【Transformer系列】深入浅出理解Transformer网络模型（综合篇）

一、参考资料

The Illustrated Transformer
图解Transformer（完整版）
Attention Is All You Need: The Core Idea of the Transformer
transformer 总结(超详细-初版)
Transformer各层网络结构详解！面试必备！(附代码实现)
大语言模型核心技术-Transformer 详解

论文：Attention Is All You Need

二、Transformer相关介绍

$Transformer是既MLP、RNN、CNN之后的第四大特征提取器，也被称为第四大基础模型。$

0. Transformer-CNN-RNN

Transformer的multi-head attention类似于CNN的多个不同kernel，可以提取丰富的上下文特征。但CNN的kernel只能处理局部的上下文特征，Transformer的attention的机制可以处理远距离的上下文特征，同时相对于RNN的架构，Transformer可以使用attention连接，进一步解决RNN网络在时序上面梯度消失的问题，使得Transformer能够处理更长的上下文特征。

1. RNN的缺点

RNN由于其顺序结构，训练速度常常受到限制。

RNN系列的模型，并行计算能力很差。RNN并行计算的问题就出在这里，因为 T 时刻的计算依赖 T-1 时刻的隐层计算结果，而 T-1 时刻的计算依赖 T-2 时刻的隐层计算结果，如此下去就形成了所谓的序列依赖关系。

2. seq2seq的缺点

seq2seq最大的问题在于，将Encoder端的所有信息压缩到一个固定长度的向量中，并将其作为Decoder端首个隐藏状态的输入，来预测Decoder端第一个单词(token)的隐藏状态。在输入序列比较长的时候，这样做显然会损失Encoder端的很多信息，而且这样一股脑的把该固定向量送入Decoder端，Decoder端不能够关注到其想要关注的信息。

3. Transformer的优势和缺点

3.1 优势

• 并行计算能力。Transformer并行计算的能力是远远超过seq2seq系列的模型。

• 表征能力。Transformer让源序列和目标序列“自关联”起来，源序列和目标序列自身的embedding所蕴含的信息更加丰富，而且后续的FFN（前馈神经网络）层也增强了模型的表达能力。

• 特征提取能力。Transformer论文提出深度学习既MLP、CNN、RNN后的第4大特征提取器。Transformer具有全局视野，其特征提取能力比RNN系列的模型要好。具体实验对比可以参考：放弃幻想，全面拥抱Transformer：自然语言处理三大特征抽取器（CNN/RNN/TF）比较。

• 语义结构。Transformer擅长捕捉文本和图像中的语义结构，它们比其他技术更好地捕捉文本甚至图像中的语义结构。Transformer的泛化能力和Diffusion Model（扩散模型）的细节保持能力的结合，提供了一种生成细粒度的高度详细图像的能力，同时保留图像中的语义结构。

• 泛化能力。在视觉应用中，Transformer表现出泛化和自适应的优势，使其适合通用学习。

3.2 缺点

第一，计算量大，对硬件要求高，在许多视觉领域也面临着性能方面的问题。

第二，因为无归纳偏置，需要大量的数据才可以取得很好的效果。

4. Transformer工作流

1. 输入的词向量首先叠加上 Positional Encoding，然后输入至Transformer内；
2. 每个 Encoder Transformer 会进行一次 Multi-head Attention -> Add & Normalize -> FFN -> Add & Normalize 流程，然后将输出输入至下一个Encoder中；
3. 最后一个Encoder的输出将会作为memory保留；
4. 每个 Decoder Transformer 会进行一次 Masked Multi-head Attention -> Multi-head Attention -> Add & Normalize -> FFN -> Add & Normalize 流程，其中 Multi-head Attention 的K、V至来自于Encoder的memory。根据任务要求输出需要的最后一层Embedding；
5. Transformer的输出向量可以用来做各种下游任务。

