NLP_GPT生成式自回归模型

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介绍

自回归(Autoregressive)是自然语言处理模型的一种训练方法，其核心思想是基于已有的序列(词或字符)来预测下一个元素。在GPT中，这意味着模型会根据给定的上文来生成下一个词，如图所示。

在GPT模型的训练和推理这两个相互独立的过程中，“自回归”的含义是不同的。

• 训练过程中的“自回归”:在训练阶段，GPT通过大量文本数据进行学习。模型会接收一个词序列作为输入，然后预测下一个词。损失函数主要用于衡量模型预测与实际词之间的差异。在训练过程中，模型将不断调整其参数，以最小化损失函数。这个过程会持续进行，直到模型在预测任务上达到一定的性能。训练过程中也常常使用教师强制来加快模型的收敛速度。
• 推理过程中的“自回归”:在推理阶段，我们利用训练好的 GPT 模型来生成文本。首先，我们提供一个初始的种子文本(即提示或指令)，然后模型会根据这个种子文本生成下一个词。生成的词将被添加到文本中，继续输入模型，模型会接着生成下一个词，以此类推。这个过程会一直进行，直到生成一定长度的文本或遇到特定的结束符。

在生成文本时，GPT通常会根据词的概率分布来选择下一个词。这可以通过多种策略实现，如贪婪搜索-总是选择概率最高的词，集束搜索-同时考虑多个可能的词序列，采样方法根据词的概率分布随机选择词等。

GPT是生成式自回归模型，生成式自回归模型是生成式模型的一种。生成式模型和判别式模型是两种主要的机器学习模型。

• 生成式模型(Generative Model):生成式模型不仅关心输入和输出之间的关系，同时也会考虑数据生成的机制。它会对数据的分布进行建模，并试图了解数据是如何生成的。生成式模型能够模拟新的数据实例，比如高斯混合模型、隐马尔可夫模型、朴素贝叶斯分类器等。
• 判别式模型(Discriminative Model):判别式模型主要关注输入与输出之间的关系，直接学习从输入到输出的映射或者决策边界，不考虑数据的生成过程，比如逻辑回归、支持向量机、神经网络等。

自回归模型(Autoregressive Model)是生成式模型的一种特例，它预测的新目标值是基于前面若干个已生成值的。自回归模型在时间序列分析、语音信号处理、自然语言处理等领域有广泛应用。在序列生成问题中，自回归模型特别重要，比如在机器翻译、文本生成、语音合成等任务中，Transformer的解码器、GPT等模型就是基于自回归原理的。

问题：Transformer和GPT都是神经网络，从定义上应该是判别式模型才对？
Transformer和GPT都是神经网络模型，属于深度学习的范畴。神经网络模型在形式上是判别式模型，因为它们直接学习从输入到输出的映射关系，不考虑数据的生成过程。但是，在处理生成任务，比如文本生成、语音合成等任务时，神经网络模型可以使用自回归的方式进行生成，此时它们的行为更像生成式模型，所以称之为生成式自回归模型是可以的。

