如何微调 HuggingFace BERT 模型以进行文本分类 [关闭]

Posted 2023-03-29

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【中文标题】如何微调 HuggingFace BERT 模型以进行文本分类 [关闭]【英文标题】：How to Fine-tune HuggingFace BERT model for Text Classification [closed] 【发布时间】：2021-10-31 15:55:33 【问题描述】：

是否有分步说明关于如何微调 HuggingFace BERT 模型以进行文本分类？

【问题讨论】：

【参考方案1】：

微调方法

有多种方法可以针对目标任务微调 BERT。

进一步预训练基础 BERT 模型可训练的基础 BERT 模型之上的自定义分类层基础 BERT 模型之上的自定义分类层不可训练（冻结）

请注意，BERT 基础模型仅针对原始论文中的两个任务进行了预训练。

BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

3.1 预训练 BERT ...我们使用两个无监督任务预训练 BERT
任务 #1：蒙面 LM 任务 #2：下一句预测 (NSP)

因此，基本 BERT 模型就像半生不熟，可以针对目标域完全烘焙（第一种方式）。我们可以将它作为我们自定义模型训练的一部分，使用基础可训练（第 2 次）或不可训练（第 3 次）。

第一种方法

How to Fine-Tune BERT for Text Classification? 演示了进一步预训练的第一种方法，并指出学习率是避免灾难性遗忘的关键，在学习新知识的过程中预训练的知识会被擦除。

我们发现较低的学习率，例如 2e-5，是使 BERT 克服灾难性遗忘问题所必需的。在 4e-4 的激进学习率下，训练集无法收敛。

这可能是BERT paper 使用 5e-5、4e-5、3e-5 和 2e-5 进行微调的原因。

对于所有 GLUE 任务，我们使用 32 的批量大小并在数据上微调 3 个 epoch。对于每个任务，我们在开发集上选择了最佳微调学习率（在 5e-5、4e-5、3e-5 和 2e-5 中）

请注意，基础模型预训练本身使用了更高的学习率。

bert-base-uncased - pretraining

该模型在 Pod 配置中的 4 个云 TPU（总共 16 个 TPU 芯片）上进行了 100 万步的训练，批量大小为 256。序列长度限制为 90% 的步骤的 128 个标记，其余步骤的 512 个10%。使用的优化器是 Adam，学习率为1e-4，β1=0.9 和 β2=0.999，权重衰减为0.01，学习率预热 10,000 步，之后学习率线性衰减。

将在下面将第 1 种方法描述为第 3 种方法的一部分。

仅供参考： TFDistilBertModel 是名称为distilbert 的裸基础模型。

Model: "tf_distil_bert_model_1"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
distilbert (TFDistilBertMain multiple                  66362880  
=================================================================
Total params: 66,362,880
Trainable params: 66,362,880
Non-trainable params: 0

第二种方法

Huggingface 采用第二种方法，如 Fine-tuning with native PyTorch/TensorFlow，其中 TFDistilBertForSequenceClassification 在可训练的基础 distilbert 模型之上添加了自定义分类层 classifier。小的学习率要求也将适用，以避免灾难性的遗忘。

from transformers import TFDistilBertForSequenceClassification

model = TFDistilBertForSequenceClassification.from_pretrained('distilbert-base-uncased')
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=5e-5)
model.compile(optimizer=optimizer, loss=model.compute_loss) # can also use any keras loss fn
model.fit(train_dataset.shuffle(1000).batch(16), epochs=3, batch_size=16)

Model: "tf_distil_bert_for_sequence_classification_2"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
distilbert (TFDistilBertMain multiple                  66362880  
_________________________________________________________________
pre_classifier (Dense)       multiple                  590592    
_________________________________________________________________
classifier (Dense)           multiple                  1538      
_________________________________________________________________
dropout_59 (Dropout)         multiple                  0         
=================================================================
Total params: 66,955,010
Trainable params: 66,955,010  <--- All parameters are trainable
Non-trainable params: 0

实施第二种方法

import pandas as pd
import tensorflow as tf
from sklearn.model_selection import train_test_split
from transformers import (
    DistilBertTokenizerFast,
    TFDistilBertForSequenceClassification,
)


