Transformer模型（pytorch代码详解）

Transformer

模型基本介绍

与seq2seq相比transformer是一个纯粹基于注意力的架构(自注意力同时具有并行计算和最短的最大路径长度这两个优势),没有用到任何CNN和RNN。

如下图所示，transformer是由编码器和解码器组成的。transformer的编码器和解码器是基于自注意力的模块叠加而成的，源（输入）序列和目标（输出）序列的嵌入表示将加上位置编码，再分别输入到编码器和解码器中。

多头注意力

对同一key,value,query，希望可以抽取到不同信息

• 如短距离关系和长距离关系（与卷积时的多输出通道相似）

多头注意力使用h个独立的注意力池化

• 合并各个头(head)输出得到最终结果

具体思路：

我们可以用独立学习得到的h组不同的线性投影来变换查询、键和值。 然后，这h组变换后的查询、键和值将并行地送到注意力汇聚中。 最后，将这h个注意力汇聚的输出拼接在一起， 并且通过另一个可以学习的线性投影进行变换， 以产生最终输出。 这种设计被称为多头注意力：

模型：

如上所示，额外加入了可学习参数W

该参数将query的维度从Dq映射为Pq,将key的维度从Dq映射为Kq,将value的维度从Dq映射为Vq。（这个映射通常会使数量减少）

最终再将输出的可学习参数Wo与hi的拼接结果相乘最终得到多头注意力的输出（Po）

有掩码的多头注意力

解码器对序列中一个元素输出时，不应该考虑该元素之后的元素

可以通过掩码来实现

• 也就是在计算Xi输出时，假装当前序列长度为i(将i以后的内容盖住/掩蔽)

基于位置的前馈网络

本质是一个全连接层

• 将输入形状由（b, n, d）变化为（bn, d）b为batch_size n为序列长度 d为特征维度

• 作用两个全连接层

• 输出形状由（bn, d）变化回（b, n, d）

• 等价于两层核窗口为1的一维卷积层

层归一化

批量归一化对每个特征/通道里的元素进行归一化（方差变1均值变0）

• 不适合序列长度会变得nlp应用（bn中n序列长度在不断变化）

层归一化对每个样本的元素进行归一化

如上图所示：

Batch Normalization处理的是d中的每一个b*len的矩阵（左图蓝色部分）方差变1均值变0。操作范围在每一个特征维度中。

Layer Normalization处理的是每一个batch中的len*d的矩阵（右图蓝色部分）方差变1均值变0。操作范围在单个样本内部。在变化长度时较BN更加稳定

信息传递（对应结构图中连接解码器与编码器的线）

编码器中输出y1…yn

将其作为解码中第i个Transformer块中多头注意力的key和value（query来自目标序列）

意味着编码器和解码器中块的个数和输出维度都是一样的

预测

在预测t+1个输出时，解码器中输入前t个预测值（在自注意力中，前t个预测值作为key和value，第t个预测值作为query）

在进行第t+1个预测时，已经知道了前t个预测的值

在训练的时候可以是并行的，在预测时是顺序的。

小结：

• Transformer是一个纯使用注意力的编码-解码器
• 编码器和解码器都有n个transformer块
• 每个块里使用多头(自)注意力，基于位置的前馈网络和层归一化

多头注意力实现

选择缩放点积注意力作为每一个注意力头

import math
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

#@save
class MultiHeadAttention(nn.Module):
    """多头注意力"""
    def __init__(self, key_size, query_size, value_size, num_hiddens,
                 num_heads, dropout, bias=False, **kwargs):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__(**kwargs)
        self.num_heads = num_heads
        self.attention = d2l.DotProductAttention(dropout)
        self.W_q = nn.Linear(query_size, num_hiddens, bias=bias)
        self.W_k = nn.Linear(key_size, num_hiddens, bias=bias)
        self.W_v = nn.Linear(value_size, num_hiddens, bias=bias)
        self.W_o = nn.Linear(num_hiddens, num_hiddens, bias=bias)

    def forward(self, queries, keys, values, valid_lens):
        # queries，keys，values的形状:
        # (batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_hiddens)
        # valid_lens　的形状:
        # (batch_size，)或(batch_size，查询的个数)
        # 经过变换后，输出的queries，keys，values　的形状:
        # (batch_size*num_heads，查询或者“键－值”对的个数，
        # num_hiddens/num_heads)
        queries = transpose_qkv(self.W_q(queries), self.num_heads)
        keys = transpose_qkv(self.W_k(keys), self.num_heads)
        values = transpose_qkv(self.W_v(values), self.num_heads)

        if valid_lens is not None:
            # 在轴0，将第一项（标量或者矢量）复制num_heads次，
            # 然后如此复制第二项，然后诸如此类。
            valid_lens = torch.repeat_interleave(
                valid_lens, repeats=self.num_heads, dim=0)