用自回归机制来逐词生成翻译结果

继续使用同样的中英翻译数据集，还是使用之前的Transformer模型，这里我们只是加一个用贪婪搜索进行生成式解码的函数，然后在测试过程中调用这个函数重新测试。

代码调整的第一步:定义一个贪婪解码器函数。

# 定义贪婪解码器函数
def greedy_decoder(model, enc_input, start_symbol):
    # 对输入数据进行编码，并获得编码器输出以及自注意力权重
    enc_outputs, enc_self_attns = model.encoder(enc_input)    
    # 初始化解码器输入为全零张量，大小为 (1, 5)，数据类型与 enc_input 一致
    dec_input = torch.zeros(1, 5).type_as(enc_input.data)    
    # 设置下一个要解码的符号为开始符号
    next_symbol = start_symbol    
    # 循环 5 次，为解码器输入中的每一个位置填充一个符号
    for i in range(0, 5):
        # 将下一个符号放入解码器输入的当前位置
        dec_input[0][i] = next_symbol        
        # 运行解码器，获得解码器输出、解码器自注意力权重和编码器 - 解码器注意力权重
        dec_output, _, _ = model.decoder(dec_input, enc_input, enc_outputs)        
        # 将解码器输出投影到目标词汇空间
        projected = model.projection(dec_output)        
        # 找到具有最高概率的下一个单词
        prob = projected.squeeze(0).max(dim=-1, keepdim=False)[1]
        next_word = prob.data[i]        
        # 将找到的下一个单词作为新的符号
        next_symbol = next_word.item()        
    # 返回解码器输入，它包含了生成的符号序列
    dec_outputs = dec_input
    return dec_outputs

上述代码定义了一个贪婪解码器函数greedy_decoder。该函数将模型model、编码器输入 enc_input及开始符号start_symbol作为输入。贪婪解码器通过寻找具有最高概率的单词作为下一个生成单词，从而生成一个单词序列。其中的关键部分是解码器会循环 5次，每次为解码器输入中的一个位置填充一个刚刚生成的符号，然后将这个符号和之前生成的符号一起，作为解码器输入序列dec_input输入下一次的解码器调用过程，直至循环结束。

代码调整的第二步:使用贪婪解码器进行测试，生成翻译文本。

# 用贪婪解码器生成翻译文本
enc_inputs, dec_inputs, target_batch = corpus.make_batch(batch_size=1, test_batch=True) 
# 使用贪婪解码器生成解码器输入
greedy_dec_input = greedy_decoder(model, enc_inputs, start_symbol=corpus.tgt_vocab[''])
# 将解码器输入转换为单词序列
greedy_dec_output_words = [corpus.tgt_idx2word[n.item()] for n in greedy_dec_input.squeeze()]
# 打印编码器输入和贪婪解码器生成的文本
enc_inputs_words = [corpus.src_idx2word[code.item()] for code in enc_inputs[0]]
print(enc_inputs_words, '->', greedy_dec_output_words)

看到贪婪解码器逐词推演生成的文本，只修改了这么一点点内容，效果就变得这么好了。

完整代码

import numpy as np # 导入 numpy 库
import torch # 导入 torch 库
import torch.nn as nn # 导入 torch.nn 库
d_k = 64 # K(=Q) 维度
d_v = 64 # V 维度
# 定义缩放点积注意力类
class ScaledDotProductAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ScaledDotProductAttention, self).__init__()        
    def forward(self, Q, K, V, attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # Q K V [batch_size, n_heads, len_q/k/v, dim_q=k/v] (dim_q=dim_k)
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------
        # 计算注意力分数（原始权重）[batch_size，n_heads，len_q，len_k]
        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-1, -2)) / np.sqrt(d_k) 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # scores [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 使用注意力掩码，将 attn_mask 中值为 1 的位置的权重替换为极小值
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k], 形状和 scores 相同
        #-----------------------------------------------------------------    
        scores.masked_fill_(attn_mask, -1e9) 
        # 对注意力分数进行 softmax 归一化
        weights = nn.Softmax(dim=-1)(scores) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # weights [batch_size, n_heads, len_q, len_k], 形状和 scores 相同
        #-----------------------------------------------------------------         
        # 计算上下文向量（也就是注意力的输出）, 是上下文信息的紧凑表示
        context = torch.matmul(weights, V) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, n_heads, len_q, dim_v]
        #-----------------------------------------------------------------    
        return context, weights # 返回上下文向量和注意力分数