5. Transformer输入输出维度变换

Transformer的整体结构，大致可分为：Input、Encoder、Decoder、Output。

• 输入：假设输入序列长度为T，则Encoder输入的维度为 [batch_size, T]，经过embedding层、position encoding等流程后，生成 [batch_size, T, D] 的数据，D表示模型隐层维度；
• Encoder：假设输入序列长度为T，则Encoder输入的维度为[batch_size, T]，经过embedding层、position encoding等流程后，生成[batch_size, T, D]的数据，D表示模型隐层维度；
• Decoder：Decoder的输入也经过类似的变换得到 [batch_size, T', D]，T’是Decoder输入长度。之后会进入多个相同结果的模块，每个模块包括：
  • Self Multi-head Attention，表示Decoder序列上的元素内部做Attention，和Encoder是一样的；
  • Add＆Norm；
  • Cross Multi-head Attention，是Decoder每个位置和Encoder各个位置进行Attention，类似于传统的seq2seq中的Attention，用来进行Decoder和Encoder的对齐；
  • Add＆Norm；
  • Feed Forward；
  • Add＆Norm。
    

6. Scaled Dot-Product Attention

通过 query 和 key 的相似性程度来确定 value 的权重分布的方法，被称为 Scaled Dot-Product Attention。

Transformer为什么采用Scaled Dot-Product Attention？

• 目前常见的注意力机制有：加性注意力（additive attention）与点乘注意力（dot-product attention）。两者在理论复杂度相近，但由于矩阵乘法的代码已经比较优化，所以点乘注意力在实际中，不论是计算还是存储上都更有效率。

• 点乘注意力增加了1个缩放因子（$\frac{1}{\sqrt{d_k}}$ ）。增加的原因是：当 $\sqrt{d_k}$ 较小时，两种注意力机制的表现情况类似；而 $\sqrt{d_k}$ 增大时，点乘注意力的表现变差，认为是由于点乘后的值过大，导致softmax函数趋近于边缘，梯度较小。

7. Attention与Transformer的关系

在Transformer中最多的 Multi-Head Attention 和 Mask Multi-Head Attention 来自 Scaled Dot-Product Attention，而 Scaled Dot-Product Attention来自 Self-Attention，而 Self-Attention 是 Attention 的一种，Attention与Transformer的关系，如下图所示。

8. Transformer在CV领域的应用

• 2020 年 5 月，Facebook AI 实验室推出Detection Transformer（DETR），用于目标检测和全景分割。这是第一个将 Transformer 成功整合为检测 pipeline 中心构建块的目标检测框架， 在大型目标上的检测性能要优于 Faster R-CNN。
• 2020 年 10 月，谷歌提出了Vision Transformer (ViT)，可以直接利用 Transformer 对图像进行分类，而不需要卷积网络。ViT 模型取得了与当前最优卷积网络相媲美的结果，但其训练所需的计算资源大大减少。

三、Transformer结构

全网最强ViT (Vision Transformer)原理及代码解析

Transformer的结构和Attention模型一样，采用 encoer-decoder 架构。但其结构相比于Attention更加复杂，论文中encoder层由6个encoder堆叠在一起，decoder层也一样。

0. 总体结构

Transformer是由一堆Encoder和Decoder形成的，Encoder和Decoder均由多头注意力层和全连接前馈网络组成，网络的高层结构如下:

• Encoder由N个编码器块(Encoder Block)串联组成，每个编码器块包含：
  • 一个多头注意力(Multi-Head Attention)层；
  • 一个前馈全连接神经网络(Feed Forward Neural Network)；
• Decoder也由N个解码器块(Decoder Block)串联组成,每个解码器块包含:
  • 一个多头注意力层；
  • 一个对Encoder输出的多头注意力层；
  • 一个前馈全连接神经网络；
    

1. Transformer 输入

Transformer 中单词的输入表示 x 由 词嵌入(Embedding) 和 位置编码(Positional Encoding) 相加得到。

1.1 词嵌入(Embedding)

Embedding 原理的详细介绍，请查阅博客：【Transformer系列】深入浅出理解Embedding（词嵌入）

Embedding 有很多种方式可以获取，例如可以采用 Word2Vec、Glove 等算法预训练得到，也可以在 Transformer 中训练得到。

1.2 位置编码(Positional Embedding)

Positional Embedding 原理的详细介绍，请查阅博客：【Transformer系列】深入浅出理解Positional Encoding位置编码

Transformer 中除了 Embedding（词嵌入），还需要使用 Positional Embedding 表示单词出现在句子中的位置。因为 Transformer 不采用 RNN 的结构，而是使用全局信息，不能利用单词的顺序信息，而这部分信息对于 NLP 来说非常重要。所以 Transformer 中使用 Positional Embedding 保存单词在序列中的相对或绝对位置。

