【源头活水】熬了一晚上，我从零实现了Transformer模型，把代码讲给你听

“问渠那得清如许，为有源头活水来”，通过前沿领域知识的学习，从其他研究领域得到启发，对研究问题的本质有更清晰的认识和理解，是自我提高的不竭源泉。为此，我们特别精选论文阅读笔记，开辟“源头活水”专栏，帮助你广泛而深入的阅读科研文献，敬请关注。

来源：知乎—伟大是熬出来的

地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/411311520

自从彻底搞懂Self_Attention机制之后，笔者对Transformer模型的理解直接从地下一层上升到大气层，瞬间打通任督二脉。夜夜入睡之前，那句柔情百转的"Attention is all you need"时常在耳畔环绕，情到深处不禁拍床叫好。于是在肾上腺素的驱使下，笔者熬了一个晚上，终于实现了Transformer模型。

对于 Self_Attention 机制一知半解的读者，强烈推荐我的上一篇文章，没有繁复的公式，将 Self_Attention 的本质思想讲给你听。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/410776234

关于 Transformer的理论讲解，请参考这篇文章。

https://zhuanlan.zhihu.com/p/311156298

01

模型总览

代码讲解之前，首先放出这张经典的模型架构图。下面的内容中，我会将每个模块的实现思路以及笔者在Coding过程中的感悟知无不答。没有代码基础的读者不要慌张，笔者也是最近才入门的，所写Pytorch代码没有花里胡哨，所用变量名词尽量保持与论文一致，对新手十分友好。

我们观察模型的结构图，Transformer模型包含哪些模块？笔者将其分为以下几个部分：

接下来我们首先逐个讲解，最后将其拼接完成模型的复现。

02

config

下面是这个Demo所用的库文件以及一些超参的信息。单独实现一个Config类保存的原因是，方便日后复用。直接将模型部分复制，所用超参保存在新项目的Config类中即可。这里不过多赘述。

import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
import math


class Config(object):
    def __init__(self):
        self.vocab_size = 6

        self.d_model = 20
        self.n_heads = 2

        assert self.d_model % self.n_heads == 0
        dim_k  = d_model % n_heads
        dim_v = d_model % n_heads

        self.padding_size = 30
        self.UNK = 5
        self.PAD = 4

        self.N = 6
        self.p = 0.1

config = Config()

03

Embedding

Embedding部分接受原始的文本输入(batch_size*seq_len,例:[[1,3,10,5],[3,4,5],[5,3,1,1]])，叠加一个普通的Embedding层以及一个Positional Embedding层，输出最后结果。

在这一层中，输入的是一个list: [batch_size * seq_len]，输出的是一个tensor:[batch_size * seq_len * d_model]

普通的 Embedding 层想说两点：

• 采用torch.nn.Embedding实现embedding操作。需要关注的一点是论文中提到的Mask机制，包括padding_mask以及sequence_mask(具体请见文章开头给出的理论讲解那篇文章)。在文本输入之前，我们需要进行padding统一长度，padding_mask的实现可以借助torch.nn.Embedding中的padding_idx参数。
• 在padding过程中，短补长截

class Embedding(nn.Module):
    def __init__(self,vocab_size):
        super(Embedding, self).__init__()
        # 一个普通的 embedding层，我们可以通过设置padding_idx=config.PAD 来实现论文中的 padding_mask
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size,config.d_model,padding_idx=config.PAD)


    def forward(self,x):
        # 根据每个句子的长度，进行padding，短补长截
        for i in range(len(x)):
            if len(x[i]) < config.padding_size:
                x[i].extend([config.UNK] * (config.padding_size - len(x[i]))) # 注意 UNK是你词表中用来表示oov的token索引，这里进行了简化，直接假设为6
            else:
                x[i] = x[i][:config.padding_size]
        x = self.embedding(torch.tensor(x)) # batch_size * seq_len * d_model
        return x