        # output的形状:(batch_size*num_heads，查询的个数，
        # num_hiddens/num_heads)
        output = self.attention(queries, keys, values, valid_lens)

        # output_concat的形状:(batch_size，查询的个数，num_hiddens)
        output_concat = transpose_output(output, self.num_heads)
        return self.W_o(output_concat)

#@save
def transpose_qkv(X, num_heads):
    """为了多注意力头的并行计算而变换形状"""
    # 输入X的形状:(batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_hiddens)
    # 输出X的形状:(batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_heads，
    # num_hiddens/num_heads)
    X = X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], num_heads, -1)

    # 输出X的形状:(batch_size，num_heads，查询或者“键－值”对的个数,
    # num_hiddens/num_heads)
    X = X.permute(0, 2, 1, 3)

    # 最终输出的形状:(batch_size*num_heads,查询或者“键－值”对的个数,
    # num_hiddens/num_heads)
    return X.reshape(-1, X.shape[2], X.shape[3])


#@save
def transpose_output(X, num_heads):
    """逆转transpose_qkv函数的操作"""
    X = X.reshape(-1, num_heads, X.shape[1], X.shape[2])
    X = X.permute(0, 2, 1, 3)
    return X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], -1)

num_hiddens, num_heads = 100, 5
attention = MultiHeadAttention(num_hiddens, num_hiddens, num_hiddens,
                               num_hiddens, num_heads, 0.5)
attention.eval()

batch_size, num_queries = 2, 4
num_kvpairs, valid_lens =  6, torch.tensor([3, 2])
X = torch.ones((batch_size, num_queries, num_hiddens))
Y = torch.ones((batch_size, num_kvpairs, num_hiddens))
attention(X, Y, Y, valid_lens).shape

Transformer实现

## from https://github.com/graykode/nlp-tutorial/tree/master/5-1.Transformer
import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt
import math


def make_batch(sentences):
    input_batch = [[src_vocab[n] for n in sentences[0].split()]]
    output_batch = [[tgt_vocab[n] for n in sentences[1].split()]]
    target_batch = [[tgt_vocab[n] for n in sentences[2].split()]]
    return torch.LongTensor(input_batch), torch.LongTensor(output_batch), torch.LongTensor(target_batch)



## 10
def get_attn_subsequent_mask(seq):
    """
    seq: [batch_size, tgt_len]
    """
    attn_shape = [seq.size(0), seq.size(1), seq.size(1)]
    # attn_shape: [batch_size, tgt_len, tgt_len]
    subsequence_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1)  # 生成一个上三角矩阵
    subsequence_mask = torch.from_numpy(subsequence_mask).byte()
    return subsequence_mask  # [batch_size, tgt_len, tgt_len]


## 7. ScaledDotProductAttention
class ScaledDotProductAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ScaledDotProductAttention, self).__init__()

    def forward(self, Q, K, V, attn_mask):
        ## 输入进来的维度分别是 [batch_size x n_heads x len_q x d_k]  K： [batch_size x n_heads x len_k x d_k]  V: [batch_size x n_heads x len_k x d_v]
        ##首先经过matmul函数得到的scores形状是 : [batch_size x n_heads x len_q x len_k]
        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-1, -2)) / np.sqrt(d_k)

        ## 然后关键词地方来了，下面这个就是用到了我们之前重点讲的attn_mask，把被mask的地方置为无限小，softmax之后基本就是0，对q的单词不起作用
        scores.masked_fill_(attn_mask, -1e9) # Fills elements of self tensor with value where mask is one.
        attn = nn.Softmax(dim=-1)(scores)
        context = torch.matmul(attn, V)
        return context, attn


## 6. MultiHeadAttention
class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        ## 输入进来的QKV是相等的，我们会使用映射linear做一个映射得到参数矩阵Wq, Wk,Wv
        self.W_Q = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads)
        self.W_K = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads)
        self.W_V = nn.Linear(d_model, d_v * n_heads)
        self.linear = nn.Linear(n_heads * d_v, d_model)
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_model)

    def forward(self, Q, K, V, attn_mask):