Attention中缺少一种解释输入序列中单词顺序的方法，它跟序列模型（RNN）还不一样。为了处理这个问题，Transformer对输入进行位置编码，以便在翻译中考虑单词在句子中的位置。具体来说，Transformer给encoder层和decoder层的输入添加了一个额外的向量Positional Encoding，维度和embedding的维度一样，这个向量采用了一种很独特的方法来让模型学习到这个值，这个向量能决定当前词的位置，或者说在一个句子中不同的词之间的距离。这个位置向量的具体计算方法有很多种，Transformer论文中使用一组正弦和余弦方程来实现，计算方法如下：
$$PE(pos,2i)=sin(\frac{pos}{10000^{\frac{2i}{d_{model}}}})$$

$$PE(pos,2i+1)=cos(\frac{pos}{10000^{\frac{2i}{d_{model}}}})$$

其中pos是指当前词在句子中的位置，i是指向量中每个值的index，可以看出，在偶数位置，使用正弦编码，在奇数位置，使用余弦编码。

最后把这个Positional Encoding与embedding的值相加，作为输入送到下一层。

2. 编码器(Encoder)

2.1 Encoder编码过程

首先，模型需要对输入的数据进行一个词嵌入(embedding)操作，也可以理解为类似w2c的操作，enmbedding结束之后，输入到encoder层，self-attention处理完数据后把数据送给前馈神经网络，前馈神经网络的计算可以并行，得到的输出会输入到下一个encoder。

2.2 Encoder结构

Encoder 结构由 $\text{N}=6$ 个相同的 Encoder block 堆叠而成，Encoder block 由 Multi-Head Attention、Add&Norm、Feed Forward层组成。每个 Encoder block 的输入矩阵和输出矩阵维度是一样的，每一层主要有两个子层：

1. 第一个子层是多头注意力机制（Multi-Head Attention）；
2. 第二个是简单的位置全连接前馈网络（Positionwise Feed Forward）。
   

2.3 Self-Attention

Self-Attention原理的详细介绍，请查阅博客：【Transformer系列】深入浅出理解Attention和Self-Attention机制

2.4 Multi-Headed Attention

Multi-Headed Attention原理的详细介绍，请查阅博客：【Transformer系列】深入浅出理解Attention和Self-Attention机制

Multi-Headed Attention是在Self-Attention基础上改进的，也就是在产生q，k，v的时候，对q，k，v进行了切分，分别分成了num_heads份，对每一份分别进行self-attention的操作，最后再拼接起来，这样在一定程度上进行了参数隔离。

Multi-Headed Attention 不仅仅只初始化一组Q、K、V的矩阵，而是初始化多组，Transformer是使用了8组，所以最后得到的结果是8个矩阵。

Multi-head Attention的示意图如下：

2.5 Add & Norm结构

在Transformer中，每一个子层（self-attetion，Feed Forward Neural Network）之后都会接一个残缺模块，并且有一个Layer normalization。
Add & Norm 层由 Add 和 Norm 两部分组成。这里的 Add 指 X + MultiHeadAttention(X)，是一种残差连接。Norm 指的是 Layer Normalization。Add & Norm 层计算过程用数学公式可表达为：

$$\text{Layer Norm}(X+\text{MultiHeadAttention}(X))$$

其中，Add代表 Residual Connection 残差连接，是为了解决多层神经网络训练困难的问题。通过将前一层的信息无差的传递到下一层，可以有效的仅关注差异部分，这一方法在图像处理结果如ResNet等中常常用到。

Layer Normalization 是一种常用的神经网络归一化技术，可以使得模型训练更加稳定，收敛更快。Layer Normalization和 Batch Normalization 有相同的作用，都是为了使输入的样本均值为零，方差为1。Layer Normalization对每个样本在特征维度上进行归一化，减少了不同特征之间的依赖关系，提高了模型的泛化能力，其原理可参考论文：Layer Normalization。