关于Positional Embedding，我们需要参考论文给出的公式。说一句题外话，在作者的实验中对比了Positional Embedding与单独采用一个Embedding训练模型对位置的感知两种方式，模型效果相差无几。

class Positional_Encoding(nn.Module):

    def __init__(self,d_model):
        super(Positional_Encoding,self).__init__()
        self.d_model = d_model


    def forward(self,seq_len,embedding_dim):
        positional_encoding = np.zeros((seq_len,embedding_dim))
        for pos in range(positional_encoding.shape[0]):
            for i in range(positional_encoding.shape[1]):
                positional_encoding[pos][i] = math.sin(pos/(10000**(2*i/self.d_model))) if i % 2 == 0 else math.cos(pos/(10000**(2*i/self.d_model)))
        return torch.from_numpy(positional_encoding)

04

Encoder

Muti_head_Attention

这一部分是模型的核心内容，理论部分就不过多讲解了，读者可以参考文章开头的第一个传送门，文中有基础的代码实现。

Encoder 中的 Muti_head_Attention 不需要Mask，因此与我们上一篇文章中的实现方式相同。

为了避免模型信息泄露的问题，Decoder 中的 Muti_head_Attention 需要Mask。这一节中我们重点讲解Muti_head_Attention中Mask机制的实现。

如果读者阅读了我们的上一篇文章，可以发现下面的代码有一点小小的不同，主要体现在 forward 函数的参数。

• forward 函数的参数从 x 变为 x,y：请读者观察模型架构，Decoder需要接受Encoder的输入作为公式中的V,即我们参数中的y。在普通的自注意力机制中，我们在调用中设置y=x即可。
• requires_mask：是否采用Mask机制，在Decoder中设置为True

class Mutihead_Attention(nn.Module):
    def __init__(self,d_model,dim_k,dim_v,n_heads):
        super(Mutihead_Attention, self).__init__()
        self.dim_v = dim_v
        self.dim_k = dim_k
        self.n_heads = n_heads

        self.q = nn.Linear(d_model,dim_k)
        self.k = nn.Linear(d_model,dim_k)
        self.v = nn.Linear(d_model,dim_v)

        self.o = nn.Linear(dim_v,d_model)
        self.norm_fact = 1 / math.sqrt(d_model)

    def generate_mask(self,dim):
        # 此处是 sequence mask ，防止 decoder窥视后面时间步的信息。
        # padding mask 在数据输入模型之前完成。
        matirx = np.ones((dim,dim))
        mask = torch.Tensor(np.tril(matirx))

        return mask==1

    def forward(self,x,y,requires_mask=False):
        assert self.dim_k % self.n_heads == 0 and self.dim_v % self.n_heads == 0
        # size of x : [batch_size * seq_len * batch_size]
        # 对 x 进行自注意力
        Q = self.q(x).reshape(-1,x.shape[0],x.shape[1],self.dim_k // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_k
        K = self.k(x).reshape(-1,x.shape[0],x.shape[1],self.dim_k // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_k
        V = self.v(y).reshape(-1,y.shape[0],y.shape[1],self.dim_v // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_v
        # print("Attention V shape : {}".format(V.shape))
        attention_score = torch.matmul(Q,K.permute(0,1,3,2)) * self.norm_fact
        if requires_mask:
            mask = self.generate_mask(x.shape[1])
            attention_score.masked_fill(mask,value=float("-inf")) # 注意这里的小Trick，不需要将Q,K,V 分别MASK,只MASKSoftmax之前的结果就好了
        output = torch.matmul(attention_score,V).reshape(y.shape[0],y.shape[1],-1)
        # print("Attention output shape : {}".format(output.shape))

        output = self.o(output)
        return output

Feed Forward

这一部分实现很简单，两个Linear中连接Relu即可，目的是为模型增添非线性信息，提高模型的拟合能力。

class Feed_Forward(nn.Module):
    def __init__(self,input_dim,hidden_dim=2048):
        super(Feed_Forward, self).__init__()
        self.L1 = nn.Linear(input_dim,hidden_dim)
        self.L2 = nn.Linear(hidden_dim,input_dim)

    def forward(self,x):
        output = nn.ReLU()(self.L1(x))
        output = self.L2(output)
        return output