# 定义多头自注意力类
d_embedding = 512  # Embedding 的维度
n_heads = 8  # Multi-Head Attention 中头的个数
batch_size = 3 # 每一批的数据大小
class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        self.W_Q = nn.Linear(d_embedding, d_k * n_heads) # Q的线性变换层
        self.W_K = nn.Linear(d_embedding, d_k * n_heads) # K的线性变换层
        self.W_V = nn.Linear(d_embedding, d_v * n_heads) # V的线性变换层
        self.linear = nn.Linear(n_heads * d_v, d_embedding)
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_embedding)
    def forward(self, Q, K, V, attn_mask): 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # Q K V [batch_size, len_q/k/v, embedding_dim] 
        #-----------------------------------------------------------------        
        residual, batch_size = Q, Q.size(0) # 保留残差连接
        # 将输入进行线性变换和重塑，以便后续处理
        q_s = self.W_Q(Q).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)        
        k_s = self.W_K(K).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)
        v_s = self.W_V(V).view(batch_size, -1, n_heads, d_v).transpose(1,2)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # q_s k_s v_s: [batch_size, n_heads, len_q/k/v, d_q=k/v]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 将注意力掩码复制到多头 attn_mask: [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).repeat(1, n_heads, 1, 1)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 使用缩放点积注意力计算上下文和注意力权重
        context, weights = ScaledDotProductAttention()(q_s, k_s, v_s, attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, n_heads, len_q, dim_v]
        # weights [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 通过调整维度将多个头的上下文向量连接在一起
        context = context.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, -1, n_heads * d_v) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, len_q, n_heads * dim_v]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 用一个线性层把连接后的多头自注意力结果转换，原始地嵌入维度
        output = self.linear(context) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 与输入 (Q) 进行残差链接，并进行层归一化后输出
        output = self.layer_norm(output + residual)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------        
        return output, weights # 返回层归一化的输出和注意力权重

# 定义逐位置前馈网络类
class PoswiseFeedForwardNet(nn.Module):
    def __init__(self, d_ff=2048):
        super(PoswiseFeedForwardNet, self).__init__()
        # 定义一维卷积层 1，用于将输入映射到更高维度
        self.conv1 = nn.Conv1d(in_channels=d_embedding, out_channels=d_ff, kernel_size=1)
        # 定义一维卷积层 2，用于将输入映射回原始维度
        self.conv2 = nn.Conv1d(in_channels=d_ff, out_channels=d_embedding, kernel_size=1)
        # 定义层归一化
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_embedding)
    def forward(self, inputs): 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # inputs [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------                       
        residual = inputs  # 保留残差连接 
        # 在卷积层 1 后使用 ReLU 激活函数 
        output = nn.ReLU()(self.conv1(inputs.transpose(1, 2))) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, d_ff, len_q]
        #----------------------------------------------------------------
        # 使用卷积层 2 进行降维 
        output = self.conv2(output).transpose(1, 2) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------
        # 与输入进行残差链接，并进行层归一化
        output = self.layer_norm(output + residual) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------
        return output # 返回加入残差连接后层归一化的结果

# 生成正弦位置编码表的函数，用于在 Transformer 中引入位置信息
def get_sin_enc_table(n_position, embedding_dim):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # n_position: 输入序列的最大长度
    # embedding_dim: 词嵌入向量的维度
    #-----------------------------------------------------------------    
    # 根据位置和维度信息，初始化正弦位置编码表
    sinusoid_table = np.zeros((n_position, embedding_dim))    
    # 遍历所有位置和维度，计算角度值
    for pos_i in range(n_position):
        for hid_j in range(embedding_dim):
            angle = pos_i / np.power(10000, 2 * (hid_j // 2) / embedding_dim)
            sinusoid_table[pos_i, hid_j] = angle    
    # 计算正弦和余弦值
    sinusoid_table[:, 0::2] = np.sin(sinusoid_table[:, 0::2])  # dim 2i 偶数维
    sinusoid_table[:, 1::2] = np.cos(sinusoid_table[:, 1::2])  # dim 2i+1 奇数维    
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # sinusoid_table 的维度是 [n_position, embedding_dim]
    #----------------------------------------------------------------   
    return torch.FloatTensor(sinusoid_table)  # 返回正弦位置编码表