Layer Norm 层的计算可视化如下图所示：

为什么不使用 Batch Normalization，使用的是 Layer Normalization 呢？
因为一个时序数据，句子输入长度有长有短，如果使用 Batch Normalization，则很容易造成因样本长短不一造成“训练不稳定”。BN是对同一个batch内的所有数据的同一个特征数据进行操作；而LN是对同一个样本进行操作。

2.6 Feed Forward结构

前馈神经网络( Feed Forward Neural Network，简称FFN)，其本质是一个两层的全连接层，第一层的激活函数为 Relu，第二层不使用激活函数，计算过程用数学公式可表达为：

$$\mathrm{FFN}(X)=\max (0,X{W}_1+b_1)W_2+b_2$$

除了使用两个全连接层来完成线性变换，另外一种方式是使用 kernal_size = 1 的两个 $1\times 1$ 卷积层，输入输出维度不变，都是 512，中间维度是 2048。

Feed Forward没法输入 8 个矩阵，这该怎么办呢？所以我们需要一种方式，把 8 个矩阵降为 1 个。首先，我们把 8 个矩阵连在一起，这样会得到一个大矩阵，再随机初始化一个权重矩阵，并与这个组合好的大矩阵相乘，得到一个最终的矩阵。

3. 编码器(Decoder)

根据上面的总体结构图可以看出，Decoder的结构与Encoder结构大同小异，先添加一个 Positional Encoding 位置向量，再接一个masked mutil-head attetion，这里的mask是Transformer一个很关键的技术，本章节对其进行详细介绍。其余的层结构与Encoder一样，请参考Encoder层结构。

3.1 Decoder结构

3.2 Masked Multi-Head Attention

3.2.1 Masked Multi-Head Attention的概念

mask 表示掩码，它对某些值进行掩盖，使其在参数更新时不产生效果。由于使用了 Masked Multi-Head Attention，所以每个位置的词只能看到前面词的状态，不会“看见”后面的词，所以 Masked Multi-Head Attention 是一个单向的Self-Attention结构。Transformer预测第T个时刻的输出，不能看到T时刻之后的那些输入，从而保证训练和预测一致。

$知识tips$：
什么是单向Transformer？在Decoder Block中，使用了Masked Self-Attention，即句子中的每个词，都只能对包括自己在内的前面所有词进行Attention，这就是单向Transformer。换句话说，采用了mask操作的是单向Transformer，否则为双向Transformer。

3.2.2 mask的分类

Transformer 模型里面涉及两种 mask，分别是 padding mask 和 sequence mask。其中，padding mask 在所有的 scaled dot-product attention 里面都需要用到，而 sequence mask 只有在 decoder 的 self-attention 里面用到。

通过 query 和 key 的相似性程度来确定 value 的权重分布的方法，被称为 scaled dot-product attention。

• 对于 decoder 的 self-attention，里面使用到的 scaled dot-product attention，同时需要 padding mask 和 sequence mask 作为 attn_mask，具体实现就是两个mask相加作为 attn_mask。

• 其他情况，attn_mask 一律等于 padding mask。

3.2.2.1 padding mask

什么是 padding mask 呢？因为每个批次输入序列长度是不一样的，也就是说，我们要对输入序列进行对齐。具体来说，就是给较短的序列后面填充 0。如果输入的序列太长，则是截取左边的内容，把多余的直接舍弃。对于太长的输入序列，这些填充的位置，是没什么意义的，attention机制不应该把注意力放在这些位置上，所以我们需要进行一些处理。

具体的做法是，把这些位置的值加上一个非常大的负数（负无穷），这样经过 softmax，这些位置的概率就会接近0。

padding mask 实际上是一个张量，每个值都是一个Boolean，值为 false 的地方就是我们要进行处理的地方。

3.2.2.2 Sequence mask

sequence mask 是为了使得 decoder 不能看见未来的信息。也就是对于一个序列，在 time_step 为 t 的时刻，解码输出应该只能依赖于 t 时刻之前的输出，而不能依赖 t 之后的输出。因此需要想一个办法，把 t 之后的信息给隐藏起来。