Add & LayerNorm

这一节我们实现论文中提出的残差连接以及LayerNorm。

论文中关于这部分给出公式：

代码中的dropout，在论文中也有所解释，对输入layer_norm的tensor进行dropout，对模型的性能影响还是蛮大的。

代码中的参数sub_layer ，可以是Feed Forward，也可以是Muti_head_Attention。

class Add_Norm(nn.Module):
    def __init__(self):
        self.dropout = nn.Dropout(config.p)
        super(Add_Norm, self).__init__()

    def forward(self,x,sub_layer,**kwargs):
        sub_output = sub_layer(x,**kwargs)
        # print("{} output : {}".format(sub_layer,sub_output.size()))
        x = self.dropout(x + sub_output)

        layer_norm = nn.LayerNorm(x.size()[1:])
        out = layer_norm(x)
        return out

OK，Encoder中所有模块我们已经讲解完毕，接下来我们将其拼接作为Encoder

class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.positional_encoding = Positional_Encoding(config.d_model)
        self.muti_atten = Mutihead_Attention(config.d_model,config.dim_k,config.dim_v,config.n_heads)
        self.feed_forward = Feed_Forward(config.d_model)

        self.add_norm = Add_Norm()


    def forward(self,x): # batch_size * seq_len 并且 x 的类型不是tensor，是普通list

        x += self.positional_encoding(x.shape[1],config.d_model)
        # print("After positional_encoding: {}".format(x.size()))
        output = self.add_norm(x,self.muti_atten,y=x)
        output = self.add_norm(output,self.feed_forward)

        return output

05

Decoder

在 Encoder 部分的讲解中，我们已经实现了大部分Decoder的模块。Decoder的Muti_head_Attention引入了Mask机制，Decoder与Encoder 中模块的拼接方式不同。以上两点读者在Coding的时候需要注意。

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.positional_encoding = Positional_Encoding(config.d_model)
        self.muti_atten = Mutihead_Attention(config.d_model,config.dim_k,config.dim_v,config.n_heads)
        self.feed_forward = Feed_Forward(config.d_model)
        self.add_norm = Add_Norm()

    def forward(self,x,encoder_output): # batch_size * seq_len 并且 x 的类型不是tensor，是普通list
        # print(x.size())
        x += self.positional_encoding(x.shape[1],config.d_model)
        # print(x.size())
        # 第一个 sub_layer
        output = self.add_norm(x,self.muti_atten,y=x,requires_mask=True)
        # 第二个 sub_layer
        output = self.add_norm(output,self.muti_atten,y=encoder_output,requires_mask=True)
        # 第三个 sub_layer
        output = self.add_norm(output,self.feed_forward)


        return output

06

Transformer

至此，所有内容已经铺垫完毕，我们开始组装Transformer模型。论文中提到，Transformer中堆叠了6个我们上文中实现的Encoder 和 Decoder。这里笔者采用nn.Sequential实现了堆叠操作。

Output模块的 Linear 和 Softmax 的实现也包含在下面的代码中

class Transformer_layer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Transformer_layer, self).__init__()
        self.encoder = Encoder()
        self.decoder = Decoder()

    def forward(self,x):
        x_input,x_output = x
        encoder_output = self.encoder(x_input)
        decoder_output = self.decoder(x_output,encoder_output)
        return (encoder_output,decoder_output)


class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self,N,vocab_size,output_dim):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.embedding_input = Embedding(vocab_size=vocab_size)
        self.embedding_output = Embedding(vocab_size=vocab_size)

        self.output_dim = output_dim
        self.linear = nn.Linear(config.d_model,output_dim)
        self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)
        self.model = nn.Sequential(*[Transformer_layer() for _ in range(N)])


    def forward(self,x):
        x_input , x_output = x
        x_input = self.embedding_input(x_input)
        x_output = self.embedding_output(x_output)

