Python 用pytorch从头写Transformer源码，一行一解释；机器翻译实例代码；Transformer源码解读与实战

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1.Transformer简介

        Transformer模型被提出的主要动机是解决序列处理任务的长距离依赖问题。传统的RNN和LSTM虽然能够处理序列任务，但因为它们在处理序列时需要一步步前进，因此其他信息无法立即对其产生影响，当序列变长时，长距离依赖的信息很可能会被丢失。为了解决这个问题，Transformer模型被设计出来，内核思想是利用自注意力机制，这样模型可以直接对输入序列的任意两个位置建立直接连接，并且可以并行处理序列信息。

        Transformer模型的主要组成部分为Encoder（编码器）和Decoder（解码器），每个部分都由若干个相同的层堆叠而成。这些层的主要操作就是“自注意力机制（Self-Attention）”和“前馈全连接网络”。

        Encoder负责把输入语句映射成一个连续向量，这个向量包函了输入语句的所有信息。具体来说，编码器的每一层都包含两个子层：Self-Attention层和Feed Forward层。每个子层后面都配有一个残差连接和归一化层。

        Decoder的结构与Encoder类似，但额外增加了一个使用Encoder的输出来进行“编码器-解码器注意力”操作的子层。解码器的每一层都包含三个子层：“自注意力机制”，“编码器-解码器注意力”和一个“前馈全连接网络”。Decoder在生成输出序列的过程中，自注意力层仅仅允许关注到先前位置的信息，防止关注到未来位置的信息。

 

2.Transformer代码实战

2.1定义缩放点积注意力类

import numpy as np # 导入 numpy 库
import torch # 导入 torch 库
import torch.nn as nn # 导入 torch.nn 库
d_k = 64 # K(=Q) 维度
d_v = 64 # V 维度
# 定义缩放点积注意力类
class ScaledDotProductAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ScaledDotProductAttention, self).__init__()        
    def forward(self, Q, K, V, attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # Q K V [batch_size, n_heads, len_q/k/v, dim_q=k/v] (dim_q=dim_k)
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------
        # 计算注意力分数（原始权重）[batch_size，n_heads，len_q，len_k]
        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-1, -2)) / np.sqrt(d_k) 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # scores [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 使用注意力掩码，将 attn_mask 中值为 1 的位置的权重替换为极小值
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k], 形状和 scores 相同
        #-----------------------------------------------------------------    
        scores.masked_fill_(attn_mask, -1e9) 
        # 对注意力分数进行 softmax 归一化
        weights = nn.Softmax(dim=-1)(scores) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # weights [batch_size, n_heads, len_q, len_k], 形状和 scores 相同
        #-----------------------------------------------------------------         
        # 计算上下文向量（也就是注意力的输出）, 是上下文信息的紧凑表示
        context = torch.matmul(weights, V) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, n_heads, len_q, dim_v]
        #-----------------------------------------------------------------    
        return context, weights # 返回上下文向量和注意力分数

2.2定义多头自注意力类

# 定义多头自注意力类
d_embedding = 512  # Embedding 的维度
n_heads = 8  # Multi-Head Attention 中头的个数
batch_size = 3 # 每一批的数据大小
class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(MultiHeadAttention, self).__init__()
        self.W_Q = nn.Linear(d_embedding, d_k * n_heads) # Q的线性变换层
        self.W_K = nn.Linear(d_embedding, d_k * n_heads) # K的线性变换层
        self.W_V = nn.Linear(d_embedding, d_v * n_heads) # V的线性变换层
        self.linear = nn.Linear(n_heads * d_v, d_embedding)
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_embedding)
    def forward(self, Q, K, V, attn_mask): 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # Q K V [batch_size, len_q/k/v, embedding_dim] 
        #-----------------------------------------------------------------        
        residual, batch_size = Q, Q.size(0) # 保留残差连接
        # 将输入进行线性变换和重塑，以便后续处理
        q_s = self.W_Q(Q).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)        
        k_s = self.W_K(K).view(batch_size, -1, n_heads, d_k).transpose(1,2)
        v_s = self.W_V(V).view(batch_size, -1, n_heads, d_v).transpose(1,2)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # q_s k_s v_s: [batch_size, n_heads, len_q/k/v, d_q=k/v]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 将注意力掩码复制到多头 attn_mask: [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        attn_mask = attn_mask.unsqueeze(1).repeat(1, n_heads, 1, 1)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # attn_mask [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 使用缩放点积注意力计算上下文和注意力权重
        context, weights = ScaledDotProductAttention()(q_s, k_s, v_s, attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, n_heads, len_q, dim_v]
        # weights [batch_size, n_heads, len_q, len_k]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 通过调整维度将多个头的上下文向量连接在一起
        context = context.transpose(1, 2).contiguous().view(batch_size, -1, n_heads * d_v) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # context [batch_size, len_q, n_heads * dim_v]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 用一个线性层把连接后的多头自注意力结果转换，原始地嵌入维度
        output = self.linear(context) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 与输入 (Q) 进行残差链接，并进行层归一化后输出
        output = self.layer_norm(output + residual)
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------        
        return output, weights # 返回层归一化的输出和注意力权重

