Pytorch学习记录-torchtext和Pytorch的实例6

0. PyTorch Seq2Seq项目介绍

在完成基本的torchtext之后，找到了这个教程，《基于Pytorch和torchtext来理解和实现seq2seq模型》。
这个项目主要包括了6个子项目

1. 使用神经网络训练Seq2Seq
2. 使用RNN encoder-decoder训练短语表示用于统计机器翻译
3. 使用共同学习完成NMT的堆砌和翻译
4. 打包填充序列、掩码和推理
5. 卷积Seq2Seq
6. Transformer

6. Transformer

OK，来到最后一章，Transformer，又回到这个模型啦，绕不开的，依旧没有讲解，只能看看代码。
来源不用说了，《Attention is all you need》。Transformer在之前复习了多次，这次也一样，不知道教程会如何实现，反正之前学得挺痛苦的。

6.1 准备数据

这里使用了一个新的数据集TranslationDataset，机器翻译数据集是 TranslationDataset 类的子类。

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

import torchtext
#机器翻译数据集是 TranslationDataset 类的子类。
from torchtext.datasets import TranslationDataset, Multi30k
from torchtext.data import Field, BucketIterator

import spacy

import random
import math
import os
import time

SEED=1234
random.seed(SEED)
torch.manual_seed(SEED)
torch.backends.cudnn.deterministic=True

spacy_de = spacy.load('de')
spacy_en = spacy.load('en')

def tokenize_de(text):
    return [tok.text for tok in spacy_de.tokenizer(text)]
def tokenize_en(text):
    return [tok.text for tok in spacy_en.tokenizer(text)]

SRC=Field(tokenize=tokenize_de,
         init_token='<sos>',
         eos_token='<eos>',
         lower=True,
         batch_first=True)
TRG=Field(tokenize=tokenize_en,
         init_token='<sos>',
         eos_token='<eos>',
         lower=True,
         batch_first=True)

train_data,valid_data,test_data=Multi30k.splits(
    exts=('.de','.en'),
    fields=(SRC, TRG)
)
SRC.build_vocab(train_data,min_freq=2)
TRG.build_vocab(train_data,min_freq=2)

device=torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
print(device)
BATCH_SIZE=128
train_iterator, valid_iterator, test_iterator=BucketIterator.splits(
    (train_data,valid_data,test_data),
    batch_size=BATCH_SIZE,
    device=device
)

6.2 构建模型

Transformer结构图

6.2.1 encoder和decoder

Transformer模型使用经典的encoer-decoder架构，由encoder和decoder两部分组成。
可以看到两侧的N_x表示encoer和decoder各有多少层。

encoder和decoder.png

在原始论文中，encoder和decoder都包含有6层。
encoder的每一层是由一个Multi head self-attention和一个FeedForward构成，两个部分都会使用残差连接（residual connection）和Layer Normalization。
decoder的每一层比encoder多了一个multi-head context-attention，即是说，每一层包括multi-head context-attention、Multi head self-attention和一个FeedForward，同样三个部分都会使用残差连接（residual connection）和Layer Normalization。
encoder和decoder通过context-attention进行连接。
对比会发现，红框是相同的，蓝框是多出来的那个block。

6.2.2 使用多种attention机制（multi-head context-attention、multi-head self-attention）

在图中，每块就是一个block，可以看到里面所使用的机制。似乎都有一个***-attention
attention对于某个时刻的输出y，它在输入x上各个部分的注意力。这个注意力实际上可以理解为权重。

看到了encoder和decoder里面的block，就自然会考虑“什么是Attention”。
前面已经说了，Attention实际上可以理解为权重。attention机制也可以分成很多种。Attention? Attention!一文有一张比较全面的表格

image.png

6.2.2.1 multi head self-attention

attention机制有两个隐状态，分别是输入序列隐状态和输出序列隐状态，前者是输入序列第i个位置产生的隐状态，后者是输出序列在第t个位置产生的隐状态。
所谓multi head self-attention实际上就是输出序列就是输入序列，即是说计算自己的attention得分，就叫做self-attention。

6.2.2.2 multi head context-attention

multi head context-attention是encoder和decoder之间的attention，是两个不同序列之间的attention，与self-attention相区别。

6.2.2.3 如何实现Attention？

Attention的实现有很多种方式，上面的表列出了7种attention，在Transformer中，使用的是scaled dot-product attention。
为什么使用scaled dot-product attention。Google给出的解答就是Q（Query）、V（Value）、K（Key），注意看看这里的描述。通过query和key的相似性程度来确定value的权重分布。

scaled dot-product attention 和 dot-product attention 唯一的区别就是，scaled dot-product attention 有一个缩放因子， 叫。 表示 Key 的维度，默认用 64。
使用缩放因子的原因是，对于d_k很大的时候，点积得到的结果维度很大，使得结果处于softmax函数梯度很小的区域。而在梯度很小的情况时，对反向传播不利。为了克服这个负面影响，除以一个缩放因子，可以一定程度上减缓这种情况。