        _ , output = self.model((x_input,x_output))

        output = self.linear(output)
        output = self.softmax(output)

        return output

完整代码

# @Author:Yifx
# @Contact: [e-mail]
# @Time:2021/9/16 20:02
# @Software: PyCharm

"""
文件说明：
"""

import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
import math


class Config(object):
    def __init__(self):
        self.vocab_size = 6

        self.d_model = 20
        self.n_heads = 2

        assert self.d_model % self.n_heads == 0
        dim_k  = self.d_model // self.n_heads
        dim_v = self.d_model // self.n_heads



        self.padding_size = 30
        self.UNK = 5
        self.PAD = 4

        self.N = 6
        self.p = 0.1

config = Config()


class Embedding(nn.Module):
    def __init__(self,vocab_size):
        super(Embedding, self).__init__()
        # 一个普通的 embedding层，我们可以通过设置padding_idx=config.PAD 来实现论文中的 padding_mask
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size,config.d_model,padding_idx=config.PAD)


    def forward(self,x):
        # 根据每个句子的长度，进行padding，短补长截
        for i in range(len(x)):
            if len(x[i]) < config.padding_size:
                x[i].extend([config.UNK] * (config.padding_size - len(x[i]))) # 注意 UNK是你词表中用来表示oov的token索引，这里进行了简化，直接假设为6
            else:
                x[i] = x[i][:config.padding_size]
        x = self.embedding(torch.tensor(x)) # batch_size * seq_len * d_model
        return x



class Positional_Encoding(nn.Module):

    def __init__(self,d_model):
        super(Positional_Encoding,self).__init__()
        self.d_model = d_model


    def forward(self,seq_len,embedding_dim):
        positional_encoding = np.zeros((seq_len,embedding_dim))
        for pos in range(positional_encoding.shape[0]):
            for i in range(positional_encoding.shape[1]):
                positional_encoding[pos][i] = math.sin(pos/(10000**(2*i/self.d_model))) if i % 2 == 0 else math.cos(pos/(10000**(2*i/self.d_model)))
        return torch.from_numpy(positional_encoding)


class Mutihead_Attention(nn.Module):
    def __init__(self,d_model,dim_k,dim_v,n_heads):
        super(Mutihead_Attention, self).__init__()
        self.dim_v = dim_v
        self.dim_k = dim_k
        self.n_heads = n_heads

        self.q = nn.Linear(d_model,dim_k)
        self.k = nn.Linear(d_model,dim_k)
        self.v = nn.Linear(d_model,dim_v)

        self.o = nn.Linear(dim_v,d_model)
        self.norm_fact = 1 / math.sqrt(d_model)

    def generate_mask(self,dim):
        # 此处是 sequence mask ，防止 decoder窥视后面时间步的信息。
        # padding mask 在数据输入模型之前完成。
        matirx = np.ones((dim,dim))
        mask = torch.Tensor(np.tril(matirx))

        return mask==1

    def forward(self,x,y,requires_mask=False):
        assert self.dim_k % self.n_heads == 0 and self.dim_v % self.n_heads == 0
        # size of x : [batch_size * seq_len * batch_size]
        # 对 x 进行自注意力
        Q = self.q(x).reshape(-1,x.shape[0],x.shape[1],self.dim_k // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_k
        K = self.k(x).reshape(-1,x.shape[0],x.shape[1],self.dim_k // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_k
        V = self.v(y).reshape(-1,y.shape[0],y.shape[1],self.dim_v // self.n_heads) # n_heads * batch_size * seq_len * dim_v
        # print("Attention V shape : {}".format(V.shape))
        attention_score = torch.matmul(Q,K.permute(0,1,3,2)) * self.norm_fact
        if requires_mask:
            mask = self.generate_mask(x.shape[1])
            # masked_fill 函数中，对Mask位置为True的部分进行Mask
            attention_score.masked_fill(mask,value=float("-inf")) # 注意这里的小Trick，不需要将Q,K,V 分别MASK,只MASKSoftmax之前的结果就好了
        output = torch.matmul(attention_score,V).reshape(y.shape[0],y.shape[1],-1)
        # print("Attention output shape : {}".format(output.shape))

