透彻理解大模型框架：Transformer模型原理详解与机器翻译

            注意力，自注意力，transformer研究变迁

1、模型结构

2、模型encoding过程

2.1）注意力机制

input=x={x1,x2}

输入句子：{thiking machine}

embeding：x1，x2

Thinking  x1 = { };  Machine      x2 = { }

已知神经网络权重：W_q,    W_k,   W_v

W_q,    W_k,    W_v

        W_q*x1 = q1 = [  3,1,50],           W_q*x2 = q2 = [2,4,8]

         W_k*x1 = k1 = [ 4,50,1],           W_k*x2 = k2 = [3,37,1]

         W_v*x1 = v1 = [ 3,1,4],           W_v*x2 = v2 =   [2,6,8]

下面计算注意力矩阵，与Z

得到注意力矩阵：

注意力矩阵QK/

softmax(QK/)=

Z=softmax(QK'/)*V

 

注释：1、经过注意力矩阵与v相乘后，得到Z,        Z已经不在是两个单词的向量了。但是至少一点是肯定的，Z的信息已经融合了两个单词各个分量以及权重的信息。

           2、注意力矩阵的维度，是输入句子长度未n,单词维度为d，即n*d,  也就是输入句子的矩阵的维度（X）n*d，由此可知  注意力矩阵：n*n维数。

          3、经过encoding后，Z的大小，也是n*n*n*d=n*d维数，也就是输入（输出）句子的维数。

          4、softmax概率分类器，是针对注意力矩阵按行进行概率归一化。

类似的道理，接入多头注意力机制

2.2）位置嵌入

      将每个位置编号，然后每个编号对应一个向量，通过将位置向量和词向量相加，就给每个词都引入了一定的位置信息，这样 attention 就可以分辨出不同位置的词了。

      The positional encodings have the same dimension dmodel as the embeddings, so that the two can be summed.

       不妨假设序列长度为6（6个单词），维数为8（每个 单词维数），  X为6*8的向量，n=6, d=8;   2i = 0,2,4,6,8;    2i+1 = 1,3,5,7;

        取绝对位置为：pos=[0, 1，2，3，4，5,   6,   7]，其中 i=0, 1，2，3，4；dmodel=8;  

 得到下面奇数，偶数位置的嵌入向量：

 PositionEmbeding=

合并上面式子，得到位置嵌入向量：

因为用正弦波，所以取值为波长0到2pi的整数倍之间。

X的每一个token的词的向量为一个8维数序列，加上位置向量，就完成向量的嵌入。

     下面举例：给出句子10个词，每个词用64维向量表示，此时靠近单词位置越近编码效果越明显。前20维的频率变化越明显，数据位置编码效果越明显。

cos，sin位置编码，只考虑了句子间词与词的空间位置，不考虑词的先后顺序。比如课堂举的例子：谁是谢霆锋的儿子？谢霆锋是谁的儿子？这两句话的语义完全不同，采用正弦余弦的位置编码，会截然不同。正因为不考虑词出现的先后顺序导致的弊端，所有有研究改进这一缺陷。

2.3）生成注意力机制后，作残差相加，FFN两个过程

2.4)  encoder-decoder执行动图

                                               

                                                             encoder-decoder 框架

3、transformer 注意力机制

4、 句子补全掩码和注意机制掩码

Padding Mask（句子补丁掩码）：

       假如是每个batch的句子不等长的情况, 那么我们需要加padding, 使得每个句子的长度变一致. 但是必须保证加的padding不会影响其他句子, 那么这就可以在padding区域加一个mask, 具体来说也就是给无效的区域加个负偏置, 因为softmax是e的对数, 假如是接近负无穷的话相应的注意力部分就接近于0

Masked Self-Attention（自注意力掩码）:

之后再做 softmax，就能将 - inf 变为 0，得到的这个矩阵即为每个字之间的权重

 掩码图示：（非常直观）每次只能看到V的各行的单词的当前位置单词和之前的位置的单词，当前单词的后续单词根本看不到。

Decoder中第二个 Multi-Head Attention: 