DATA_COLUMN = 'text'
LABEL_COLUMN = 'category_index'
MAX_SEQUENCE_LENGTH = 512
LEARNING_RATE = 5e-5
BATCH_SIZE = 16
NUM_EPOCHS = 3


# --------------------------------------------------------------------------------
# Tokenizer
# --------------------------------------------------------------------------------
tokenizer = DistilBertTokenizerFast.from_pretrained('distilbert-base-uncased')
def tokenize(sentences, max_length=MAX_SEQUENCE_LENGTH, padding='max_length'):
    """Tokenize using the Huggingface tokenizer
    Args:
        sentences: String or list of string to tokenize
        padding: Padding method ['do_not_pad'|'longest'|'max_length']
    """
    return tokenizer(
        sentences,
        truncation=True,
        padding=padding,
        max_length=max_length,
        return_tensors="tf"
    )

# --------------------------------------------------------------------------------
# Load data
# --------------------------------------------------------------------------------
raw_train = pd.read_csv("./train.csv")
train_data, validation_data, train_label, validation_label = train_test_split(
    raw_train[DATA_COLUMN].tolist(),
    raw_train[LABEL_COLUMN].tolist(),
    test_size=.2,
    shuffle=True
)

# --------------------------------------------------------------------------------
# Prepare TF dataset
# --------------------------------------------------------------------------------
train_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
    dict(tokenize(train_data)),  # Convert BatchEncoding instance to dictionary
    train_label
)).shuffle(1000).batch(BATCH_SIZE).prefetch(1)
validation_dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
    dict(tokenize(validation_data)),
    validation_label
)).batch(BATCH_SIZE).prefetch(1)

# --------------------------------------------------------------------------------
# training
# --------------------------------------------------------------------------------
model = TFDistilBertForSequenceClassification.from_pretrained(
    'distilbert-base-uncased',
    num_labels=NUM_LABELS
)
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=LEARNING_RATE)
model.compile(
    optimizer=optimizer,
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=True),
)
model.fit(
    x=train_dataset,
    y=None,
    validation_data=validation_dataset,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    epochs=NUM_EPOCHS,
)

第三种方法

基础知识

请注意，图片取自A Visual Guide to Using BERT for the First Time并进行了修改。

分词器

Tokenizer 生成 BatchEncoding 实例，该实例可以像 Python 字典一样使用，也是 BERT 模型的输入。

BatchEncoding

保存 encode_plus() 和 batch_encode() 方法（令牌、注意掩码等）的输出。该类派生自 python 字典，可以用作字典。此外，该类公开了从单词/字符空间映射到标记空间的实用方法。参数
data (dict) – 由 encode/batch_encode 方法（‘input_ids’、‘attention_mask’等）返回的列表/数组/张量字典。

该类的data 属性是生成的具有input_ids 和attention_mask 元素的标记。

input_ids

输入 ID 通常是作为输入传递给模型的唯一必需参数。它们是标记索引，标记的数字表示，构建将用作模型输入的序列。

注意掩码

Attention mask

此参数向模型指示应该注意哪些令牌，哪些不应该。

如果 attention_mask 是 0，则忽略令牌 ID。例如，如果对序列进行填充以调整序列长度，则应忽略填充的单词，因此它们的 attention_mask 为 0。

特殊令牌

BertTokenizer 添加特殊标记，用[CLS] 和[SEP] 包围一个序列。 [CLS] 代表分类，[SEP] 分隔序列。对于问答或释义任务，[SEP] 将两个句子分开以进行比较。

BertTokenizer

cls_token (str, optional, 默认为"[CLS]")序列分类时使用的Classifier Token（对整个序列进行分类而不是每个令牌分类）。当使用特殊标记构建时，它是序列的第一个标记。 sep_token（str，可选，默认为“[SEP]”）分隔符标记，用于从多个序列构建序列时使用，例如两个序列用于序列分类或一个文本和一个用于问答的问题。它还用作使用特殊标记构建的序列的最后一个标记。

A Visual Guide to Using BERT for the First Time 显示标记化。

[CLS]