        ## 这个多头分为这几个步骤，首先映射分头，然后计算atten_scores，然后计算atten_value;
        ##输入进来的数据形状： Q: [batch_size x len_q x d_model], K: [batch_size x len_k x d_model], V: [batch_size x len_k x d_model]
        residual, batch_size = Q, Q.size(0)
        # (B, S, D) -proj-> (B, S, D) -split-> (B, S, H, W) -trans-> (B, H, S, W)

        ##下面这个就是先映射，后分头；一定要注意的是q和k分头之后维度是一致额，所以一看这里都是dk
        q_s = self.W_Q(Q).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)  # q_s: [batch_size x n_heads x len_q x d_k]
        k_s = self.W_K(K).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)  # k_s: [batch_size x n_heads x len_k x d_k]
        v_s = self.W_V(V).view(batch_size, -1, n_heads, d_v).transpose(1,2)  # v_s: [batch_size x n_heads x len_k x d_v]

        ## 输入进行的attn_mask形状是 batch_size x len_q x len_k，然后经过下面这个代码得到 新的attn_mask : [batch_size x n_heads x len_q x len_k]，就是把pad信息重复了n个头上
        attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).repeat(1, n_heads, 1, 1)


        ##然后我们计算 ScaledDotProductAttention 这个函数，去7.看一下
        ## 得到的结果有两个：context: [batch_size x n_heads x len_q x d_v], attn: [batch_size x n_heads x len_q x len_k]
        context, attn = ScaledDotProductAttention()(q_s, k_s, v_s, attn_mask)
        context = context.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, -1, n_heads * d_v) # context: [batch_size x len_q x n_heads * d_v]
        output = self.linear(context)
        return self.layer_norm(output + residual), attn # output: [batch_size x len_q x d_model]


## 8. PoswiseFeedForwardNet
class PoswiseFeedForwardNet(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(PoswiseFeedForwardNet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv1d(in_channels=d_model, out_channels=d_ff, kernel_size=1)
        self.conv2 = nn.Conv1d(in_channels=d_ff, out_channels=d_model, kernel_size=1)
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_model)

    def forward(self, inputs):
        residual = inputs # inputs : [batch_size, len_q, d_model]
        output = nn.ReLU()(self.conv1(inputs.transpose(1, 2)))
        output = self.conv2(output).transpose(1, 2)
        return self.layer_norm(output + residual)



## 4. get_attn_pad_mask

## 比如说，我现在的句子长度是5，在后面注意力机制的部分，我们在计算出来QK转置除以根号之后，softmax之前，我们得到的形状
## len_input * len*input  代表每个单词对其余包含自己的单词的影响力

## 所以这里我需要有一个同等大小形状的矩阵，告诉我哪个位置是PAD部分，之后在计算计算softmax之前会把这里置为无穷大；

## 一定需要注意的是这里得到的矩阵形状是batch_size x len_q x len_k，我们是对k中的pad符号进行标识，并没有对k中的做标识，因为没必要

## seq_q 和 seq_k 不一定一致，在交互注意力，q来自解码端，k来自编码端，所以告诉模型编码这边pad符号信息就可以，解码端的pad信息在交互注意力层是没有用到的；

def get_attn_pad_mask(seq_q, seq_k):
    batch_size, len_q = seq_q.size()
    batch_size, len_k = seq_k.size()
    # eq(zero) is PAD token
    pad_attn_mask = seq_k.data.eq(0).unsqueeze(1)  # batch_size x 1 x len_k, one is masking
    return pad_attn_mask.expand(batch_size, len_q, len_k)  # batch_size x len_q x len_k


## 3. PositionalEncoding 代码实现
class PositionalEncoding(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, dropout=0.1, max_len=5000):
        super(PositionalEncoding, self).__init__()

        ## 位置编码的实现其实很简单，直接对照着公式去敲代码就可以，下面这个代码只是其中一种实现方式；
        ## 从理解来讲，需要注意的就是偶数和奇数在公式上有一个共同部分，我们使用log函数把次方拿下来，方便计算；
        ## pos代表的是单词在句子中的索引，这点需要注意；比如max_len是128个，那么索引就是从0，1，2，...,127
        ##假设我的demodel是512，2i那个符号中i从0取到了255，那么2i对应取值就是0,2,4...510
        self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)

        pe = torch.zeros(max_len, d_model)
        position = torch.arange(0, max_len, dtype=torch.float).unsqueeze(1)
        div_term = torch.exp(torch.arange(0, d_model, 2).float() * (-math.log(10000.0) / d_model))
        pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)## 这里需要注意的是pe[:, 0::2]这个用法，就是从0开始到最后面，补长为2，其实代表的就是偶数位置
        pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)##这里需要注意的是pe[:, 1::2]这个用法，就是从1开始到最后面，补长为2，其实代表的就是奇数位置
        ## 上面代码获取之后得到的pe:[max_len*d_model]

