从零学习大模型(二)-----AG_NEWS上训练自回归Transformer

有兴趣的同学可以在自己的电脑上跑跑看看实验结果

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import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import torch.nn.functional as F
import numpy as np
from torchtext.datasets import AG_NEWS
from torchtext.data.utils import get_tokenizer
from collections import Counter
from torchtext.vocab import Vocab

class PositionalEncoding(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, max_len=5000):
        super(PositionalEncoding, self).__init__()
        # 创建位置编码矩阵,形状为 (max_len, d_model)
        pe = torch.zeros(max_len, d_model)
        # 创建位置的张量 (0, 1, 2, ..., max_len-1) 并扩展其维度
        position = torch.arange(0, max_len, dtype=torch.float).unsqueeze(1)
        # 计算正弦和余弦函数的除数项
        div_term = torch.exp(torch.arange(0, d_model, 2).float() * -(np.log(10000.0) / d_model))
        # 对位置编码的偶数索引应用正弦函数,奇数索引应用余弦函数
        pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)
        pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)
        # 添加一个额外的维度以便与批次兼容
        pe = pe.unsqueeze(0).transpose(0, 1)
        # 注册位置编码为缓冲区,在训练期间不更新
        self.register_buffer('pe', pe)

    def forward(self, x):
        # 将位置编码加到输入的嵌入上
        return x + self.pe[:x.size(0), :]


class TransformerEncoderLayerCustom(nn.Module):
    def __init__(self, d_model, nhead, dim_feedforward, dropout=0.1):
        super(TransformerEncoderLayerCustom, self).__init__()
        # 自定义多头自注意力机制
        self.d_model = d_model
        self.nhead = nhead
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        # 前馈网络,包含两个线性层和一个激活函数(ReLU)
        self.linear1 = nn.Linear(d_model, dim_feedforward)
        self.linear2 = nn.Linear(dim_feedforward, d_model)
        # 层归一化
        self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
        # 激活函数
        self.activation = F.relu

    def scaled_dot_product_attention(self, query, key, value, mask=None):
        # 计算注意力分数
        scores = torch.matmul(query, key.transpose(-2, -1)) / np.sqrt(self.d_model // self.nhead)
        # 应用掩码(如果有)
        if mask is not None:
            scores = scores.masked_fill(mask == 0, float('-inf'))
        # 计算注意力权重
        attn_weights = F.softmax(scores, dim=-1)
        # 应用注意力权重到值上
        return torch.matmul(attn_weights, value)

    def forward(self, src, src_mask=None):
        batch_size, seq_len, _ = src.size()
        head_dim = self.d_model // self.nhead

        # 将输入分割成多个头
        query = key = value = src.view(batch_size, seq_len, self.nhead, head_dim).transpose(1, 2)

        # 计算多头注意力
        attn_output = self.scaled_dot_product_attention(query, key, value, mask=src_mask)
        attn_output = attn_output.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, seq_len, self.d_model)
        attn_output = self.dropout(attn_output)

        # 残差连接和层归一化
        src = self.norm1(src + attn_output)

        # 前馈网络
        src2 = self.linear2(self.dropout(self.activation(self.linear1(src))))
        # 残差连接和层归一化
        src = self.norm2(src + src2)
        return src


class AutoregressiveTransformer(nn.Module):
    def __init__(self, vocab_size, d_model, nhead, num_encoder_layers, dim_feedforward, max_len):
        super(AutoregressiveTransformer, self).__init__()
        # 嵌入层,将标记索引转换为稠密向量
        self.embedding = nn.Embedding(vocab_size, d_model)
        # 位置编码,用于将序列信息添加到嵌入中
        self.pos_encoder = PositionalEncoding(d_model, max_len)
        # 自定义的 Transformer 编码器层,使用指定的参数
        encoder_layers = TransformerEncoderLayerCustom(d_model, nhead, dim_feedforward)
        # 堆叠多个 Transformer 编码器层
        self.transformer_encoder = nn.ModuleList([encoder_layers for _ in range(num_encoder_layers)])
        self.d_model = d_model
        # 线性层,将编码器的输出投影到词汇表大小
        self.decoder = nn.Linear(d_model, vocab_size)