基础模型最后一层输出中 [CLS] 的嵌入向量表示基础模型已学习的分类。因此，将 [CLS] 标记的嵌入向量输入到添加在基础模型之上的分类层中。

BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

每个序列的第一个标记总是a special classification token ([CLS])。与该标记对应的最终隐藏状态用作分类任务的聚合序列表示。句子对被打包成一个单一的序列。我们以两种方式区分句子。首先，我们用一个特殊的标记（[SEP]）将它们分开。其次，我们向每个标记添加一个学习嵌入，指示它属于句子 A 还是句子 B。

模型结构如下图所示。

矢量大小

在模型distilbert-base-uncased 中，每个标记都嵌入到大小为768 的向量中。基本模型的输出形状为(batch_size, max_sequence_length, embedding_vector_size=768)。这符合关于 BERT/BASE 模型的 BERT 论文（如 distilbert-base-uncased 中所示）。

BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

BERT/BASE (L=12, H=768, A=12, Total Parameters=110M) 和 BERT/LARGE (L=24, H=1024, A=16, Total Parameters =340M)。

基础模型 - TFDistilBertModel

Hugging Face Transformers: Fine-tuning DistilBERT for Binary Classification Tasks

TFDistilBertModel 类实例化基础 DistilBERT 模型顶部没有任何特定的头部（与其他类如 TFDistilBertForSequenceClassification 具有添加的分类头相反）。我们不希望附加任何特定于任务的头，因为我们只希望基础模型的预训练权重提供对英语的一般理解，并且在微调期间添加我们自己的分类头将是我们的工作过程以帮助模型区分有毒的 cmets。

TFDistilBertModel 生成TFBaseModelOutput 的实例，其last_hidden_state 参数是模型最后一层的输出。

TFBaseModelOutput([(
    'last_hidden_state',
    <tf.Tensor: shape=(batch_size, sequence_lendgth, 768), dtype=float32, numpy=array([[[...]]], dtype=float32)>
)])

TFBaseModelOutput

参数
last_hidden_state (tf.Tensor of shape (batch_size, sequence_length, hidden_size)) – 模型最后一层输出的隐藏状态序列。

实施

Python 模块

import pandas as pd
import tensorflow as tf
from sklearn.model_selection import train_test_split
from transformers import (
    DistilBertTokenizerFast,
    TFDistilBertModel,
)

配置

TIMESTAMP = datetime.datetime.now().strftime("%Y%b%d%H%M").upper()

DATA_COLUMN = 'text'
LABEL_COLUMN = 'category_index'

MAX_SEQUENCE_LENGTH = 512   # Max length allowed for BERT is 512.
NUM_LABELS = len(raw_train[LABEL_COLUMN].unique())

MODEL_NAME = 'distilbert-base-uncased'
NUM_BASE_MODEL_OUTPUT = 768

# Flag to freeze base model
FREEZE_BASE = True

# Flag to add custom classification heads
USE_CUSTOM_HEAD = True
if USE_CUSTOM_HEAD == False:
    # Make the base trainable when no classification head exists.
    FREEZE_BASE = False


BATCH_SIZE = 16
LEARNING_RATE = 1e-2 if FREEZE_BASE else 5e-5
L2 = 0.01

分词器

tokenizer = DistilBertTokenizerFast.from_pretrained(MODEL_NAME)
def tokenize(sentences, max_length=MAX_SEQUENCE_LENGTH, padding='max_length'):
    """Tokenize using the Huggingface tokenizer
    Args:
        sentences: String or list of string to tokenize
        padding: Padding method ['do_not_pad'|'longest'|'max_length']
    """
    return tokenizer(
        sentences,
        truncation=True,
        padding=padding,
        max_length=max_length,
        return_tensors="tf"
    )

输入层

基本模型需要input_ids 和attention_mask，其形状为(max_sequence_length,)。分别使用Input 层为它们生成 Keras 张量。

# Inputs for token indices and attention masks
input_ids = tf.keras.layers.Input(shape=(MAX_SEQUENCE_LENGTH,), dtype=tf.int32, name='input_ids')
attention_mask = tf.keras.layers.Input((MAX_SEQUENCE_LENGTH,), dtype=tf.int32, name='attention_mask')