那么具体怎么做呢？也很简单：产生一个上三角矩阵，上三角的值全为0。把这个矩阵作用在每一个序列上，就可以达到我们的目的。

3.2.3 Masked Multi-Head Attention 计算过程

Masked Multi-Head Attention 的实现也非常简单，只要在普通的Self Attention的Softmax步骤之前，与(&)上一个mask矩阵M（下三角矩阵）就好了，其公式如下所示：

$$Attention(Q,K,V)=Softmax(\frac{Q{K}^T\odot M}{\sqrt{d_k}})V$$

Q1只跟K1计算，Q2只跟K1、K2计算，而对于K3、K4等，在softmax之前给一个非常大的负数，由此经过softmax之后变为0，其在矩阵上的计算原理实现如下图所示。

3.3 Output层

当decoder层全部执行完毕后，怎么把得到的向量映射为我们需要的词呢，很简单，只需要在结尾再添加一个全连接层和 softmax层。假如词典有1w个词，那最终softmax会输入1w个词的概率，概率值最大的对应的词就是最终的结果。

4. 动态流程图

编码器阶段，编码器通过处理输入序列开启工作。顶端编码器的输出之后会转化为一个包含向量K（键向量）和V（值向量）的注意力向量集 ，这是并行化操作。这些向量将被每个解码器用于自身的“编码-解码注意力层”，而这些层可以帮助解码器关注输入序列的相关性（重要程度）：

在完成编码阶段后，则开始解码阶段。解码阶段的每个步骤都会输出一个输出序列的元素（例如，English翻译成German）。

接下来的步骤，重复这个过程，直到到达一个特殊的终止符号，它表示Transformer的解码器已经完成了它的输出。每个步骤的输出在下一个time_step（时间步）被提供给底端解码器，这些解码器会输出它们的解码结果 。

5. Transformer总结

• Transformer 与 RNN 不同，可以较好地并行训练。
• Transformer 本身是不能利用单词的顺序信息的，因此需要在输入中添加 Positional Encoding 位置编码，否则 Transformer 就是一个词袋模型了。
• Transformer 的重点是 Self-Attention 结构，其中用到的 Q, K, V 矩阵通过线性变换得到。
• Transformer 中 Multi-Head Attention 中有多个 Self-Attention，可以捕获单词之间多种维度上的相关系数 Attention Score。

四、相关经验

A TensorFlow Implementation of Attention Is All You Need
Transformer解析与tensorflow代码解读
熬了一晚上，我从零实现了Transformer模型，把代码讲给你听
零基础理解为什么是Transformer？什么是Transformer？（深入浅出 通俗理解Transformer及其pytorch源码）

1. 开源项目

Transformers
NLP_ability
ML-NLP

2. Self-Attention代码实现

class ScaleDotProductAttention(nn.Module):
    def __init__(self, ):
        super(ScaleDotProductAttention, self).__init__()
        self.softmax = nn.Softmax(dim = -1)

    def forward(self, Q, K, V, mask=None):
        K_T = K.transpose(-1, -2) # 计算矩阵 K 的转置  
        d_k = Q.size(-1)
        # 1, 计算 Q, K^T 矩阵的点积，再除以 sqrt(d_k) 得到注意力分数矩阵
        scores = torch.matmul(Q, K_T) / math.sqrt(d_k)
        # 2, 如果有掩码，则将注意力分数矩阵中对应掩码位置的值设为负无穷大
        if mask is not None:
            scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9)
        # 3, 对注意力分数矩阵按照最后一个维度进行 softmax 操作，得到注意力权重矩阵，值范围为 [0, 1]
        attn_weights = self.softmax(scores)
        # 4, 将注意力权重矩阵乘以 V，得到最终的输出矩阵
        output = torch.matmul(attn_weights, V)

        return output, attn_weights

# 创建 Q、K、V 三个张量
Q = torch.randn(5, 10, 64)  # (batch_size, sequence_length, d_k)
K = torch.randn(5, 10, 64)  # (batch_size, sequence_length, d_k)
V = torch.randn(5, 10, 64)  # (batch_size, sequence_length, d_k)

# 创建 ScaleDotProductAttention 层
attention = ScaleDotProductAttention()

# 将 Q、K、V 三个张量传递给 ScaleDotProductAttention 层进行计算
output, attn_weights = attention(Q, K, V)

# 打印输出矩阵和注意力权重矩阵的形状
print(f"ScaleDotProductAttention output shape: {output.shape}") # torch.Size([5, 10, 64])
print(f"attn_weights shape: {attn_weights.shape}") # torch.Size([5, 10, 10])