     其实也叫cross-attention，融合encoder中的输出矩阵Q,K,V,Z。

• Decoder block 第二个 Multi-Head Attention 变化不大， 主要的区别在于其中 Self-Attention 的 K, V矩阵不是使用 上一个 Decoder block 的输出计算的，而是使用 Encoder 的编码信息矩阵 Z计算的。
• 根据 Encoder 的输出 Z计算得到 K, V，根据上一个 Decoder block 的输出 Z 计算 Q (如果是第一个 Decoder block 则使用输入矩阵 X 进行计算)，后续的计算方法与之前描述的一致。
• 这样做的好处是在 Decoder 的时候，每一位单词都可以利用到 Encoder 所有单词的信息 (这些信息无需 Mask)。

5、样本数据层正态分布规范化Layer Normalization

batch_norm和layer_norm的区别:

        BN针对批次内的所有样本作数据正态分布标准化。而 LN正对批次内各个样本做数据正态分布规范，如下图清晰显示。前者是全局数据上的规范，容易导致数据抖动。后者样本内作规范，规范后数据误差明显更小。

三维数据的演示如下图：

6、transformer 整个流程计算公式

提示：为了更好的理解以上内容，是如何编码的，为了360度弄明白transformer的代码是如何巧妙实现的，可以参考一本好书 ：邵浩，邵一峰《预训练语言模型》，电子工业出版社，2021.5。

7、transformer实践

1）基于transformer的情感分析实践

见20级电子信息短学期课程（aistuidio）

2）基于transformer的机器翻译

环境要求如上述requirements

简介
本文使用PyTorch自带的transformer层进行机器翻译：从德语翻译为英语。从零开始实现Transformer请参阅PyTorch从零开始实现Transformer，以便于获得对Transfomer更深的理解。

数据集
Multi30k

环境要求
使用torch， torchtext，spacy，其中spacy用来分词。另外，spacy要求在虚拟环境中下载语言模型，以便于进行tokenize（分词）

# To install spacy languages do:
python -m spacy download en_core_web_sm
python -m spacy download de_core_news_sm

实验代码

代码来源请参考下方的GitHub链接

transformer_translation.py文件

# Bleu score 32.02
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import spacy
from utils import translate_sentence, bleu, save_checkpoint, load_checkpoint
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchtext.datasets import Multi30k
from torchtext.data import Field, BucketIterator

"""
To install spacy languages do:
python -m spacy download en_core_web_sm
python -m spacy download de_core_news_sm
"""
spacy_ger = spacy.load("de_core_news_sm")
spacy_eng = spacy.load("en_core_web_sm")


def tokenize_ger(text):
    return [tok.text for tok in spacy_ger.tokenizer(text)]

# 将英语进行分词
def tokenize_eng(text):
    return [tok.text for tok in spacy_eng.tokenizer(text)]


german = Field(tokenize=tokenize_ger, lower=True, init_token="", eos_token="")

english = Field(
    tokenize=tokenize_eng, lower=True, init_token="", eos_token=""
)

train_data, valid_data, test_data = Multi30k.splits(
    exts=(".de", ".en"), fields=(german, english)
)

german.build_vocab(train_data, max_size=10000, min_freq=2)
english.build_vocab(train_data, max_size=10000, min_freq=2)


class Transformer(nn.Module):
    def __init__(
        self,
        embedding_size,
        src_vocab_size,
        trg_vocab_size,
        src_pad_idx,
        num_heads,
        num_encoder_layers,
        num_decoder_layers,
        forward_expansion,
        dropout,
        max_len,
        device,
    ):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.src_word_embedding = nn.Embedding(src_vocab_size, embedding_size)
        self.src_position_embedding = nn.Embedding(max_len, embedding_size)
        self.trg_word_embedding = nn.Embedding(trg_vocab_size, embedding_size)
        self.trg_position_embedding = nn.Embedding(max_len, embedding_size)

        self.device = device
        self.transformer = nn.Transformer(
            embedding_size,
            num_heads,
            num_encoder_layers,
            num_decoder_layers,
            forward_expansion,
            dropout,
        )
        self.fc_out = nn.Linear(embedding_size, trg_vocab_size)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.src_pad_idx = src_pad_idx

    def make_src_mask(self, src):
        src_mask = src.transpose(0, 1) == self.src_pad_idx

