百闻不如一码！手把手教你用Python搭一个Transformer

大数据文摘出品

编译：林安安、钱天培

与基于RNN的手把手教方法相比，Transformer 不需要循环，百闻不码主要是手把手教由Attention 机制组成，因而可以充分利用python的百闻不码高效线性代数函数库，大量节省训练时间。手把手教

可是百闻不码，文摘菌却经常听到同学抱怨，手把手教Transformer学过就忘，百闻不码总是手把手教不得要领。

怎么办？百闻不码那就自己搭一个Transformer吧！

上图是谷歌提出的transformer 架构，其本质上是百闻不码一个Encoder-Decoder的结构。把英文句子输入模型，手把手教模型会输出法文句子。百闻不码

要搭建Transformer，我们必须要了解5个过程:

词向量层

位置编码

创建Masks

多头注意层（The Multi-Head Attention layer）

Feed Forward层

词向量

词向量是神经网络机器翻译（NMT）的标准训练方法，能够表达丰富的词义信息。

在pytorch里很容易实现词向量：

class Embedder(nn.Module):    def __init__(self, vocab_size, d_model):

       super().__init__()

       self.embed = nn.Embedding(vocab_size, d_model)

   def forward(self, x):        return self.embed(x)

当每个单词进入后，代码就会查询和检索词向量。模型会把这些向量当作参数进行学习，并随着梯度下降的站群服务器每次迭代而调整。

给单词赋予上下文语境：位置编程

模型理解一个句子有两个要素：一是单词的含义，二是单词在句中所处的位置。

每个单词的嵌入向量会学习单词的含义，所以我们需要输入一些信息，让神经网络知道单词在句中所处的位置。

Vasmari用下面的函数创建位置特异性常量来解决这类问题：

这个常量是一个2D矩阵。Pos代表了句子的顺序，i代表了嵌入向量所处的维度位置。在pos/i矩阵中的每一个值都可以通过上面的算式计算出来。

位置编码矩阵是一个常量，它的值可以用上面的算式计算出来。把常量嵌入矩阵，然后每个嵌入的单词会根据它所处的位置发生特定转变。

位置编辑器的香港云服务器代码如下所示：

class PositionalEncoder(nn.Module):    def __init__(self, d_model, max_seq_len = 80):

       super().__init__()

       self.d_model = d_model

       # create constant pe matrix with values dependant on        # pos and i

       pe = torch.zeros(max_seq_len, d_model)

       for pos in

range(max_seq_len):

           for i in range(0, d_model, 2

):

               pe[pos, i] = \

               math.sin(pos / (10000 ** ((2

* i)/d_model)))

               pe[pos, i + 1

] = \

               math.cos(pos / (10000 ** ((2 * (i + 1

))/d_model)))

       pe = pe.unsqueeze(0

)

       self.register_buffer(pe

, pe)

   def forward(self, x):        # make embeddings relatively larger

       x = x * math.sqrt(self.d_model)

       #add constant to embedding        seq_len = x.size(1

)

       x = x + Variable(self.pe[:,:seq_len], \

       requires_grad=False

).cuda()

       return x

以上模块允许我们向嵌入向量添加位置编码（positional encoding），为模型架构提供信息。

在给词向量添加位置编码之前，我们要扩大词向量的数值，目的是让位置编码相对较小。这意味着向词向量添加位置编码时，词向量的原始含义不会丢失。

创建Masks

Masks在transformer模型中起重要作用，主要包括两个方面：

在编码器和解码器中：当输入为padding，注意力会是0。

在解码器中：预测下一个单词，避免解码器偷偷看到后面的翻译内容。

输入端生成一个mask很简单：

batch = next(iter(train_iter))

input_seq = batch.English.transpose(0,1

)

input_pad = EN_TEXT.vocab.stoi[<pad>

]

# creates mask with 0s wherever there is padding in the inputinput_msk = (input_seq != input_pad).unsqueeze(1)

同样的，Target_seq也可以生成一个mask，但是会额外增加一个步骤：

# create mask as beforetarget_seq = batch.French.transpose(0,1

)

target_pad = FR_TEXT.vocab.stoi[<pad>

]

target_msk = (target_seq != target_pad).unsqueeze(1

)

size = target_seq.size(1) # get seq_len for matrixnopeak_mask = np.triu(np.ones(1