# 定义填充注意力掩码函数
def get_attn_pad_mask(seq_q, seq_k):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # seq_q 的维度是 [batch_size, len_q]
    # seq_k 的维度是 [batch_size, len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    batch_size, len_q = seq_q.size()
    batch_size, len_k = seq_k.size()
    # 生成布尔类型张量
    pad_attn_mask = seq_k.data.eq(0).unsqueeze(1)  # token 的编码值为 0
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # pad_attn_mask 的维度是 [batch_size，1，len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 变形为与注意力分数相同形状的张量 
    pad_attn_mask = pad_attn_mask.expand(batch_size, len_q, len_k)
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # pad_attn_mask 的维度是 [batch_size，len_q，len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    return pad_attn_mask

# 定义编码器层类
class EncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(EncoderLayer, self).__init__()        
        self.enc_self_attn = MultiHeadAttention() # 多头自注意力层        
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet() # 位置前馈神经网络层
    def forward(self, enc_inputs, enc_self_attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        # enc_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, seq_len, seq_len]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 将相同的 Q，K，V 输入多头自注意力层 , 返回的 attn_weights 增加了头数  
        enc_outputs, attn_weights = self.enc_self_attn(enc_inputs, enc_inputs,
                                               enc_inputs, enc_self_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 
        # attn_weights 的维度是 [batch_size, n_heads, seq_len, seq_len]      
        # 将多头自注意力 outputs 输入位置前馈神经网络层
        enc_outputs = self.pos_ffn(enc_outputs) # 维度与 enc_inputs 相同
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 
        #-----------------------------------------------------------------
        return enc_outputs, attn_weights # 返回编码器输出和每层编码器注意力权重

# 定义编码器类
n_layers = 6  # 设置 Encoder 的层数
class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Encoder, self).__init__()        
        self.src_emb = nn.Embedding(len(corpus.src_vocab), d_embedding) # 词嵌入层
        self.pos_emb = nn.Embedding.from_pretrained( \
          get_sin_enc_table(corpus.src_len+1, d_embedding), freeze=True) # 位置嵌入层
        self.layers = nn.ModuleList(EncoderLayer() for _ in range(n_layers))# 编码器层数
    def forward(self, enc_inputs):  
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 创建一个从 1 到 source_len 的位置索引序列
        pos_indices = torch.arange(1, enc_inputs.size(1) + 1).unsqueeze(0).to(enc_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # pos_indices 的维度是 [1, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------             
        # 对输入进行词嵌入和位置嵌入相加 [batch_size, source_len，embedding_dim]
        enc_outputs = self.src_emb(enc_inputs) + self.pos_emb(pos_indices)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 生成自注意力掩码
        enc_self_attn_mask = get_attn_pad_mask(enc_inputs, enc_inputs) 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, len_q, len_k]        
        #-----------------------------------------------------------------         
        enc_self_attn_weights = [] # 初始化 enc_self_attn_weights
        # 通过编码器层 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        for layer in self.layers: 
            enc_outputs, enc_self_attn_weight = layer(enc_outputs, enc_self_attn_mask)
            enc_self_attn_weights.append(enc_self_attn_weight)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 维度与 enc_inputs 相同
        # enc_self_attn_weights 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, seq_len, seq_len]          
        #-----------------------------------------------------------------
        return enc_outputs, enc_self_attn_weights # 返回编码器输出和编码器注意力权重

# 生成后续注意力掩码的函数，用于在多头自注意力计算中忽略未来信息
def get_attn_subsequent_mask(seq):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # seq 的维度是 [batch_size, seq_len(Q)=seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 获取输入序列的形状
    attn_shape = [seq.size(0), seq.size(1), seq.size(1)]  
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # attn_shape 是一个一维张量 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 使用 numpy 创建一个上三角矩阵（triu = triangle upper）
    subsequent_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1)
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # subsequent_mask 的维度是 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 将 numpy 数组转换为 PyTorch 张量，并将数据类型设置为 byte（布尔值）
    subsequent_mask = torch.from_numpy(subsequent_mask).byte()
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # 返回的 subsequent_mask 的维度是 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    return subsequent_mask # 返回后续位置的注意力掩码

