第八周.02.Transformer代码讲解

Posted 2021-09-22 oldmao_2000

文章目录

• Model Architecture
• Encoder and Decoder Stacks
• • Encoder
  • Decoder
  • Attention

本文内容整理自深度之眼《GNN核心能力培养计划》
公式输入请参考： 在线Latex公式
接上节，下面以哈佛大学nlp组的代码进行具体讲解。github和colab上的代码不一样。。。不知道为什么，以github的为准。

Model Architecture

核心代码就是EncoderDecoder中的forward：

self.decode(self.encode(src, src_mask), src_mask,
                            tgt, tgt_mask)

意思就是Decoder解码encoder的结果。

class EncoderDecoder(nn.Module):
    """
    A standard Encoder-Decoder architecture. Base for this and many 
    other models.
    """
    def __init__(self, encoder, decoder, src_embed, tgt_embed, generator):
        super(EncoderDecoder, self).__init__()
        self.encoder = encoder
        self.decoder = decoder
        self.src_embed = src_embed
        self.tgt_embed = tgt_embed
        self.generator = generator#用于最后输出维度映射到词表大小，类在下面
        
    #src_mask用于不同长度的序列的padding处理
    #tgt_mask用于确保输出过程不涉及后面的单词
    def forward(self, src, tgt, src_mask, tgt_mask):
        "Take in and process masked src and target sequences."
        return self.decode(self.encode(src, src_mask), src_mask,
                            tgt, tgt_mask)
    
    def encode(self, src, src_mask):
        return self.encoder(self.src_embed(src), src_mask)
    
    def decode(self, memory, src_mask, tgt, tgt_mask):
        return self.decoder(self.tgt_embed(tgt), memory, src_mask, tgt_mask)

class Generator(nn.Module):
    "Define standard linear + softmax generation step."
    def __init__(self, d_model, vocab):
        super(Generator, self).__init__()
        self.proj = nn.Linear(d_model, vocab)#线性映射，转化维度

    def forward(self, x):
        return F.log_softmax(self.proj(x), dim=-1)

Encoder and Decoder Stacks

然后根据原论文的图

要把每个单元堆叠N次。这里N为6.

# 克隆单元结构
def clones(module, N):
    "Produce N identical layers."
    return nn.ModuleList([copy.deepcopy(module) for _ in range(N)])

Encoder

class Encoder(nn.Module):
    "Core encoder is a stack of N layers"
    def __init__(self, layer, N):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.layers = clones(layer, N)#Encoder包含N个EncoderLayer
        self.norm = LayerNorm(layer.size)
        
    def forward(self, x, mask):
        "Pass the input (and mask) through each layer in turn."
        #前向传播就是串行的堆叠，后面吃前面的输出做为输入
        for layer in self.layers:
            x = layer(x, mask)
        return self.norm(x)#最后这里做的是自己实现的Layer归一化，定义在下面

#自己定义的Layer归一化，这个代码号称是不调用额外的包的，所以这个自己实现
#对应的就是上面图中黄色方块中的norm操作
class LayerNorm(nn.Module):
    "Construct a layernorm module (See citation for details)."
    def __init__(self, features, eps=1e-6):
        super(LayerNorm, self).__init__()
        self.a_2 = nn.Parameter(torch.ones(features))
        self.b_2 = nn.Parameter(torch.zeros(features))
        self.eps = eps

    def forward(self, x):
        mean = x.mean(-1, keepdim=True)
        std = x.std(-1, keepdim=True)
        return self.a_2 * (x - mean) / (std + self.eps) + self.b_2

#对应的就是上面图中黄色方块中的add操作，相当于残差操作
#Sublayer根据上图有两种，一种是Multi-head attention（橙色方块），一种是Feed forward（蓝色方块）
class SublayerConnection(nn.Module):
    """
    A residual connection followed by a layer norm.
    Note for code simplicity the norm is first as opposed to last.
    """
    def __init__(self, size, dropout):
        super(SublayerConnection, self).__init__()
        self.norm = LayerNorm(size)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x, sublayer):
        "Apply residual connection to any sublayer with the same size."
        return x + self.dropout(sublayer(self.norm(x)))