, size, size),

k=1).astype(uint8

)

nopeak_mask = Variable(torch.from_numpy(nopeak_mask) == 0

)

target_msk = target_msk & nopeak_mask

目标语句（法语翻译内容）作为初始值输进解码器中。解码器通过编码器的全部输出，以及目前已翻译的单词来预测下一个单词。

因此，我们需要防止解码器偷看到还没预测的单词。为了达成这个目的，我们用到了nopeak_mask函数：

当在注意力函数中应用mask，服务器托管每一次预测都只会用到这个词之前的句子。

多头注意力

一旦我们有了词向量(带有位置编码)和masks，我们就可以开始构建模型层了。

下图是多头注意力的结构：

多头注意力层，每一个输入都会分成多头（multiple heads），从而让网络同时“注意”每一个词向量的不同部分。

V,K和Q分别代表“key”、“value”和“query”，这些是注意力函数的相关术语，但我不觉得解释这些术语会对理解这个模型有任何帮助。

在编码器中，V、K和G将作为词向量（加上位置编码）的相同拷贝。它们具有维度Batch_size * seq_len * d_model.

在多头注意力中，我们把嵌入向量分进N个头中，它们就有了维度（batch_size * N * seq_len * (d_model / N).

我们定义最终维度 (d_model / N )为d_k。

让我们来看看解码器模块的代码：

class MultiHeadAttention(nn.Module):    def __init__(self, heads, d_model, dropout = 0.1):

       super().__init__()

       self.d_model = d_model

       self.d_k = d_model // heads

       self.h = heads

       self.q_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

       self.v_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

       self.k_linear = nn.Linear(d_model, d_model)

       self.dropout = nn.Dropout(dropout)

       self.out = nn.Linear(d_model, d_model)

def forward(self, q, k, v, mask=None):        bs = q.size(0

)

       # perform linear operation and split into h heads        k = self.k_linear(k).view(bs, -1

, self.h, self.d_k)

       q = self.q_linear(q).view(bs, -1

, self.h, self.d_k)

       v = self.v_linear(v).view(bs, -1

, self.h, self.d_k)

       # transpose to get dimensions bs * h * sl * d_model        k = k.transpose(1,2

)

       q = q.transpose(1,2

)

       v = v.transpose(1,2

)

# calculate attention using function we will define next

       scores = attention(q, k, v, self.d_k, mask, self.dropout)

       # concatenate heads and put through final linear layer        concat = scores.transpose(1,2

).contiguous()\

       .view(bs, -1

, self.d_model)

       output = self.out(concat)

       return output

计算注意力

计算注意力的公式

图解公式

这是另一个我们需要了解的公式，上面这幅图很好地解释了这个公式。

图中的每个箭头代表了公式的一部分。

首先，我们要用Q乘以K的转置函数（transpose），然后通过除以d_k的平方根来实现scaled函数。

方程中没有显示的一个步骤是masking。在执行Softmax之前，我们使用mask，减少输入填充（padding）的值。

另一个未显示的步骤是dropout，我们将在Softmax之后使用它。

最后一步是在目前为止的结果和V之间做点积（dot product）。

下面是注意力函数的代码：

def attention(q, k, v, d_k, mask=None, dropout=None):    scores = torch.matmul(q, k.transpose(-2, -1

)) /  math.sqrt(d_k)

if mask is not None

:

       mask = mask.unsqueeze(1

)

       scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9

)

scores = F.softmax(scores, dim=-1

)

   if dropout is not None

:

       scores = dropout(scores)

   output = torch.matmul(scores, v)

   return output

前馈网络

好了，如果你现在已经理解以上部分，我们就进入最后一步！

这一层由两个线性运算组成，两层中夹有relu和dropout 运算。

class FeedForward(nn.Module):    def __init__(self, d_model, d_ff=2048, dropout = 0.1):

       super().__init__()

       # We set d_ff as a default to 2048

       self.linear_1 = nn.Linear(d_model, d_ff)

       self.dropout = nn.Dropout(dropout)

       self.linear_2 = nn.Linear(d_ff, d_model)

   def forward(self, x):

       x = self.dropout(F.relu(self.linear_1(x)))

       x = self.linear_2(x)

       return x

最后一件事：归一化

在深度神经网络中，归一化是非常重要的。它可以防止层中值变化太多，这意味着模型训练速度更快，具有更好的泛化。

我们在编码器/解码器的每一层之间归一化我们的结果，所以在构建我们的模型之前，让我们先定义这个函数:

class Norm(nn.Module):    def __init__(self, d_model, eps = 1e-6):

       super().__init__()

       self.size = d_model

       # create two learnable parameters to calibrate normalisation

       self.alpha = nn.Parameter(torch.ones(self.size))

       self.bias = nn.Parameter(torch.zeros(self.size))

       self.eps = eps

   def forward(self, x):        norm = self.alpha * (x - x.mean(dim=-1, keepdim=True