# 定义解码器层类
class DecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(DecoderLayer, self).__init__()        
        self.dec_self_attn = MultiHeadAttention() # 多头自注意力层       
        self.dec_enc_attn = MultiHeadAttention()  # 多头自注意力层，连接编码器和解码器        
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet() # 位置前馈神经网络层
    def forward(self, dec_inputs, enc_outputs, dec_self_attn_mask, dec_enc_attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------      
        # 将相同的 Q，K，V 输入多头自注意力层
        dec_outputs, dec_self_attn = self.dec_self_attn(dec_inputs, dec_inputs, 
                                                        dec_inputs, dec_self_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 将解码器输出和编码器输出输入多头自注意力层
        dec_outputs, dec_enc_attn = self.dec_enc_attn(dec_outputs, enc_outputs, 
                                                      enc_outputs, dec_enc_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_enc_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------          
        # 输入位置前馈神经网络层
        dec_outputs = self.pos_ffn(dec_outputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]   
        #-----------------------------------------------------------------
        # 返回解码器层输出，每层的自注意力和解 - 编码器注意力权重
        return dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn

#  定义解码器类
n_layers = 6  # 设置 Decoder 的层数
class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.tgt_emb = nn.Embedding(len(corpus.tgt_vocab), d_embedding) # 词嵌入层
        self.pos_emb = nn.Embedding.from_pretrained( \
           get_sin_enc_table(corpus.tgt_len+1, d_embedding), freeze=True) # 位置嵌入层        
        self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer() for _ in range(n_layers)]) # 叠加多层
    def forward(self, dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs): 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_len]
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_len]
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------   
        # 创建一个从 1 到 source_len 的位置索引序列
        pos_indices = torch.arange(1, dec_inputs.size(1) + 1).unsqueeze(0).to(dec_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # pos_indices 的维度是 [1, target_len]
        #-----------------------------------------------------------------              
        # 对输入进行词嵌入和位置嵌入相加
        dec_outputs = self.tgt_emb(dec_inputs) + self.pos_emb(pos_indices)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
         #-----------------------------------------------------------------        
        # 生成解码器自注意力掩码和解码器 - 编码器注意力掩码
        dec_self_attn_pad_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, dec_inputs) # 填充位掩码
        dec_self_attn_subsequent_mask = get_attn_subsequent_mask(dec_inputs) # 后续位掩码
        dec_self_attn_mask = torch.gt((dec_self_attn_pad_mask \
                                       + dec_self_attn_subsequent_mask), 0) 
        dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, enc_inputs) # 解码器 - 编码器掩码
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # dec_self_attn_pad_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_self_attn_subsequent_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, source_len]
         #-----------------------------------------------------------------       
        dec_self_attns, dec_enc_attns = [], [] # 初始化 dec_self_attns, dec_enc_attns
        # 通过解码器层 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        for layer in self.layers:
            dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn = layer(dec_outputs, enc_outputs, 
                                               dec_self_attn_mask, dec_enc_attn_mask)
            dec_self_attns.append(dec_self_attn)
            dec_enc_attns.append(dec_enc_attn)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        # dec_enc_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 返回解码器输出，解码器自注意力和解码器 - 编码器注意力权重       
        return dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns

# 定义 Transformer 模型
class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Transformer, self).__init__()        
        self.encoder = Encoder(corpus) # 初始化编码器实例        
        self.decoder = Decoder(corpus) # 初始化解码器实例
        # 定义线性投影层，将解码器输出转换为目标词汇表大小的概率分布
        self.projection = nn.Linear(d_embedding, len(corpus.tgt_vocab), bias=False)
    def forward(self, enc_inputs, dec_inputs):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_seq_len]
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_seq_len]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 将输入传递给编码器，并获取编码器输出和自注意力权重        
        enc_outputs, enc_self_attns = self.encoder(enc_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        # enc_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, src_seq_len, src_seq_len]        
        #-----------------------------------------------------------------          
        # 将编码器输出、解码器输入和编码器输入传递给解码器
        # 获取解码器输出、解码器自注意力权重和编码器 - 解码器注意力权重     
        dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns = self.decoder(dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, tgt_seq_len, src_seq_len]
        # dec_enc_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, tgt_seq_len, src_seq_len]   
        #-----------------------------------------------------------------                
        # 将解码器输出传递给投影层，生成目标词汇表大小的概率分布
        dec_logits = self.projection(dec_outputs)  
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_logits 的维度是 [batch_size, tgt_seq_len, tgt_vocab_size]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 返回逻辑值 ( 原始预测结果 ), 编码器自注意力权重，解码器自注意力权重，解 - 编码器注意力权重
        return dec_logits, enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns

sentences = [
    ['哒哥 喜欢 爬山', 'DaGe likes hiking'],
    ['我 爱 学习 人工智能', 'I love studying AI'],
    ['深度学习 改变 世界', ' DL changed the world'],
    ['自然语言处理 很 强大', 'NLP is powerful'],
    ['神经网络 非常 复杂', 'Neural-networks are complex'] ]

from collections import Counter # 导入 Counter 类
# 定义 TranslationCorpus 类
class TranslationCorpus:
    def __init__(self, sentences):
        self.sentences = sentences
        # 计算源语言和目标语言的最大句子长度，并分别加 1 和 2 以容纳填充符和特殊符号
        self.src_len = max(len(sentence[0].split()) for sentence in sentences) + 1
        self.tgt_len = max(len(sentence[1].split()) for sentence in sentences) + 2
        # 创建源语言和目标语言的词汇表
        self.src_vocab, self.tgt_vocab = self.create_vocabularies()
        # 创建索引到单词的映射
        self.src_idx2word = {v: k for k, v in self.src_vocab.items()}
        self.tgt_idx2word = {v: k for k, v in self.tgt_vocab.items()}
    # 定义创建词汇表的函数
    def create_vocabularies(self):
        # 统计源语言和目标语言的单词频率
        src_counter = Counter(word for sentence in self.sentences for word in sentence[0].split())
        tgt_counter = Counter(word for sentence in self.sentences for word in sentence[1].split())        
        # 创建源语言和目标语言的词汇表，并为每个单词分配一个唯一的索引
        src_vocab = {'': 0, **{word: i+1 for i, word in enumerate(src_counter)}}
        tgt_vocab = {'': 0, '': 1, '': 2, 
                     **{word: i+3 for i, word in enumerate(tgt_counter)}}        
        return src_vocab, tgt_vocab
    # 定义创建批次数据的函数
    def make_batch(self, batch_size, test_batch=False):
        input_batch, output_batch, target_batch = [], [], []
        # 随机选择句子索引
        sentence_indices = torch.randperm(len(self.sentences))[:batch_size]
        for index in sentence_indices:
            src_sentence, tgt_sentence = self.sentences[index]
            # 将源语言和目标语言的句子转换为索引序列
            src_seq = [self.src_vocab[word] for word in src_sentence.split()]
            tgt_seq = [self.tgt_vocab['']] + [self.tgt_vocab[word] \
                         for word in tgt_sentence.split()] + [self.tgt_vocab['']]            
            # 对源语言和目标语言的序列进行填充
            src_seq += [self.src_vocab['']] * (self.src_len - len(src_seq))
            tgt_seq += [self.tgt_vocab['']] * (self.tgt_len - len(tgt_seq))            
            # 将处理好的序列添加到批次中
            input_batch.append(src_seq)
            output_batch.append([self.tgt_vocab['']] + ([self.tgt_vocab['']] * \
                                    (self.tgt_len - 2)) if test_batch else tgt_seq[:-1])
            target_batch.append(tgt_seq[1:])        
          # 将批次转换为 LongTensor 类型
        input_batch = torch.LongTensor(input_batch)
        output_batch = torch.LongTensor(output_batch)
        target_batch = torch.LongTensor(target_batch)            
        return input_batch, output_batch, target_batch
# 创建语料库类实例
corpus = TranslationCorpus(sentences)