3. Multi-head Attention代码实现

class MultiHeadAttention(nn.Module):
    """Multi-Head Attention Layer
    Args:
        d_model: Dimensions of the input embedding vector, equal to input and output dimensions of each head
        n_head: number of heads, which is also the number of parallel attention layers
    """
    def __init__(self, d_model, n_head):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        self.n_head = n_head
        self.attention = ScaleDotProductAttention()
        self.w_q = nn.Linear(d_model, d_model)  # Q 线性变换层
        self.w_k = nn.Linear(d_model, d_model)  # K 线性变换层
        self.w_v = nn.Linear(d_model, d_model)  # V 线性变换层
        self.fc = nn.Linear(d_model, d_model)   # 输出线性变换层
        
    def forward(self, q, k, v, mask=None):
        # 1. dot product with weight matrices
        q, k, v = self.w_q(q), self.w_k(k), self.w_v(v) # size is [batch_size, seq_len, d_model]
        # 2, split by number of heads(n_head) # size is [batch_size, n_head, seq_len, d_model//n_head]
        q, k, v = self.split(q), self.split(k), self.split(v)
        # 3, compute attention
        sa_output, attn_weights = self.attention(q, k, v, mask)
        # 4, concat attention and linear transformation
        concat_tensor = self.concat(sa_output)
        mha_output = self.fc(concat_tensor)
        
        return mha_output
    
    def split(self, tensor):
        """
        split tensor by number of head(n_head)

        :param tensor: [batch_size, seq_len, d_model]
        :return: [batch_size, n_head, seq_len, d_model//n_head], 输出矩阵是四维的，第二个维度是 head 维度
        
        # 将 Q、K、V 通过 reshape 函数拆分为 n_head 个头
        batch_size, seq_len, _ = q.shape
        q = q.reshape(batch_size, seq_len, n_head, d_model // n_head)
        k = k.reshape(batch_size, seq_len, n_head, d_model // n_head)
        v = v.reshape(batch_size, seq_len, n_head, d_model // n_head)
        """
        
        batch_size, seq_len, d_model = tensor.size()
        d_tensor = d_model // self.n_head
        split_tensor = tensor.view(batch_size, seq_len, self.n_head, d_tensor).transpose(1, 2)
        # it is similar with group convolution (split by number of heads)
        
        return split_tensor
    
    def concat(self, sa_output):
        """ merge multiple heads back together

        Args:
            sa_output: [batch_size, n_head, seq_len, d_tensor]
            return: [batch_size, seq_len, d_model]
        """
        batch_size, n_head, seq_len, d_tensor = sa_output.size()
        d_model = n_head * d_tensor
        concat_tensor = sa_output.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, seq_len, d_model)
        
        return concat_tensor

4. Add & Norm代码实现

class LayerNorm(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, eps=1e-12):
        super(LayerNorm, self).__init__()
        self.gamma = nn.Parameter(torch.ones(d_model))
        self.beta = nn.Parameter(torch.zeros(d_model))
        self.eps = eps
    
    def forward(self, x):
        mean = x.mean(-1, keepdim=True) # '-1' means last dimension. 
        var = x.var(-1, keepdim=True)
        
        out = (x - mean) / torch.sqrt(var + self.eps)
        out = self.gamma * out + self.beta
        
        return out

# NLP Example
batch, sentence_length, embedding_dim = 20, 5, 10
embedding = torch.randn(batch, sentence_length, embedding_dim)

# 1，Activate nn.LayerNorm module
layer_norm1 = nn.LayerNorm(embedding_dim)
pytorch_ln_out = layer_norm1(embedding)

# 2，Activate my nn.LayerNorm module
layer_norm2 = LayerNorm(embedding_dim)
my_ln_out = layer_norm2(embedding)

# 比较结果
print(torch.allclose(pytorch_ln_out, my_ln_out, rtol=0.1,atol=0.01))  # 输出 True

5. Feed Forward代码实现

PositionwiseFeedForward 层的 Pytorch 实现代码如下所示:

class PositionwiseFeedForward(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, d_diff, drop_prob=0.1):
        super(PositionwiseFeedForward, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(d_model, d_diff)
        self.fc2 = nn.Linear(d_diff, d_model)
        self.relu = nn.ReLU()
        self.dropout = nn.Dropout(drop_prob)
    