)) \

       / (x.std(dim=-1, keepdim=True

) + self.eps) + self.bias

       return norm

把所有内容结合起来！

如果你已经清楚了上述相关细节，那么你就能理解Transformer模型啦。剩下的就是把一切都组装起来。

让我们再来看看整体架构，然后开始构建:

最后一个变量:如果你仔细看图，你可以看到编码器和解码器旁边有一个“Nx”。实际上，上图中的编码器和解码器分别表示编码器的一层和解码器的一层。N是层数的变量。比如，如果N=6，数据经过6个编码器层(如上所示的结构)，然后将这些输出传给解码器，解码器也由6个重复的解码器层组成。

现在，我们将使用上面模型中所示的结构构建编码器层和解码器层模块。在我们构建编码器和解码器时，我们可以决定层的数量。

# build an encoder layer with one multi-head attention layer and one # feed-forward layerclass EncoderLayer(nn.Module):    def __init__(self, d_model, heads, dropout = 0.1):

       super().__init__()

       self.norm_1 = Norm(d_model)

       self.norm_2 = Norm(d_model)

       self.attn = MultiHeadAttention(heads, d_model)

       self.ff = FeedForward(d_model)

       self.dropout_1 = nn.Dropout(dropout)

       self.dropout_2 = nn.Dropout(dropout)

   def forward(self, x, mask):

       x2 = self.norm_1(x)

       x = x + self.dropout_1(self.attn(x2,x2,x2,mask))

       x2 = self.norm_2(x)

       x = x + self.dropout_2(self.ff(x2))

       return

x

# build a decoder layer with two multi-head attention layers and# one feed-forward layerclass DecoderLayer(nn.Module):    def __init__(self, d_model, heads, dropout=0.1):

       super().__init__()

       self.norm_1 = Norm(d_model)

       self.norm_2 = Norm(d_model)

       self.norm_3 = Norm(d_model)

       self.dropout_1 = nn.Dropout(dropout)

       self.dropout_2 = nn.Dropout(dropout)

       self.dropout_3 = nn.Dropout(dropout)

       self.attn_1 = MultiHeadAttention(heads, d_model)

       self.attn_2 = MultiHeadAttention(heads, d_model)

       self.ff = FeedForward(d_model).cuda()

def forward(self, x, e_outputs, src_mask, trg_mask):

       x2 = self.norm_1(x)

       x = x + self.dropout_1(self.attn_1(x2, x2, x2, trg_mask))

       x2 = self.norm_2(x)

       x = x + self.dropout_2(self.attn_2(x2, e_outputs, e_outputs,

       src_mask))

       x2 = self.norm_3(x)

       x = x + self.dropout_3(self.ff(x2))

       return

x

# We can then build a convenient cloning function that can generate multiple layers:def get_clones(module, N):    return nn.ModuleList([copy.deepcopy(module) for i in range(N)])

我们现在可以构建编码器和解码器了：

class Encoder(nn.Module):    def __init__(self, vocab_size, d_model, N, heads):

       super().__init__()

       self.N = N

       self.embed = Embedder(vocab_size, d_model)

       self.pe = PositionalEncoder(d_model)

       self.layers = get_clones(EncoderLayer(d_model, heads), N)

       self.norm = Norm(d_model)

   def forward(self, src, mask):

       x = self.embed(src)

       x = self.pe(x)

       for i in

range(N):

           x = self.layers[i](x, mask)

       return

self.norm(x)

class Decoder(nn.Module):    def __init__(self, vocab_size, d_model, N, heads):

       super().__init__()

       self.N = N

       self.embed = Embedder(vocab_size, d_model)

       self.pe = PositionalEncoder(d_model)

       self.layers = get_clones(DecoderLayer(d_model, heads), N)

       self.norm = Norm(d_model)

   def forward(self, trg, e_outputs, src_mask, trg_mask):

       x = self.embed(trg)

       x = self.pe(x)

       for i in

range(self.N):

           x = self.layers[i](x, e_outputs, src_mask, trg_mask)

       return self.norm(x)

Transformer模型构建完毕！

class Transformer(nn.Module):    def __init__(self, src_vocab, trg_vocab, d_model, N, heads):

       super().__init__()

       self.encoder = Encoder(src_vocab, d_model, N, heads)

       self.decoder = Decoder(trg_vocab, d_model, N, heads)

       self.out = nn.Linear(d_model, trg_vocab)

   def forward(self, src, trg, src_mask, trg_mask):

       e_outputs = self.encoder(src, src_mask)

       d_output = self.decoder(trg, e_outputs, src_mask, trg_mask)

       output = self.out(d_output)

       return

output

# we dont perform softmax on the output as this will be handled# automatically by our loss function

训练模型

构建完transformer，接下来要做的是用EuroParl数据集进行训练。编码部分非常简单，但是要等两天，模型才会开始converge!

