ChatGPT基础组件Transformer的代码实现（纯净版Transformer实现）

        最近ChatGPT大火，其实去年11月份就备受关注了，最近火出圈了，还是这家伙太恐怖了，未来重复性的工作很危险。回归主题，ChatGPT就是由无数个（具体也不知道多少个，哈哈哈哈）Transformer语言模型组成，Transformer最开始在2017年提出，目的是解决序列数据的训练，大多数应用到了语言相关，最近在图像领域也很有作为，属于是多点开花了。今天来简单看看他的实现吧。

目录

一、Transformer原理

二、代码实现

三、通俗解释如何使用Transformer 

四、总结

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一、Transformer原理

        说实话，介绍这个东西优点太伤神了，我想把有限的时间浪费在有意义的事情上，不对其数学原理发表什么了（主要是不会），简单介绍他的组成结构吧。

        上图是组成transformer的一部分，他可以被分为编码层和解码层，对于语言这样的序列来讲，必须对其进行编码才能使用其数据信息。最简单的编码便是一个字符对应一个数字，这个大家心中有数就好，真实的Transformer编码原理肯定比这个复杂，不过现在的torch里你可以不需要知道内部的细节，可以直接调用。为了更直观的理解，你可以预习RNN的编码解码。总之，这个过程是一种信息转化、提取的过程，将计算机不懂的字符变为它能计算的数字。RNN图如下：

        具体原理实现可以看下面的链接：

【NLP】Transformer模型原理详解 - 知乎

详解transformer_one-莫烦的博客-CSDN博客_transformer介绍

二、代码实现

        代码：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class TransformerEncoder(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(TransformerEncoder, self).__init__()
        self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
        self.feed_forward = nn.Sequential(
            nn.Linear(d_model, dim_feedforward),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(dim_feedforward, d_model)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.num_layers = num_layers

    def forward(self, x, mask=None):
        attn_output, _ = self.self_attn(x, x, x, attn_mask=mask)
        x = x + self.dropout(attn_output)
        x = self.norm1(x)
        ff = self.feed_forward(x)
        x = x + self.dropout(ff)
        x = self.norm2(x)
        return x


class TransformerDecoder(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(TransformerDecoder, self).__init__()
        self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
        self.src_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
        self.feed_forward = nn.Sequential(
            nn.Linear(d_model, dim_feedforward),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(dim_feedforward, d_model)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.norm3 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.num_layers = num_layers

    def forward(self, x, src, mask=None, src_mask=None):
        attn_output, _ = self.self_attn(x, x, x, attn_mask=mask)
        x = x + self.dropout(attn_output)
        x = self.norm1(x)
        attn_output, _ = self.src_attn(x, src, src, attn_mask=src_mask)
        x = x + self.dropout(attn_output)
        x = self.norm2(x)
        ff = self.feed_forward(x)
        x = x + self.dropout(ff)
        x = self.norm3(x)
        return x

class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.encoder = TransformerEncoder(d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout)
        self.decoder = TransformerDecoder(d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout)
        self.d_model = d_model

    def forward(self, src, tgt, src_mask=None, tgt_mask=None):
        memory = self.encoder(src, src_mask)
        output = self.decoder(tgt, memory, tgt_mask, src_mask)
        return output


if __name__ == "__main__":
    d_model = 512
    nhead = 8
    num_layers = 6
    dim_feedforward = 2048
    dropout = 0.1

    transformer = Transformer(d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout)
    src = torch.randn(10, 32, d_model)
    tgt = torch.randn(20, 32, d_model)
    output = transformer(src, tgt)
    print(src)
    print("########################")
    print(output)

• src 和 tgt 分别是输入的源数据和目标数据，大小为 batch_size x sequence_length x d_model。
• src_mask 和 tgt_mask 分别是对于 src 和 tgt 的有效位置的掩码，大小为 batch_size x sequence_length x sequence_length，为了实现对填充位置的忽略。
• d_model 是模型中间语义空间的维数。
• nhead 是多头注意力机制中每个头的数量。
• num_layers 是编码器和解码器的层数。
• dim_feedforward 是前馈网络的隐藏层大小。
• dropout 是 dropout 的比率。

三、通俗解释如何使用Transformer 

        在语言领域，Transformer有很强大的序列特征提取能力，具体多强我并没有感受，因为没用过，没法对比。不过ChatGPT的大量使用Transformer足可以证明它正值年壮，没道理我们不用它。

        在图像领域同样很强，不过需要大量数据来训练，否则它不如CNN，这个也都是大量先人的经验，踩过坑自然知道。缺点还有就是模型太大，需要很大的算力。

        你可以把它当成黑盒来用，这个是Transformer用于翻译：

        用于图像领域，如果是图像像素点判断（图像分割），那么需要将FC去掉，根据自己需要修改吧：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class TransformerEncoder(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(TransformerEncoder, self).__init__()
        self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
        self.feed_forward = nn.Sequential(
            nn.Linear(d_model, dim_feedforward),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(dim_feedforward, d_model)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.num_layers = num_layers

    def forward(self, x, mask=None):
        attn_output, _ = self.self_attn(x, x, x, attn_mask=mask)
        x = x + self.dropout(attn_output)
        x = self.norm1(x)
        ff = self.feed_forward(x)
        x = x + self.dropout(ff)
        x = self.norm2(x)
        return x


class ImageTransformer(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(ImageTransformer, self).__init__()
        self.encoder = TransformerEncoder(d_model, nhead, num_layers, dim_feedforward, dropout)
        self.fc = nn.Linear(d_model, 1024)

    def forward(self, x):
        x = self.encoder(x)
        x = self.fc(x)
        x = F.relu(x)
        return x

if __name__ == "__main__":
    # 实例化ImageTransformer模型
    model = ImageTransformer(d_model=16, nhead=8, num_layers=6, dim_feedforward=2048, dropout=0.1)

    # 使用图像数据输入模型
    image = torch.randn(3, 16, 16)
    features = model(image)
    print(features)

四、总结

        Transformer用来训练语言模型一点问题没有，人家本来就是为序列而生。但是训练图像需要甄别自己的实际情况。随着ChatGPT的爆火，你不了解它，但是它在了解你。