    def forward(self, x):
        x = self.fc1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.dropout(x)
        x = self.fc2(x)
        
        return x

6. Encoder代码实现

基于前面 Multi-Head Attention, Feed Forward, Add & Norm 的内容我们可以完整的实现 Encoder 结构。

class EncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, ffn_hidden, n_head, drop_prob=0.1):
        super(EncoderLayer, self).__init__()
        self.mha = MultiHeadAttention(d_model, n_head)
        self.ffn = PositionwiseFeedForward(d_model, ffn_hidden)
        self.ln1 = LayerNorm(d_model)
        self.ln2 = LayerNorm(d_model)
        self.dropout1 = nn.Dropout(drop_prob)
        self.dropout2 = nn.Dropout(drop_prob)
    
    def forward(self, x, mask=None):
        x_residual1 = x
        
        # 1, compute multi-head attention
        x = self.mha(q=x, k=x, v=x, mask=mask)
        
        # 2, add residual connection and apply layer norm
        x = self.ln1( x_residual1 + self.dropout1(x) )
        x_residual2 = x
        
        # 3, compute position-wise feed forward
        x = self.ffn(x)
        
        # 4, add residual connection and apply layer norm
        x = self.ln2( x_residual2 + self.dropout2(x) )
        
        return x

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, enc_voc_size, seq_len, d_model, ffn_hidden, n_head, n_layers, drop_prob=0.1, device='cpu'):
        super().__init__()
        self.emb = TransformerEmbedding(vocab_size = enc_voc_size,
                                        max_len = seq_len,
                                        d_model = d_model,
                                        drop_prob = drop_prob,
                                        device=device)
        self.layers = nn.ModuleList([EncoderLayer(d_model, ffn_hidden, n_head, drop_prob) 
                                     for _ in range(n_layers)])
    
    def forward(self, x, mask=None):
        
        x = self.emb(x)
        
        for layer in self.layers:
            x = layer(x, mask)
        return x

7. Decoder代码实现

Decoder 组件的代码实现如下所示：

class DecoderLayer(nn.Module):

    def __init__(self, d_model, ffn_hidden, n_head, drop_prob):
        super(DecoderLayer, self).__init__()
        self.mha1 = MultiHeadAttention(d_model, n_head)
        self.ln1 = LayerNorm(d_model)
        self.dropout1 = nn.Dropout(p=drop_prob)
        
        self.mha2 = MultiHeadAttention(d_model, n_head)
        self.ln2 = LayerNorm(d_model)
        self.dropout2 = nn.Dropout(p=drop_prob)
        
        self.ffn = PositionwiseFeedForward(d_model, ffn_hidden)
        self.ln3 = LayerNorm(d_model)
        self.dropout3 = nn.Dropout(p=drop_prob)
    
    def forward(self, dec_out, enc_out, trg_mask, src_mask):
        x_residual1 = dec_out
        
        # 1, compute multi-head attention
        x = self.mha1(q=dec_out, k=dec_out, v=dec_out, mask=trg_mask)
        
        # 2, add residual connection and apply layer norm
        x = self.ln1( x_residual1 + self.dropout1(x) )
        
        if enc_out is not None:
            # 3, compute encoder - decoder attention
            x_residual2 = x
            x = self.mha2(q=x, k=enc_out, v=enc_out, mask=src_mask)
    
            # 4, add residual connection and apply layer norm
            x = self.ln2( x_residual2 + self.dropout2(x) )
        
        # 5. positionwise feed forward network
        x_residual3 = x
        x = self.ffn(x)
        # 6, add residual connection and apply layer norm
        x = self.ln3( x_residual3 + self.dropout3(x) )
        
        return x
    
class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, dec_voc_size, max_len, d_model, ffn_hidden, n_head, n_layers, drop_prob, device):
        super().__init__()
        self.emb = TransformerEmbedding(d_model=d_model,
                                        drop_prob=drop_prob,
                                        max_len=max_len,
                                        vocab_size=dec_voc_size,
                                        device=device)

        self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer(d_model=d_model,
                                                  ffn_hidden=ffn_hidden,
                                                  n_head=n_head,
                                                  drop_prob=drop_prob)
                                     for _ in range(n_layers)])

        self.linear = nn.Linear(d_model, dec_voc_size)

    def forward(self, trg, src, trg_mask, src_mask):
        trg = self.emb(trg)

        for layer in self.layers:
            trg = layer(trg, src, trg_mask, src_mask)