import torch # 导入 torch
import torch.optim as optim # 导入优化器
model = Transformer(corpus) # 创建模型实例
criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001) # 优化器
epochs = 5 # 训练轮次
for epoch in range(epochs): # 训练 100 轮
    optimizer.zero_grad() # 梯度清零
    enc_inputs, dec_inputs, target_batch = corpus.make_batch(batch_size) # 创建训练数据        
    outputs, _, _, _ = model(enc_inputs, dec_inputs) # 获取模型输出 
    loss = criterion(outputs.view(-1, len(corpus.tgt_vocab)), target_batch.view(-1)) # 计算损失
    if (epoch + 1) % 1 == 0: # 打印损失
        print(f"Epoch: {epoch + 1:04d} cost = {loss:.6f}")
    loss.backward()# 反向传播        
    optimizer.step()# 更新参数

# 定义贪婪解码器函数
def greedy_decoder(model, enc_input, start_symbol):
    # 对输入数据进行编码，并获得编码器输出以及自注意力权重
    enc_outputs, enc_self_attns = model.encoder(enc_input)    
    # 初始化解码器输入为全零张量，大小为 (1, 5)，数据类型与 enc_input 一致
    dec_input = torch.zeros(1, 5).type_as(enc_input.data)    
    # 设置下一个要解码的符号为开始符号
    next_symbol = start_symbol    
    # 循环 5 次，为解码器输入中的每一个位置填充一个符号
    for i in range(0, 5):
        # 将下一个符号放入解码器输入的当前位置
        dec_input[0][i] = next_symbol        
        # 运行解码器，获得解码器输出、解码器自注意力权重和编码器 - 解码器注意力权重
        dec_output, _, _ = model.decoder(dec_input, enc_input, enc_outputs)        
        # 将解码器输出投影到目标词汇空间
        projected = model.projection(dec_output)        
        # 找到具有最高概率的下一个单词
        prob = projected.squeeze(0).max(dim=-1, keepdim=False)[1]
        next_word = prob.data[i]        
        # 将找到的下一个单词作为新的符号
        next_symbol = next_word.item()        
    # 返回解码器输入，它包含了生成的符号序列
    dec_outputs = dec_input
    return dec_outputs

# 用贪婪解码器生成翻译文本
enc_inputs, dec_inputs, target_batch = corpus.make_batch(batch_size=1, test_batch=True) 
# 使用贪婪解码器生成解码器输入
greedy_dec_input = greedy_decoder(model, enc_inputs, start_symbol=corpus.tgt_vocab[''])
# 将解码器输入转换为单词序列
greedy_dec_output_words = [corpus.tgt_idx2word[n.item()] for n in greedy_dec_input.squeeze()]
# 打印编码器输入和贪婪解码器生成的文本
enc_inputs_words = [corpus.src_idx2word[code.item()] for code in enc_inputs[0]]
print(enc_inputs_words, '->', greedy_dec_output_words)

小结

GPT 模型基于 Transformer架构，使用单向(从左到右)的Transformer 解码器进行预训练。预训练过程在大量无标签文本上进行，目标是通过给定的上下文预测下一个单词。

GPT模型中，采用了生成式自回归这种基于已有序列来预测下一个元素的方法。在训练阶段，模型通过大量文本数据学习生成下一个词的能力;在预测阶段，模型利用训练好的参数来生成一段连贯的文本。

---

学习的参考资料：
（1）书籍
利用Python进行数据分析
西瓜书
百面机器学习
机器学习实战
阿里云天池大赛赛题解析(机器学习篇)
白话机器学习中的数学
零基础学机器学习
图解机器学习算法

动手学深度学习（pytorch）

…

（2）机构
光环大数据
开课吧
极客时间
七月在线
深度之眼
贪心学院
拉勾教育
博学谷
慕课网
海贼宝藏
…