基础模型层

从基本模型生成输出。基本模型生成TFBaseModelOutput。将 [CLS] 的嵌入馈送到下一层。

base = TFDistilBertModel.from_pretrained(
    MODEL_NAME,
    num_labels=NUM_LABELS
)

# Freeze the base model weights.
if FREEZE_BASE:
    for layer in base.layers:
        layer.trainable = False
    base.summary()

# [CLS] embedding is last_hidden_state[:, 0, :]
output = base([input_ids, attention_mask]).last_hidden_state[:, 0, :]

分类层

if USE_CUSTOM_HEAD:
    # -------------------------------------------------------------------------------
    # Classifiation leayer 01
    # --------------------------------------------------------------------------------
    output = tf.keras.layers.Dropout(
        rate=0.15,
        name="01_dropout",
    )(output)
    
    output = tf.keras.layers.Dense(
        units=NUM_BASE_MODEL_OUTPUT,
        kernel_initializer='glorot_uniform',
        activation=None,
        name="01_dense_relu_no_regularizer",
    )(output)
    output = tf.keras.layers.BatchNormalization(
        name="01_bn"
    )(output)
    output = tf.keras.layers.Activation(
        "relu",
        name="01_relu"
    )(output)

    # --------------------------------------------------------------------------------
    # Classifiation leayer 02
    # --------------------------------------------------------------------------------
    output = tf.keras.layers.Dense(
        units=NUM_BASE_MODEL_OUTPUT,
        kernel_initializer='glorot_uniform',
        activation=None,
        name="02_dense_relu_no_regularizer",
    )(output)
    output = tf.keras.layers.BatchNormalization(
        name="02_bn"
    )(output)
    output = tf.keras.layers.Activation(
        "relu",
        name="02_relu"
    )(output)

Softmax 层

output = tf.keras.layers.Dense(
    units=NUM_LABELS,
    kernel_initializer='glorot_uniform',
    kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(l2=L2),
    activation='softmax',
    name="softmax"
)(output)

最终自定义模型

name = f"TIMESTAMP_MODEL_NAME.upper()"
model = tf.keras.models.Model(inputs=[input_ids, attention_mask], outputs=output, name=name)
model.compile(
    loss=tf.keras.losses.SparseCategoricalCrossentropy(from_logits=False),
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=LEARNING_RATE),
    metrics=['accuracy']
)
model.summary()
---
Layer (type)                    Output Shape         Param #     Connected to                     
==================================================================================================
input_ids (InputLayer)          [(None, 256)]        0                                            
__________________________________________________________________________________________________
attention_mask (InputLayer)     [(None, 256)]        0                                            
__________________________________________________________________________________________________
tf_distil_bert_model (TFDistilB TFBaseModelOutput(la 66362880    input_ids[0][0]                  
                                                                 attention_mask[0][0]             
__________________________________________________________________________________________________
tf.__operators__.getitem_1 (Sli (None, 768)          0           tf_distil_bert_model[1][0]       
__________________________________________________________________________________________________
01_dropout (Dropout)            (None, 768)          0           tf.__operators__.getitem_1[0][0] 
__________________________________________________________________________________________________
01_dense_relu_no_regularizer (D (None, 768)          590592      01_dropout[0][0]                 
__________________________________________________________________________________________________
01_bn (BatchNormalization)      (None, 768)          3072        01_dense_relu_no_regularizer[0][0
__________________________________________________________________________________________________
01_relu (Activation)            (None, 768)          0           01_bn[0][0]                      
__________________________________________________________________________________________________
02_dense_relu_no_regularizer (D (None, 768)          590592      01_relu[0][0]                    
__________________________________________________________________________________________________
02_bn (BatchNormalization)      (None, 768)          3072        02_dense_relu_no_regularizer[0][0
__________________________________________________________________________________________________
02_relu (Activation)            (None, 768)          0           02_bn[0][0]                      
__________________________________________________________________________________________________
softmax (Dense)                 (None, 2)            1538        02_relu[0][0]                    
==================================================================================================
Total params: 67,551,746
Trainable params: 1,185,794
Non-trainable params: 66,365,952   <--- Base BERT model is frozen