    def forward(self, src, src_mask):
        # 对源标记应用嵌入层,并按 sqrt(d_model) 进行缩放
        src = self.embedding(src) * np.sqrt(self.d_model)
        # 将位置编码加到嵌入后的标记上
        src = self.pos_encoder(src)
        # 通过所有的 Transformer 编码器层
        for layer in self.transformer_encoder:
            src = layer(src, src_mask)
        # 将输出投影到词汇表大小
        output = self.decoder(src)
        return output

    def generate_square_subsequent_mask(self, sz):
        # 生成一个掩码,以防模型关注未来的位置
        mask = (torch.triu(torch.ones(sz, sz)) == 1).transpose(0, 1)
        mask = mask.float().masked_fill(mask == 0, float('-inf')).masked_fill(mask == 1, float(0.0))
        return mask


def train(model, data, vocab_size, num_epochs=10, learning_rate=0.0005):
    # 定义损失函数为交叉熵损失
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 使用 Adam 优化器进行训练
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=learning_rate)
    
    for epoch in range(num_epochs):
        model.train()  # 将模型设置为训练模式
        total_loss = 0
        for batch in data:
            # 输入序列为除最后一个标记外的所有标记
            src = batch[:-1]
            # 目标序列为除第一个标记外的所有标记(向右移动一个位置)
            tgt = batch[1:]
            # 为输入序列生成后续掩码
            src_mask = model.generate_square_subsequent_mask(len(src)).to(src.device)
            
            optimizer.zero_grad()  # 在反向传播前将梯度归零
            # 通过模型进行前向传播
            output = model(src, src_mask)
            # 计算模型输出与目标序列之间的损失
            loss = criterion(output.view(-1, vocab_size), tgt.view(-1))
            # 反向传播损失
            loss.backward()
            # 更新模型参数
            optimizer.step()
            total_loss += loss.item()
        
        # 打印每个 epoch 的平均损失
        print(f"Epoch {epoch+1}, Loss: {total_loss / len(data)}")


def predict(model, start_token, max_len, vocab_size):
    model.eval()  # 将模型设置为评估模式
    generated_sequence = [start_token]  # 使用起始标记初始化生成的序列
    # 使用起始标记创建初始输入张量
    src = torch.tensor([start_token]).unsqueeze(1)  # 形状为 (seq_len, batch_size)
    for _ in range(max_len - 1):
        # 为当前输入序列生成掩码
        src_mask = model.generate_square_subsequent_mask(len(src)).to(src.device)
        # 通过模型进行前向传播
        output = model(src, src_mask)
        # 获取具有最高概率的标记作为下一个标记
        next_token = torch.argmax(output[-1, 0, :], dim=-1).item()
        # 将预测的标记添加到生成的序列中
        generated_sequence.append(next_token)
        # 通过添加新标记更新输入序列
        src = torch.cat([src, torch.tensor([[next_token]])], dim=0)
    return generated_sequence


# 数据处理部分
train_iter = AG_NEWS(split='train')
tokenizer = get_tokenizer('basic_english')
counter = Counter()
for (label, line) in train_iter:
    counter.update(tokenizer(line))
vocab = Vocab(counter, specials=['<unk>', '<pad>'])

# 超参数
vocab_size = len(vocab)  # 使用 AG_NEWS 数据集的词汇表大小
d_model = 32  # 嵌入向量的维度
nhead = 2  # 注意力头的数量
num_encoder_layers = 2  # Transformer 编码器层的数量
dim_feedforward = 64  # Transformer 中前馈网络的维度
max_len = 20  # 输入序列的最大长度

# 实例化模型
model = AutoregressiveTransformer(vocab_size, d_model, nhead, num_encoder_layers, dim_feedforward, max_len)

# 生成训练数据
train_iter = AG_NEWS(split='train')
data = []
for (label, line) in train_iter:
    tokens = [vocab[token] for token in tokenizer(line)]
    if len(tokens) >= max_len:
        tokens = tokens[:max_len]
    else:
        tokens = tokens + [vocab['<pad>']] * (max_len - len(tokens))
    data.append(torch.tensor(tokens))
    if len(data) >= 100:  # 使用 100 条样本进行演示
        break

# 训练模型
train(model, data, vocab_size, num_epochs=10)

# 预测序列
start_token = vocab['<unk>']  # 序列生成的起始标记
generated_sequence = predict(model, start_token, max_len, vocab_size)
print("Generated Sequence:", generated_sequence)
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