#这里定义的是一个EncoderLayer单元，对应上图中的左边部分
class EncoderLayer(nn.Module):
    "Encoder is made up of self-attn and feed forward (defined below)"
    def __init__(self, size, self_attn, feed_forward, dropout):
        super(EncoderLayer, self).__init__()
        self.self_attn = self_attn#Multi-head attention（橙色方块）
        self.feed_forward = feed_forward#Feed forward（蓝色方块）
        # 克隆两个SublayerConnection，分别给上面两个模块，因为两个模型残差不一样
        self.sublayer = clones(SublayerConnection(size, dropout), 2)
        self.size = size

    def forward(self, x, mask):
        "Follow Figure 1 (left) for connections."
        # Se1f- Attention层
        # self_attn的4个参数：Query,Key, Value,Mask
        x = self.sublayer[0](x, lambda x: self.self_attn(x, x, x, mask))
        # Dense层
        return self.sublayer[1](x, self.feed_forward)
        #sublayer[0]是Multi-head attention（橙色方块）
        #sublayer[1]是Feed forward（蓝色方块）

下面重点理解forward函数中的两句代码
第一句：
输入是x，然后sublayer[0]，这个时候会执行SublayerConnection的forward，然后先得到：
LayerNorm(x)
由于sublayer[0]参数给的是self_attn，所以是要进行注意力计算
self_attn(LayerNorm(x))
然后再进行残差操作：
x+self_attn(LayerNorm(x))
我们把上面得到的结果记为y，接下来执行第二句：
y→LayerNorm(y)→Dense(LayerNorm(y))→y+Dense(LayerNorm(y))

Decoder

同样要堆叠6层

class Decoder(nn.Module):
    "Generic N layer decoder with masking."
    def __init__(self, layer, N):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.layers = clones(layer, N)
        self.norm = LayerNorm(layer.size)
        
    def forward(self, x, memory, src_mask, tgt_mask):
        for layer in self.layers:
        	#x：输入的embedding；memory：EncoderLayer的输出
        	#src_mask：Encoder的mask用于padding，tgt_mask：Decoder的mask用于隐藏后面的单词的输出
            x = layer(x, memory, src_mask, tgt_mask)
        return self.norm(x)

class DecoderLayer(nn.Module):
    "Decoder is made of self-attn, src-attn, and feed forward (defined below)"
    def __init__(self, size, self_attn, src_attn, feed_forward, dropout):
        super(DecoderLayer, self).__init__()
        self.size = size
        self.self_attn = self_attn#对应图中的Decoder的下面部分
        self.src_attn = src_attn#对应图中的Decoder的中间部分
        self.feed_forward = feed_forward#对应图中的Decoder的上面部分
        self.sublayer = clones(SublayerConnection(size, dropout), 3)
 
    def forward(self, x, memory, src_mask, tgt_mask):
        "Follow Figure 1 (right) for connections."
        m = memory
        # 第一层 对应图中的Decoder的下面部分，这里是相当于输出的预测的自注意力，因此是tgt_mask
        x = self.sublayer[0](x, lambda x: self.self_attn(x, x, x, tgt_mask))
        #第二层，是最后输出与Encoder输出之间的attention计算
        x = self.sublayer[1](x, lambda x: self.src_attn(x, m, m, src_mask))
        return self.sublayer[2](x, self.feed_forward)

def subsequent_mask(size):
    "Mask out subsequent positions."
    # Decoder解码时刻t只能使用时刻1...t的输入，不能使用t+1时刻及其之后的输入（未来的信息）
    attn_shape = (1, size, size)
    # triu是创建上三角矩阵，右上半部分都是1，左下半部分都是0，包括对角线是0
    subsequent_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1).astype('uint8')
    # 1，0互换，变下三角矩阵
    return torch.from_numpy(subsequent_mask) == 0

这个是20×20的下三角矩阵，可以看到第一行，只有第一个位置是1（只能看第一个单词），其他位置都是0，因此后面位置都屏蔽了。

Attention

这里的注意力机制是要实现矩阵形式的QKV计算，和单个token的向量计算稍微有点区别。

def attention(query, key, value, mask=None, dropout=None):
    "Compute 'Scaled Dot Product Attention'"
    #输出是Value的加权平均，权重通过Query和Key计算
    #K/Q/V Tensor size:(batch, #head头数, sequence length, feature dimension(d_k))
	#K/Q要相乘， size需相同，V可以不同
	# feature dimension
    d_k = query.size(-1)