数据分配

# --------------------------------------------------------------------------------
# Split data into training and validation
# --------------------------------------------------------------------------------
raw_train = pd.read_csv("./train.csv")
train_data, validation_data, train_label, validation_label = train_test_split(
    raw_train[DATA_COLUMN].tolist(),
    raw_train[LABEL_COLUMN].tolist(),
    test_size=.2,
    shuffle=True
)

# X = dict(tokenize(train_data))
# Y = tf.convert_to_tensor(train_label)
X = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
    dict(tokenize(train_data)),  # Convert BatchEncoding instance to dictionary
    train_label
)).batch(BATCH_SIZE).prefetch(1)

V = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((
    dict(tokenize(validation_data)),  # Convert BatchEncoding instance to dictionary
    validation_label
)).batch(BATCH_SIZE).prefetch(1)

火车

# --------------------------------------------------------------------------------
# Train the model
# https://www.tensorflow.org/api_docs/python/tf/keras/Model#fit
# Input data x can be a dict mapping input names to the corresponding array/tensors, 
# if the model has named inputs. Beware of the "names". y should be consistent with x 
# (you cannot have Numpy inputs and tensor targets, or inversely). 
# --------------------------------------------------------------------------------
history = model.fit(
    x=X,    # dictionary 
    # y=Y,
    y=None,
    epochs=NUM_EPOCHS,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    validation_data=V,
)

要实现第一种方法，请按如下方式更改配置。

USE_CUSTOM_HEAD = False

然后将FREEZE_BASE 更改为False 并将LEARNING_RATE 更改为5e-5，这将在基础BERT 模型上运行进一步的预训练。

保存模型

对于第三种方法，保存模型会导致问题。不能使用 Huggingface 模型的 save_pretrained 方法，因为该模型不是 Huggingface PreTrainedModel 的直接子类。

Keras save_model 会导致默认save_traces=True 出错，或者在使用Keras load_model 加载模型时会导致save_traces=True 出现不同的错误。

---------------------------------------------------------------------------
ValueError                                Traceback (most recent call last)
<ipython-input-71-01d66991d115> in <module>()
----> 1 tf.keras.models.load_model(MODEL_DIRECTORY)
 
11 frames
/usr/local/lib/python3.7/dist-packages/tensorflow/python/keras/saving/saved_model/load.py in _unable_to_call_layer_due_to_serialization_issue(layer, *unused_args, **unused_kwargs)
    865       'recorded when the object is called, and used when saving. To manually '
    866       'specify the input shape/dtype, decorate the call function with '
--> 867       '`@tf.function(input_signature=...)`.'.format(layer.name, type(layer)))
    868 
    869 
 
ValueError: Cannot call custom layer tf_distil_bert_model of type <class 'tensorflow.python.keras.saving.saved_model.load.TFDistilBertModel'>, because the call function was not serialized to the SavedModel.Please try one of the following methods to fix this issue:
 
(1) Implement `get_config` and `from_config` in the layer/model class, and pass the object to the `custom_objects` argument when loading the model. For more details, see: https://www.tensorflow.org/guide/keras/save_and_serialize
 
(2) Ensure that the subclassed model or layer overwrites `call` and not `__call__`. The input shape and dtype will be automatically recorded when the object is called, and used when saving. To manually specify the input shape/dtype, decorate the call function with `@tf.function(input_signature=...)`.

据我测试，只有 Keras Model save_weights 有效。

实验

就我用Toxic Comment Classification Challenge 进行的测试而言，第一种方法的召回率更高（识别真正的有毒评论，真正的无毒评论）。代码可以访问如下。如果有任何问题，请提供更正/建议。

Code for 1st and 3rd approach

如何微调 HuggingFace BERT 模型以进行文本分类 [关闭]

微调方法

第一种方法

第二种方法

实施第二种方法

第三种方法

基础知识

分词器

input_ids

注意掩码

特殊令牌

[CLS]

矢量大小

基础模型 - TFDistilBertModel

实施

Python 模块

配置

分词器

输入层

基础模型层

分类层

Softmax 层

最终自定义模型

数据分配

火车

保存模型

实验

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