我们对比一下公式和论文中的图示。

image.png

以下为实现scaled dot-product attention的算法和图示对比，我尽量搞得清楚点。

QK.png

可以发现scale就是比例的意思，所以多了scale就是多了一个。

scaled.png

接下来就是一个softmax，然后与V相乘

final.png

在decoder的self-attention中，Q、K、V都来自于同一个地方（相等），它们是上一层decoder的输出。对于第一层decoder，它们就是word embedding和positional encoding相加得到的输入。但是对于decoder，我们不希望它能获得下一个time step（即将来的信息），因此我们需要进行sequence masking。可以看到里面还有一个Mask，这个在下面会详细介绍。

6.2.2.4 如何实现multi-heads attention？

理解了Scaled dot-product attention，Multi-head attention也很简单了。论文提到，他们发现将Q、K、V通过一个线性映射之后，分成h份，对每一份进行scaled dot-product attention效果更好。然后，把各个部分的结果合并起来，再次经过线性映射，得到最终的输出。这就是所谓的multi-head attention。上面的超参数h就是heads数量。论文默认是8。
Multi-head attention允许模型加入不同位置的表示子空间的信息。
我们对比一下公式和论文中的图示。

multi-heads attention.png

6.2.3 使用Layer-Normalization机制

Normalization的一种，把输入转化成均值为0方差为1的数据。是在每一个样本上计算均值和方差。
层归一对应的是每个block中的Norm

image.png

层归一（Layer Normalization）与批归一（Batch Normalization）的区别就在于：

• BN在每一层的每一批数据上进行归一化（计算均值和方差）
• LN在每一个样本上计算均值和方差
  层归一公式
  
  其中是x最后一个维度的均值（看实现的源码是这样解释，但是为什么是最后一个维度呢）
  层归一示意图
  
  LayerNormalization.png

6.2.4 使用Mask机制

用于对输入序列进行对齐。这里使用的是padding mask和sequence mask。
mask掩码，在Transformer中就是对某些值进行掩盖，使其在参数更新时不产生效果。
Transformer模型涉及两种mask。

• padding mask

• sequence mask，这个在之前decoder中已经见过，使用在multi-heads context-attention中。
  其中，padding mask在所有的scaled dot-product attention里面都需要用到，而sequence mask只有在decoder的multi-heads context-attention里面用到。

  
  
  两种mask使用的位置对比.png
  
  

  所以，我们之前ScaledDotProductAttention的forward方法里面的参数attn_mask在不同的地方会有不同的含义。这一点我们会在后面说明。

6.2.4.1 padding mask

说白了就是对齐每一句话，每个批次输入序列长度是不一样的。就是说要以最长的那句话为标准，其他句子少一个词就填充一个0。因为这些填充的位置是没有意义的，attention机制不应该把注意力放在这些位置上，所以我们需要进行一些处理。
操作方法就是把这些位置的值加上一个非常大的负数(可以是负无穷)，这样的话，经过softmax，这些位置的概率就会接近0。
padding mask是一个张量，每个值都是一个Boolen，值为False的地方就是我们要进行处理的地方。

6.2.4.2 sequence mask

sequence mask是为了使得decoder不能看见未来的信息。也就是对于一个序列，在time_step为t的时刻，我们的解码输出应该只能依赖于t时刻之前的输出，而不能依赖t之后的输出。因此我们需要想一个办法，把t之后的信息给隐藏起来。
这部分具体操作：产生一个上三角矩阵，上三角的值全为1，下三角的值全为0，对角线也是0。把这个矩阵作用在每一个序列上。
没看懂，好像第一次看这部分也是没看懂，等下实现的时候看看吧，不知道这句话的意思。

6.2.5 使用残差residual connection

避免梯度消失。
残差连接对应的是每个block中的add

image.png

残差连接示意图如下。

残差连接

6.2.6 使用Positional-encoding

对序列中的词语出现的位置进行编码。这样模型就可以捕捉顺序信息。
在处理完模型的各个模块后，开始关注数据的输入部分，在这里重点是位置编码。与CNN和RNN不同，Transformer模型对于序列没有编码，这就导致无法获取每个词之间的关系，也就是无法构成有意义的语句。
为了解决这个问题。论文提出了Positional encoding。核心就是对序列中的词语出现的位置进行编码。如果对位置进行编码，那么我们的模型就可以捕捉顺序信息。
论文使用正余弦函数实现位置编码。这样做的好处就是不仅可以获取词的绝对位置信息，还可以获取相对位置信息。


其中，pos是指词语在序列中的位置。可以看出，在偶数位置，使用正弦编码，在奇数位置，使用余弦编码。

相对位置信息通过以下公式实现


上面的公式说明，对于词汇之间的位置偏移k，可以表示成和的组合形式，这就是表达相对位置的能力。

6.2.7 Position-wise Feed-Forward network

除了attention子层之外，encoder和decoder中的每个层都包含一个完全连接的前馈网络（Feed-forward network），该网络分别和相同地应用于每个位置。这包括两个线性变换和一个ReLU激活。

虽然线性变换在不同位置上是相同的，但它们在层与层之间使用不同的参数。另一种描述这种情况的方法是两个内核大小为1的卷积。输入和输出的维数是512，而中间层维度为2048。