	# 这里QK最后两个维度进行矩阵乘法，维度变成：
	# (batch, #head, sequence length, sequence length)
	# 这里面 sequence1 ength会出现 padding的情况
    scores = torch.matmul(query, key.transpose(-2, -1)) \\
             / math.sqrt(d_k)
    #mask为0的地方，给一个无穷小量，使其经过softmax操作近似为0
    if mask is not None:
        scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9)
    #经过softmax后的维度不变，(batch, #head, sequence length, sequence length)
    p_attn = F.softmax(scores, dim = -1)
    if dropout is not None:
        p_attn = dropout(p_attn)
    # 返回的两个玩意，第一个值是softmax后的权重和V相乘，V的维度不变：
    # (batch, #head头数, sequence length, feature dimension(d_k))
    # 第二玩意维度上面有
    return torch.matmul(p_attn, value), p_attn

单头attention写成多头，实际上是单头结果进行拼接：

class MultiHeadedAttention(nn.Module):
    def __init__(self, h, d_model, dropout=0.1):
        "Take in model size and number of heads."
        super(MultiHeadedAttention, self).__init__()
        assert d_model % h == 0
        # We assume d_v always equals d_k
        self.d_k = d_model // h，8个头
        self.h = h
        #这里克隆4个线性变换，前三个对QKV做特征变换，最后一个是输出的的特征变换
        self.linears = clones(nn.Linear(d_model, d_model), 4)
        self.attn = None
        self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)
        
    def forward(self, query, key, value, mask=None):
    	#query, key, value的维度上面有，是
    	#(batch, #head头数, sequence length, feature dimension(d_k))
		#那么对于encoder而言，它需要的mask的维度为：
		#(batch, 1, 1, sequence length)
		#意思是对所有的句子都有一个mask，mask要把所有句子都padding到sequence length，由于所有注意力头吃的输入一样，所以里面padding长度一样，所以第二个维度是1，由于对每个句子输入过程不用忽略后面的词语，因此每个token都参与attention计算，第三维设置为1
		#对于Decoder而言，第三个维度由于要忽略后面的词，所以其mask维度是：
		#(batch, 1, sequence length, sequence length)
		
        "Implements Figure 2"
        if mask is not None:
            # Same mask applied to all h heads.
            mask = mask.unsqueeze(1)
        nbatches = query.size(0)#取第一个维度，batch
        
        # 1) Do all the linear projections in batch from d_model => h x d_k 
        # zip是将对象中对应的元素打包成一个个元组
        # 例如：a = [1,2,3]
        # b = [4,5,6]
        # zipped = zip(a,b)
        # 结果：[(1, 4), (2, 5), (3, 6)]
        # 这里得到结果是将linears里面的三层与query, key, value分别进行打包
        # (self.linears[0], self.linears[1]， self.linears[2])&(query, key, value)
        # 然后做l(x)，即相乘操作，以self.linears[0]和query为例
        # self linears[0]的维度是(d_model ,d_model)
        # query的维度是(batch, sequence length, d_model)，开始是三维的，经过这里处理才变成上面四维tensor形式
        # 这里的d_model=#head*d_k，下面看怎么变四维。
        # l(x)后的维度不变：(batch, sequence length, d_model)
        # 然后做view变换：(batch, sequence length, #head, d_k)
        # 然后transpose(1, 2)：(batch, #head头数, sequence length, feature dimension(d_k))
        query, key, value = \\
            [l(x).view(nbatches, -1, self.h, self.d_k).transpose(1, 2)
             for l, x in zip(self.linears, (query, key, value))]
        
        # 2) Apply attention on all the projected vectors in batch. 
        #根据上面的attention函数可知，返回两个东西的维度是：
        #(batch, #head头数, sequence length, feature dimension(d_k))
        #(batch, #head, sequence length, sequence length)
        x, self.attn = attention(query, key, value, mask=mask, 
                                 dropout=self.dropout)
        
        # 3) "Concat" using a view and apply a final linear. 
        #x.transpose(1, 2)后维度变成：(batch, sequence length, #head头数, feature dimension(d_k))
        #然后经过view：(batch, sequence length, d_model)
        x = x.transpose(1, 2).contiguous() \\
             .view(nbatches, -1, self.h * self.d_k)
        return self.linears[-1](x)