个矩阵都由原特征矩阵变换而来，所以本质上来说是对自身的运算。

而多头注意力机制则是单头注意力机制的进化版，把每次attention运算分组（头）进行，能够从多个维度提炼特征信息。具体原理可以参看相关的科普文章，下面是Pytorch实现。

import torch.nn as nn
class MHSA(nn.Module):
    def __init__(self, num_heads, dim):
        super().__init__()
        # Q, K, V 转换矩阵，这里假设输入和输出的特征维度相同
        self.q = nn.Linear(dim, dim)
        self.k = nn.Linear(dim, dim)
        self.v = nn.Linear(dim, dim)
        self.num_heads = num_heads
	
    def forward(self, x):
        B, N, C = x.shape
        # 生成转换矩阵并分多头
        q = self.q(x).reshape(B, N, self.num_heads, -1).permute(0, 2, 1, 3)
        k = self.k(x).reshape(B, N, self.num_heads, -1).permute(0, 2, 1, 3)
        v = self.k(x).reshape(B, N, self.num_heads, -1).permute(0, 2, 1, 3)
        
        # 点积得到attention score
        attn = q @ k.transpose(2, 3) * (x.shape[-1] ** -0.5)
        attn = attn.softmax(dim=-1)
        
        # 乘上attention score并输出
        v = (attn @ v).permute(0, 2, 1, 3).reshape(B, N, C)
        return v