        # pass to LM head
        output = self.linear(trg)
        return output

8. Transformer代码实现

大语言模型核心技术-Transformer 详解

基于前面实现的 Encoder 和 Decoder 组件，我们可以实现 Transformer 模型的完整代码，如下所示:

import torch
from torch import nn

from models.model.decoder import Decoder
from models.model.encoder import Encoder


class Transformer(nn.Module):

    def __init__(self, src_pad_idx, trg_pad_idx, trg_sos_idx, enc_voc_size, dec_voc_size, d_model, n_head, max_len,
                 ffn_hidden, n_layers, drop_prob, device):
        super().__init__()
        self.src_pad_idx = src_pad_idx
        self.trg_pad_idx = trg_pad_idx
        self.trg_sos_idx = trg_sos_idx
        self.device = device
        self.encoder = Encoder(d_model=d_model,
                               n_head=n_head,
                               max_len=max_len,
                               ffn_hidden=ffn_hidden,
                               enc_voc_size=enc_voc_size,
                               drop_prob=drop_prob,
                               n_layers=n_layers,
                               device=device)

        self.decoder = Decoder(d_model=d_model,
                               n_head=n_head,
                               max_len=max_len,
                               ffn_hidden=ffn_hidden,
                               dec_voc_size=dec_voc_size,
                               drop_prob=drop_prob,
                               n_layers=n_layers,
                               device=device)

    def forward(self, src, trg):
        src_mask = self.make_pad_mask(src, src, self.src_pad_idx, self.src_pad_idx)

        src_trg_mask = self.make_pad_mask(trg, src, self.trg_pad_idx, self.src_pad_idx)

        trg_mask = self.make_pad_mask(trg, trg, self.trg_pad_idx, self.trg_pad_idx) * \
                   self.make_no_peak_mask(trg, trg)

        enc_src = self.encoder(src, src_mask)
        output = self.decoder(trg, enc_src, trg_mask, src_trg_mask)
        return output

    def make_pad_mask(self, q, k, q_pad_idx, k_pad_idx):
        len_q, len_k = q.size(1), k.size(1)

        # batch_size x 1 x 1 x len_k
        k = k.ne(k_pad_idx).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
        # batch_size x 1 x len_q x len_k
        k = k.repeat(1, 1, len_q, 1)

        # batch_size x 1 x len_q x 1
        q = q.ne(q_pad_idx).unsqueeze(1).unsqueeze(3)
        # batch_size x 1 x len_q x len_k
        q = q.repeat(1, 1, 1, len_k)

        mask = k & q
        return mask

    def make_no_peak_mask(self, q, k):
        len_q, len_k = q.size(1), k.size(1)

        # len_q x len_k
        mask = torch.tril(torch.ones(len_q, len_k)).type(torch.BoolTensor).to(self.device)

        return mask

9. 机器翻译（示例）

我们以一个法语翻译成英语的例子，来讲解Transformer进行机器翻译的的过程：

9.1 Step 1

首先，输入句子的Embedding（词嵌入）会被传递到编码器块，该块具有多头注意力机制。将词嵌入和权重矩阵计算出的Q，K和V值输入到这个模块，然后生成一个可以传递到前馈神经网络的矩阵。在Transformer的论文中，这个编码块会被重复N次，一般N的值为6。

9.2 Step 2

然后，编码器的输出会被输入到解码器块。解码器的任务是输出英文翻译。解码器块的每一步都会输入已经生成的翻译的前几个单词。刚开始时，翻译会以一个开始句子的标记开始。这个标记被输入到多头注意力块，并用于计算这个多头注意力块的Q，K和V。这个块的输出会用于生成下一个多头注意力块的Q矩阵，而编码器的输出会用于生成K和V。

9.3 Step 3

解码器块的输出被输入到前馈神经网络，该网络的任务是预测句子中的下一个单词。

10. Transformer代码解析

The Annotated Transformer
annotated-transformer