让我们先来定义一些参数：

d_model = 512heads = 8N = 6

src_vocab = len(EN_TEXT.vocab)

trg_vocab = len(FR_TEXT.vocab)

model = Transformer(src_vocab, trg_vocab, d_model, N, heads)

for p in

model.parameters():

   if p.dim() > 1

:

       nn.init.xavier_uniform_(p)

# this code is very important! It initialises the parameters with a# range of values that stops the signal fading or getting too big.# See this blog for a mathematical explanation.optim = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001, betas=(0.9, 0.98), eps=1e-9)

现在，我们可以开始训练了：

def train_model(epochs, print_every=100):

   model.train()

   start = time.time()

   temp = start

   total_loss = 0    for epoch in

range(epochs):

       for i, batch in

enumerate(train_iter):

           src = batch.English.transpose(0,1

)

           trg = batch.French.transpose(0,1

)

           # the French sentence we input has all words except            # the last, as it is using each word to predict the next            trg_input = trg[:, :-1

]

           # the words we are trying to predict            targets = trg[:, 1:].contiguous().view(-1

)

           # create function to make masks using mask code above

           src_mask, trg_mask = create_masks(src, trg_input)

           preds = model(src, trg_input, src_mask, trg_mask)

           optim.zero_grad()

           loss = F.cross_entropy(preds.view(-1, preds.size(-1

)),

           results, ignore_index=target_pad)

           loss.backward()

           optim.step()

           total_loss += loss.data[0

]

           if (i + 1) % print_every == 0

:

               loss_avg = total_loss / print_every

               print(

"time = %dm, epoch %d, iter = %d, loss = %.3f,

               %ds per %d iters" % ((time.time() - start) // 60

,

               epoch + 1, i + 1

, loss_avg, time.time() - temp,

               print_every))

               total_loss = 0                temp = time.time()

示例训练输出：经过几天的训练后，模型的损失函数收敛到了大约1.3。

测试模型

我们可以使用下面的函数来翻译句子。我们可以直接输入句子，或者输入自定义字符串。

翻译器通过运行一个循环来工作。我们对英语句子进行编码。把<sos> token输进解码器，编码器输出。然后，解码器对第一个单词进行预测，使用<sos> token将其加进解码器的输入。接着，重新运行循环，获取下一个单词预测，将其加入解码器的输入，直到<sos> token完成翻译。

def translate(model, src, max_len = 80, custom_string=False):

   model.eval()

if custom_sentence == True

:

       src = tokenize_en(src)

       sentence=\

       Variable(torch.LongTensor([[EN_TEXT.vocab.stoi[tok] for

tok

       in

sentence]])).cuda()

src_mask = (src != input_pad).unsqueeze(-2

)

   e_outputs = model.encoder(src, src_mask)

   outputs = torch.zeros(max_len).type_as(src.data)

   outputs[0] = torch.LongTensor([FR_TEXT.vocab.stoi[<sos>

]])

for i in range(1

, max_len):

       trg_mask = np.triu(np.ones((1

, i, i),

       k=1).astype(uint8

)

       trg_mask= Variable(torch.from_numpy(trg_mask) == 0

).cuda()

       out = model.out(model.decoder(outputs[:i].unsqueeze(0

),

       e_outputs, src_mask, trg_mask))

       out = F.softmax(out, dim=-1

)

       val, ix = out[:, -1].data.topk(1

)

       outputs[i] = ix[0][0

]

       if ix[0][0] == FR_TEXT.vocab.stoi[<eos>

]:

           breakreturn

.join(

   [FR_TEXT.vocab.itos[ix] for ix in

outputs[:i]]

   )

Transformer模型的构建过程大致就是这样。想要获取完整代码，可以进入下面这个Github页面：

https://github.com/SamLynnEvans/Transformer

相关报道：

https://towardsdatascience.com/how-to-code-the-transformer-in-pytorch-24db27c8f9ec