        ## 下面这个代码之后，我们得到的pe形状是：[max_len*1*d_model]
        pe = pe.unsqueeze(0).transpose(0, 1)

        self.register_buffer('pe', pe)  ## 定一个缓冲区，其实简单理解为这个参数不更新就可以

    def forward(self, x):
        """
        x: [seq_len, batch_size, d_model]
        """
        x = x + self.pe[:x.size(0), :]
        return self.dropout(x)


## 5. EncoderLayer ：包含两个部分，多头注意力机制和前馈神经网络
class EncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(EncoderLayer, self).__init__()
        self.enc_self_attn = MultiHeadAttention()
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet()

    def forward(self, enc_inputs, enc_self_attn_mask):
        ## 下面这个就是做自注意力层，输入是enc_inputs，形状是[batch_size x seq_len_q x d_model] 需要注意的是最初始的QKV矩阵是等同于这个输入的，去看一下enc_self_attn函数 6.
        enc_outputs, attn = self.enc_self_attn(enc_inputs, enc_inputs, enc_inputs, enc_self_attn_mask) # enc_inputs to same Q,K,V
        enc_outputs = self.pos_ffn(enc_outputs) # enc_outputs: [batch_size x len_q x d_model]
        return enc_outputs, attn


## 2. Encoder 部分包含三个部分：词向量embedding，位置编码部分，注意力层及后续的前馈神经网络

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.src_emb = nn.Embedding(src_vocab_size, d_model)  ## 这个其实就是去定义生成一个矩阵，大小是 src_vocab_size * d_model
        self.pos_emb = PositionalEncoding(d_model) ## 位置编码情况，这里是固定的正余弦函数，也可以使用类似词向量的nn.Embedding获得一个可以更新学习的位置编码
        self.layers = nn.ModuleList([EncoderLayer() for _ in range(n_layers)]) ## 使用ModuleList对多个encoder进行堆叠，因为后续的encoder并没有使用词向量和位置编码，所以抽离出来；

    def forward(self, enc_inputs):
        ## 这里我们的 enc_inputs 形状是： [batch_size x source_len]

        ## 下面这个代码通过src_emb，进行索引定位，enc_outputs输出形状是[batch_size, src_len, d_model]
        enc_outputs = self.src_emb(enc_inputs) #把数字索引转化为对应的向量

        ## 这里就是位置编码，把两者相加放入到了这个函数里面，从这里可以去看一下位置编码函数的实现；3.
        enc_outputs = self.pos_emb(enc_outputs.transpose(0, 1)).transpose(0, 1)

        ##get_attn_pad_mask是为了得到句子中pad的位置信息，给到模型后面，在计算自注意力和交互注意力的时候去掉pad符号的影响，去看一下这个函数 4.
        enc_self_attn_mask = get_attn_pad_mask(enc_inputs, enc_inputs)
        enc_self_attns = []
        for layer in self.layers:
            ## 去看EncoderLayer 层函数 5.
            enc_outputs, enc_self_attn = layer(enc_outputs, enc_self_attn_mask)
            enc_self_attns.append(enc_self_attn)
        return enc_outputs, enc_self_attns

## 10.
class DecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(DecoderLayer, self).__init__()
        self.dec_self_attn = MultiHeadAttention()
        self.dec_enc_attn = MultiHeadAttention()
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet()

    def forward(self, dec_inputs, enc_outputs, dec_self_attn_mask, dec_enc_attn_mask):
        dec_outputs, dec_self_attn = self.dec_self_attn(dec_inputs, dec_inputs, dec_inputs, dec_self_attn_mask)
        dec_outputs, dec_enc_attn = self.dec_enc_attn(dec_outputs, enc_outputs, enc_outputs, dec_enc_attn_mask)
        dec_outputs = self.pos_ffn(dec_outputs)
        return dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn

## 9. Decoder

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.tgt_emb = nn.Embedding(tgt_vocab_size, d_model)
        self.pos_emb = PositionalEncoding(d_model)
        self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer() for _ in range(n_layers)])

    def forward(self, dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs): # dec_inputs : [batch_size x target_len]
        dec_outputs = self.tgt_emb(dec_inputs)  # [batch_size, tgt_len, d_model]
        dec_outputs = self.pos_emb(dec_outputs.transpose(0, 1)).transpose(0, 1) # [batch_size, tgt_len, d_model]

        ## get_attn_pad_mask 自注意力层的时候的pad 部分
        dec_self_attn_pad_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, dec_inputs)

        ## get_attn_subsequent_mask 这个做的是自注意层的mask部分，就是当前单词之后看不到，使用一个上三角为1的矩阵
        dec_self_attn_subsequent_mask = get_attn_subsequent_mask(dec_inputs)

        ## 两个矩阵相加，大于0的为1，不大于0的为0，为1的在之后就会被fill到无限小
        dec_self_attn_mask = torch.gt((dec_self_attn_pad_mask + dec_self_attn_subsequent_mask), 0)


        ## 这个做的是交互注意力机制中的mask矩阵，enc的输入是k，我去看这个k里面哪些是pad符号，给到后面的模型；注意哦，我q肯定也是有pad符号，但是这里我不在意的，之前说了好多次了哈
        dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, enc_inputs)

        dec_self_attns, dec_enc_attns = [], []
        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)
        return dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns


## 1. 从整体网路结构来看，分为三个部分：编码层，解码层，输出层
class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.encoder = Encoder()  ## 编码层
        self.decoder = Decoder()  ## 解码层
        # 输出层 d_model 是我们解码层每个token输出的维度大小，之后会做一个 tgt_vocab_size 大小的softmax
        self.projection = nn.Linear(d_model, tgt_vocab_size, bias=False)

    def forward(self, enc_inputs, dec_inputs):
        # 这里有两个数据进行输入，一个是enc_inputs 形状为[batch_size, src_len]，主要是作为编码段的输入，一个dec_inputs，形状为[batch_size, tgt_len]，主要是作为解码端的输入
        # enc_inputs作为输入 形状为[batch_size, src_len]，输出由自己的函数内部指定，想要什么指定输出什么，可以是全部tokens的输出，可以是特定每一层的输出；也可以是中间某些参数的输出；
        # enc_outputs就是主要的输出，enc_self_attns这里没记错的是QK转置相乘之后softmax之后的矩阵值，代表的是每个单词和其他单词相关性；
        enc_outputs, enc_self_attns = self.encoder(enc_inputs)

        # dec_outputs 是decoder主要输出，用于后续的linear映射； dec_self_attns类比于enc_self_attns 是查看每个单词对decoder中输入的其余单词的相关性；dec_enc_attns是decoder中每个单词对encoder中每个单词的相关性；
        dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns = self.decoder(dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs)

        # dec_outputs做映射到词表大小
        dec_logits = self.projection(dec_outputs) # dec_logits : [batch_size x src_vocab_size x tgt_vocab_size]
        return dec_logits.view(-1, dec_logits.size(-1)), enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns



if __name__ == '__main__':

    ## 句子的输入部分，
    sentences = ['ich mochte ein bier P', 'S i want a beer', 'i want a beer E']


    # Transformer Parameters
    # Padding Should be Zero
    ## 构建词表
    src_vocab = {
    
    'P': 0, 'ich': 1, 'mochte': 2, 'ein': 3, 'bier': 4}
    src_vocab_size = len(src_vocab)

    tgt_vocab = {
    
    'P': 0, 'i': 1, 'want': 2, 'a': 3, 'beer': 4, 'S': 5, 'E': 6}
    tgt_vocab_size = len(tgt_vocab)

    src_len = 5  # length of source
    tgt_len = 5  # length of target

    # 模型参数
    d_model = 512  # Embedding Size
    d_ff = 2048  # FeedForward dimension
    d_k = d_v = 64  # dimension of K(=Q), V
    n_layers = 6  # number of Encoder of Decoder Layer
    n_heads = 8  # number of heads in Multi-Head Attention

    model = Transformer()

    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

    enc_inputs, dec_inputs, target_batch = make_batch(sentences)

    for epoch in range(20):
        optimizer.zero_grad()
        outputs, enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns = model(enc_inputs, dec_inputs)
        loss = criterion(outputs, target_batch.contiguous().view(-1))
        print('Epoch:', '%04d' % (epoch + 1), 'cost =', '{:.6f}'.format(loss))
        loss.backward()
        optimizer.step()