        # (N, src_len)
        return src_mask.to(self.device)

    def forward(self, src, trg):
        src_seq_length, N = src.shape
        trg_seq_length, N = trg.shape

        src_positions = (
            torch.arange(0, src_seq_length)
            .unsqueeze(1)
            .expand(src_seq_length, N)
            .to(self.device)
        )

        trg_positions = (
            torch.arange(0, trg_seq_length)
            .unsqueeze(1)
            .expand(trg_seq_length, N)
            .to(self.device)
        )

        embed_src = self.dropout(
            (self.src_word_embedding(src) + self.src_position_embedding(src_positions))
        )
        embed_trg = self.dropout(
            (self.trg_word_embedding(trg) + self.trg_position_embedding(trg_positions))
        )

        src_padding_mask = self.make_src_mask(src)
        trg_mask = self.transformer.generate_square_subsequent_mask(trg_seq_length).to(
            self.device
        )

        out = self.transformer(
            embed_src,
            embed_trg,
            src_key_padding_mask=src_padding_mask,
            tgt_mask=trg_mask,
        )
        out = self.fc_out(out)
        return out


# We're ready to define everything we need for training our Seq2Seq model
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
print(device)
load_model = False
save_model = True

# Training hyperparameters
num_epochs = 10
learning_rate = 3e-4
batch_size = 32

# Model hyperparameters
src_vocab_size = len(german.vocab)
trg_vocab_size = len(english.vocab)
embedding_size = 512
num_heads = 8
num_encoder_layers = 3
num_decoder_layers = 3
dropout = 0.10
max_len = 100
forward_expansion = 4
src_pad_idx = english.vocab.stoi[""]

# Tensorboard to get nice loss plot
writer = SummaryWriter("runs/loss_plot")
step = 0

train_iterator, valid_iterator, test_iterator = BucketIterator.splits(
    (train_data, valid_data, test_data),
    batch_size=batch_size,
    sort_within_batch=True,
    sort_key=lambda x: len(x.src),
    device=device,
)

model = Transformer(
    embedding_size,
    src_vocab_size,
    trg_vocab_size,
    src_pad_idx,
    num_heads,
    num_encoder_layers,
    num_decoder_layers,
    forward_expansion,
    dropout,
    max_len,
    device,
).to(device)

optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)

scheduler = torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(
    optimizer, factor=0.1, patience=10, verbose=True
)

pad_idx = english.vocab.stoi[""]
criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=pad_idx)

if load_model:
    load_checkpoint(torch.load("my_checkpoint.pth.tar"), model, optimizer)

# 'a', 'horse', 'is', 'walking', 'under', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.
sentence = "ein pferd geht unter einer brücke neben einem boot."

for epoch in range(num_epochs):
    print(f"[Epoch {epoch} / {num_epochs}]")

    if save_model:
        checkpoint = {
            "state_dict": model.state_dict(),
            "optimizer": optimizer.state_dict(),
        }
        save_checkpoint(checkpoint)

    model.eval()
    translated_sentence = translate_sentence(
        model, sentence, german, english, device, max_length=50
    )

    print(f"Translated example sentence: \n {translated_sentence}")
    model.train()
    losses = []

    for batch_idx, batch in enumerate(train_iterator):
        # Get input and targets and get to cuda
        inp_data = batch.src.to(device)
        target = batch.trg.to(device)

        # Forward prop
        output = model(inp_data, target[:-1, :])

        # Output is of shape (trg_len, batch_size, output_dim) but Cross Entropy Loss
        # doesn't take input in that form. For example if we have MNIST we want to have
        # output to be: (N, 10) and targets just (N). Here we can view it in a similar
        # way that we have output_words * batch_size that we want to send in into
        # our cost function, so we need to do some reshapin.
        # Let's also remove the start token while we're at it
        output = output.reshape(-1, output.shape[2])
        target = target[1:].reshape(-1)

        optimizer.zero_grad()

        loss = criterion(output, target)
        losses.append(loss.item())

        # Back prop
        loss.backward()
        # Clip to avoid exploding gradient issues, makes sure grads are
        # within a healthy range
        torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), max_norm=1)

        # Gradient descent step
        optimizer.step()

        # plot to tensorboard
        writer.add_scalar("Training loss", loss, global_step=step)
        step += 1

    mean_loss = sum(losses) / len(losses)
    scheduler.step(mean_loss)

