PyTorch笔记 - Attention Is All You Need

Posted 2022-08-09 SpikeKing

Transformer：

• 模型结构：
  • Encoder：
    • Position Embedding：引入位置信息，DNN结构，默认没有考虑位置信息
    • Multi-head Self-attention：模型中计算量最大的部分，Head(头)的数量是8，任意两两字符之间，计算相关性。
    • LayerNorm & Residual：层归一化，和残差连接
    • Feedforward Nenual Network：Self-attention位置混合，FFN通道混合，类似通道分离卷积(空间混合)和1x1卷积(通道混合)，第1层2028，第2层512
  • Decoder：Teacher Forcing
    • Casual(因果) Multi-head Self-attention，下三角矩阵
    • Memory-base Multi-head Cross-attention，Decoder是Query，Encoder是Key和Value，Key是转置
      • 
• 使用类型：
  • Encoder only：BERT、分类任务、非流式任务
  • Decoder only：**GPT(Generative Pre-trained Transformer)**系列、语言建模、自回归生成任务、流式任务
  • Encoder-Decoder：机器翻译、语音识别
• 特定：
  • 无先验假设，例如局部关联性、有序建模
  • 核心在于自注意力机制，平方复杂度
  • 数据量的要求与先验假设的程度成反比

先验假设(归纳偏置) 与 数据(样本)量，成反比：

• 归纳偏置(Inductive Bias)：在学习算法中，当学习器去预测其未遇到过的输入结果时，所做的一些假设的集合。
• Transformer计算量以序列长度的平方成正比。
• 基于先验假设，优化模型，例如降低计算量，要注入先验假设。
• Transformer长时建模性长，并行计算，对比与RNN或LSTM

Transformer的Loss函数

交叉熵：torch.nn.CrossEntropyLoss

PyTorch中，CrossEntropy的输入，期望Class放在第2维，Batch放在第1维，可以是类别索引(Class indices)，也可以是类别的概率(Probabilities for each class)。

reduction默认是mean，例如6个单词的平均交叉熵。reduction是none，默认交叉熵：先做softmax，再做-ln(prob)

参考：CLIP算法的Loss详解 和 交叉熵CrossEntropy实现

# 定义softmax函数
def softmax(x):
    return np.exp(x) / np.sum(np.exp(x))

# 利用numpy计算
def cross_entropy_np(x, y):
    x_softmax = [softmax(x[i]) for i in range(len(x))]
    x_log = [np.log(x_softmax[i][y[i]]) for i in range(len(y))]
    loss = - np.sum(x_log) / len(y)
    return loss

# 测试逻辑
x = [[1.9269, 1.4873, 0.9007, -2.1055]]
y = [[2]]
v1 = cross_entropy_np(x, y)
print(f"v1: v1")

x = torch.unsqueeze(torch.Tensor(x), dim=0)
x = x.transpose(1, 2)  # CrossEntropy输入期望: Class放在第2维，Batch放在第1维

y = torch.Tensor(y)
y = y.to(torch.long)  # label的类型为long

v2 = F.cross_entropy(x, y, reduction="none")
print(f"v2: v2")

随机种子：torch.manual_seed(42)，每个rand之前，都需要添加

构建序列建模的Mask，如下：

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

import random
import numpy as np

# batch_size=2, seqlen=3, vocab_size=4
torch.manual_seed(42)
logits = torch.randn(2, 3, 4)
logits = logits.transpose(1, 2)
print(f'[Info] logits.shape: logits.shape')
print(f'[Info] logits: \\nlogits')

# logits_softmax = F.softmax(logits, dim=1)
# print(f'[Info] logits_softmax: \\nlogits_softmax')

# batch_size=2, vocab_size=4
torch.manual_seed(42)
label = torch.randint(0, 4, (2, 3))
print(f'[Info] label.shape: label.shape')
print(f'[Info] label: \\nlabel')
# loss: torch.nn.CrossEntropyLoss -> F.cross_entropy
# (2x4x3) + (2x3) = (2x3)
val = F.cross_entropy(logits, label, reduction="none")
print(f"[Info] val.shape: val.shape")
print(f"[Info] val: \\nval")

# 在loss中, 增加mask, 与ignore_index参数功能类似，默认值是-100
tgt_len = torch.Tensor([2,3]).to(torch.int32)
mask = [F.pad(torch.ones(L), (0, max(tgt_len)-L)) for L in tgt_len]
mask = torch.stack(mask)
print(f"[Info] mask: \\nmask")
val = F.cross_entropy(logits, label, reduction="none") * mask
print(f"[Info] val.shape: val.shape")
print(f"[Info] val: \\nval")

# 与ignore_index参数功能类似，默认值是-100
label[0, 2] = -100
val = F.cross_entropy(logits, label, reduction="none")
print(f"[Info] val.shape: val.shape")
print(f"[Info] val: \\nval")