        output = self.o(output)
        return output


class Feed_Forward(nn.Module):
    def __init__(self,input_dim,hidden_dim=2048):
        super(Feed_Forward, self).__init__()
        self.L1 = nn.Linear(input_dim,hidden_dim)
        self.L2 = nn.Linear(hidden_dim,input_dim)

    def forward(self,x):
        output = nn.ReLU()(self.L1(x))
        output = self.L2(output)
        return output

class Add_Norm(nn.Module):
    def __init__(self):
        self.dropout = nn.Dropout(config.p)
        super(Add_Norm, self).__init__()

    def forward(self,x,sub_layer,**kwargs):
        sub_output = sub_layer(x,**kwargs)
        # print("{} output : {}".format(sub_layer,sub_output.size()))
        x = self.dropout(x + sub_output)

        layer_norm = nn.LayerNorm(x.size()[1:])
        out = layer_norm(x)
        return out


class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Encoder, self).__init__()
        self.positional_encoding = Positional_Encoding(config.d_model)
        self.muti_atten = Mutihead_Attention(config.d_model,config.dim_k,config.dim_v,config.n_heads)
        self.feed_forward = Feed_Forward(config.d_model)

        self.add_norm = Add_Norm()


    def forward(self,x): # batch_size * seq_len 并且 x 的类型不是tensor，是普通list

        x += self.positional_encoding(x.shape[1],config.d_model)
        # print("After positional_encoding: {}".format(x.size()))
        output = self.add_norm(x,self.muti_atten,y=x)
        output = self.add_norm(output,self.feed_forward)

        return output

# 在 Decoder 中，Encoder的输出作为Query和KEy输出的那个东西。即 Decoder的Input作为V。此时是可行的
# 因为在输入过程中，我们有一个padding操作，将Inputs和Outputs的seq_len这个维度都拉成一样的了
# 我们知道，QK那个过程得到的结果是 batch_size * seq_len * seq_len .既然 seq_len 一样，那么我们可以这样操作
# 这样操作的意义是，Outputs 中的 token 分别对于 Inputs 中的每个token作注意力

class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.positional_encoding = Positional_Encoding(config.d_model)
        self.muti_atten = Mutihead_Attention(config.d_model,config.dim_k,config.dim_v,config.n_heads)
        self.feed_forward = Feed_Forward(config.d_model)
        self.add_norm = Add_Norm()

    def forward(self,x,encoder_output): # batch_size * seq_len 并且 x 的类型不是tensor，是普通list
        # print(x.size())
        x += self.positional_encoding(x.shape[1],config.d_model)
        # print(x.size())
        # 第一个 sub_layer
        output = self.add_norm(x,self.muti_atten,y=x,requires_mask=True)
        # 第二个 sub_layer
        output = self.add_norm(x,self.muti_atten,y=encoder_output,requires_mask=True)
        # 第三个 sub_layer
        output = self.add_norm(output,self.feed_forward)
        return output

class Transformer_layer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Transformer_layer, self).__init__()
        self.encoder = Encoder()
        self.decoder = Decoder()

    def forward(self,x):
        x_input,x_output = x
        encoder_output = self.encoder(x_input)
        decoder_output = self.decoder(x_output,encoder_output)
        return (encoder_output,decoder_output)

class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self,N,vocab_size,output_dim):
        super(Transformer, self).__init__()
        self.embedding_input = Embedding(vocab_size=vocab_size)
        self.embedding_output = Embedding(vocab_size=vocab_size)

        self.output_dim = output_dim
        self.linear = nn.Linear(config.d_model,output_dim)
        self.softmax = nn.Softmax(dim=-1)
        self.model = nn.Sequential(*[Transformer_layer() for _ in range(N)])


    def forward(self,x):
        x_input , x_output = x
        x_input = self.embedding_input(x_input)
        x_output = self.embedding_output(x_output)

        _ , output = self.model((x_input,x_output))

        output = self.linear(output)
        output = self.softmax(output)

        return output

本文的内容到此就结束了。原因是笔者下午要去开会啦，关于模型在具体数据集上的测试结果会在后面更新。

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