# running on entire test data takes a while
score = bleu(test_data[1:100], model, german, english, device)
print(f"Bleu score {score * 100:.2f}")

utils.py文件

import torch
import spacy
from torchtext.data.metrics import bleu_score
import sys


def translate_sentence(model, sentence, german, english, device, max_length=50):
    # Load german tokenizer
    spacy_ger = spacy.load("de_core_news_sm")

    # Create tokens using spacy and everything in lower case (which is what our vocab is)
    if type(sentence) == str:
        tokens = [token.text.lower() for token in spacy_ger(sentence)]
    else:
        tokens = [token.lower() for token in sentence]

    # Add  and  in beginning and end respectively
    tokens.insert(0, german.init_token)
    tokens.append(german.eos_token)

    # Go through each german token and convert to an index
    text_to_indices = [german.vocab.stoi[token] for token in tokens]

    # Convert to Tensor
    sentence_tensor = torch.LongTensor(text_to_indices).unsqueeze(1).to(device)

    outputs = [english.vocab.stoi[""]]
    for i in range(max_length):
        trg_tensor = torch.LongTensor(outputs).unsqueeze(1).to(device)

        with torch.no_grad():
            output = model(sentence_tensor, trg_tensor)

        best_guess = output.argmax(2)[-1, :].item()
        outputs.append(best_guess)

        if best_guess == english.vocab.stoi[""]:
            break

    translated_sentence = [english.vocab.itos[idx] for idx in outputs]
    # remove start token
    return translated_sentence[1:]


def bleu(data, model, german, english, device):
    targets = []
    outputs = []

    for example in data:
        src = vars(example)["src"]
        trg = vars(example)["trg"]

        prediction = translate_sentence(model, src, german, english, device)
        prediction = prediction[:-1]  # remove  token

        targets.append([trg])
        outputs.append(prediction)

    return bleu_score(outputs, targets)


def save_checkpoint(state, filename="my_checkpoint.pth.tar"):
    print("=> Saving checkpoint")
    torch.save(state, filename)


def load_checkpoint(checkpoint, model, optimizer):
    print("=> Loading checkpoint")
    model.load_state_dict(checkpoint["state_dict"])
    optimizer.load_state_dict(checkpoint["optimizer"])

实验结果：

输入德文：(在主程序中间位置）

sentence = "ein pferd geht unter einer brücke neben einem boot."

翻译结果为：

['a', 'horse', 'walks', 'underneath', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']

跑了10个Epoch，结果如下所示：

# Result
=> Loading checkpoint
[Epoch 0 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'under', 'a', 'boat', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 1 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'underneath', 'a', 'bridge', 'beside', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 2 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'is', 'walking', 'beside', 'a', 'boat', 'under', 'a', 'bridge', '.', '']
[Epoch 3 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'under', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 4 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'under', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 5 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'beside', 'a', 'boat', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 6 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'is', 'walking', 'underneath', 'a', 'bridge', 'under', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 7 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'under', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 8 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'beneath', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
[Epoch 9 / 10]
=> Saving checkpoint
Translated example sentence: 
 ['a', 'horse', 'walks', 'underneath', 'a', 'bridge', 'next', 'to', 'a', 'boat', '.', '']
Bleu score 31.73

参考文献：

1、transformer的原理_transformer原理_live_for_myself的博客-CSDN博客​​​​​​
2、https://arxiv.org/abs/1706.03762
3、 https://blog.csdn.net/weixin_43632501/article/details/98731800
4、https://www.youtube.com/watch?v=M6adRGJe5cQ
5、 https://github.com/aladdinpersson/Machine-Collection/blob/masterLearning-/ML/

Pytorch/more_advanced/seq2seq_transformer/seq2seq_transformer.py
6、 https://blog.csdn.net/g11d111/article/details/100103208

数据集：

https://download.csdn.net/download/weixin_42138525/18403891?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522169475007116800211579515%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fdownload.%2522%257D&request_id=169475007116800211579515&biz_id=1&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-download-2~all~insert_down_v2~default-3-18403891-null-null.142^v94^insert_down1&utm_term=Multi30k&spm=1018.2226.3001.4187.4