Transformer 代码剖析7 - 词元嵌入(TokenEmbedding) （pytorch实现）

一、类定义与继承关系剖析

1.1 代码结构图示

神经网络基础模块

词嵌入基类

自定义词元嵌入

构造函数定义

基类初始化

词汇量参数

维度参数

填充标识参数

1.2 代码实现精讲

"""
@author : Hyunwoong
@when : 2019-10-22
@homepage : https://github.com/gusdnd852
"""
from torch import nn

class TokenEmbedding(nn.Embedding):
    """
    基于PyTorch实现的动态词元嵌入模块
    实现词元索引到高维向量的可学习映射
    核心功能：将离散的词元序列转换为连续的语义空间表示
    """
    
    def __init__(self, vocab_size, d_model):
        """
        词元嵌入构造器
        
        :param vocab_size: 词表容量（不同词元的总数）
        :param d_model: 嵌入维度（与Transformer模型维度一致）
        设计要点：
        - 继承nn.Embedding的矩阵运算特性
        - 固化填充索引为可训练参数
        - 保持维度与模型其他组件兼容
        """
        super(TokenEmbedding, self).__init__(
            vocab_size, # 嵌入数量 num_embeddings # 嵌入矩阵行数 = 词表大小
            d_model, # 嵌入维度 embedding_dim # 嵌入矩阵列数 = 模型维度
            padding_idx=1 # 填充符索引的特殊处理
        )

二、核心参数深度解读

2.1 参数矩阵可视化

假设词表容量vocab_size=10000，模型维度d_model=512时：

参数	维度	元素数量	数学意义
weight	[10000,512]	5,120,000	可训练的嵌入查询矩阵
padding_idx	scalar	1	动态掩码位置标识

2.2 关键参数说明

1. vocab_size

• 控制嵌入矩阵的行维度
• 决定模型可处理的词元种类上限
• 典型值域：BERT系列（~30000），GPT系列（~50000）

2. d_model

• 控制嵌入向量的列维度
• 与Transformer隐藏层维度严格对齐
• 典型值域：512（原始论文）、768（BERT-base）、1024（大型模型）

3. padding_idx

• 实现动态序列掩码的关键参数
• 索引位置对应的梯度会被自动抑制
• 防止填充符影响模型语义理解

三、运算过程分步推演

3.1 前向传播示例

输入序列：[3, 28, 1, 0] （1为填充符）

运算步骤：

1. 建立索引映射：

[[3],   → [[0.2, -0.5, ..., 1.2],  # 索引3的嵌入
 [28],  → [0.7, 1.1, ..., -0.3],   # 索引28的嵌入
 [1],   → [0.0, 0.0, ..., 0.0],    # 填充符固定值
 [0]]   → [-0.9, 0.4, ..., 0.1]]   # 索引0的嵌入

2. 矩阵缩放（后续处理）：

embeddings * sqrt(d_model)  # 维度对齐的数学技巧

3.2 梯度传播特性

• 可微分性： 整个映射过程保持梯度通路
• 参数更新： 通过反向传播调整嵌入矩阵
• 特殊处理： padding_idx位置梯度始终为0

四、设计哲学解析

4.1 继承关系价值

TokenEmbedding

torch.nn.Embedding

torch.nn.Module

PyTorch基础设施

优势分析：

• 复用性：继承矩阵运算和参数管理功能
• 扩展性：保留自定义前向传播的可能性
• 兼容性：无缝对接PyTorch生态工具

4.2 工程实践建议

1. 初始化技巧：

• 默认采用均匀分布 $U(-\sqrt{\frac{1}{d_{model}}},\sqrt{\frac{1}{d_{model}}})$
• 可扩展为Xavier/Kaiming初始化：

  # Xavier均匀初始化（默认）
  nn.init.xavier_uniform_(self.weight)
  
  # 特殊处理填充符
  self.weight.data[1].zero_()
  

2. 维度对齐策略：

# 与位置编码相加前的缩放
embeddings = embeddings * math.sqrt(d_model)

3. 混合精度训练：

# 自动转换为半精度
with autocast():
    embeddings = embedding_layer(input_ids)

4. 填充符处理机制：

• 训练阶段自动跳过无效位置的计算
• 推理阶段维持序列形状一致性

5. 计算复杂度分析：

• 时间复杂度：$O(B\cdot S\cdot D)$
• 空间复杂度：$O(V\cdot D)$

完整实现细节可参考PyTorch中sparse.py 模块解析的相关文章（嵌入(Embedding)基类代码解析）或PyTorch官方Embedding文档。