2.3定义逐位置前馈网络类

# 定义逐位置前馈网络类
class PoswiseFeedForwardNet(nn.Module):
    def __init__(self, d_ff=2048):
        super(PoswiseFeedForwardNet, self).__init__()
        # 定义一维卷积层 1，用于将输入映射到更高维度
        self.conv1 = nn.Conv1d(in_channels=d_embedding, out_channels=d_ff, kernel_size=1)
        # 定义一维卷积层 2，用于将输入映射回原始维度
        self.conv2 = nn.Conv1d(in_channels=d_ff, out_channels=d_embedding, kernel_size=1)
        # 定义层归一化
        self.layer_norm = nn.LayerNorm(d_embedding)
    def forward(self, inputs): 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # inputs [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------                       
        residual = inputs  # 保留残差连接 
        # 在卷积层 1 后使用 ReLU 激活函数 
        output = nn.ReLU()(self.conv1(inputs.transpose(1, 2))) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, d_ff, len_q]
        #----------------------------------------------------------------
        # 使用卷积层 2 进行降维 
        output = self.conv2(output).transpose(1, 2) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------
        # 与输入进行残差链接，并进行层归一化
        output = self.layer_norm(output + residual) 
        #------------------------- 维度信息 -------------------------------- 
        # output [batch_size, len_q, embedding_dim]
        #----------------------------------------------------------------
        return output # 返回加入残差连接后层归一化的结果

2.4生成正弦位置编码表的函数，用于在 Transformer 中引入位置信息 

# 生成正弦位置编码表的函数，用于在 Transformer 中引入位置信息
def get_sin_enc_table(n_position, embedding_dim):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # n_position: 输入序列的最大长度
    # embedding_dim: 词嵌入向量的维度
    #-----------------------------------------------------------------    
    # 根据位置和维度信息，初始化正弦位置编码表
    sinusoid_table = np.zeros((n_position, embedding_dim))    
    # 遍历所有位置和维度，计算角度值
    for pos_i in range(n_position):
        for hid_j in range(embedding_dim):
            angle = pos_i / np.power(10000, 2 * (hid_j // 2) / embedding_dim)
            sinusoid_table[pos_i, hid_j] = angle    
    # 计算正弦和余弦值
    sinusoid_table[:, 0::2] = np.sin(sinusoid_table[:, 0::2])  # dim 2i 偶数维
    sinusoid_table[:, 1::2] = np.cos(sinusoid_table[:, 1::2])  # dim 2i+1 奇数维    
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # sinusoid_table 的维度是 [n_position, embedding_dim]
    #----------------------------------------------------------------   
    return torch.FloatTensor(sinusoid_table)  # 返回正弦位置编码表

2.5定义填充注意力掩码函数

# 定义填充注意力掩码函数
def get_attn_pad_mask(seq_q, seq_k):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # seq_q 的维度是 [batch_size, len_q]
    # seq_k 的维度是 [batch_size, len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    batch_size, len_q = seq_q.size()
    batch_size, len_k = seq_k.size()
    # 生成布尔类型张量
    pad_attn_mask = seq_k.data.eq(0).unsqueeze(1)  # <PAD>token 的编码值为 0
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # pad_attn_mask 的维度是 [batch_size，1，len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 变形为与注意力分数相同形状的张量 
    pad_attn_mask = pad_attn_mask.expand(batch_size, len_q, len_k)
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # pad_attn_mask 的维度是 [batch_size，len_q，len_k]
    #-----------------------------------------------------------------
    return pad_attn_mask

2.6定义编码器层类

# 定义编码器层类
class EncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(EncoderLayer, self).__init__()        
        self.enc_self_attn = MultiHeadAttention() # 多头自注意力层        
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet() # 位置前馈神经网络层
    def forward(self, enc_inputs, enc_self_attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        # enc_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, seq_len, seq_len]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 将相同的 Q，K，V 输入多头自注意力层 , 返回的 attn_weights 增加了头数  
        enc_outputs, attn_weights = self.enc_self_attn(enc_inputs, enc_inputs,
                                               enc_inputs, enc_self_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 
        # attn_weights 的维度是 [batch_size, n_heads, seq_len, seq_len]      
        # 将多头自注意力 outputs 输入位置前馈神经网络层
        enc_outputs = self.pos_ffn(enc_outputs) # 维度与 enc_inputs 相同
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 
        #-----------------------------------------------------------------
        return enc_outputs, attn_weights # 返回编码器输出和每层编码器注意力权重

2.7定义编码器类

# 定义编码器类
n_layers = 6  # 设置 Encoder 的层数
class Encoder(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Encoder, self).__init__()        
        self.src_emb = nn.Embedding(len(corpus.src_vocab), d_embedding) # 词嵌入层
        self.pos_emb = nn.Embedding.from_pretrained( \
          get_sin_enc_table(corpus.src_len+1, d_embedding), freeze=True) # 位置嵌入层
        self.layers = nn.ModuleList(EncoderLayer() for _ in range(n_layers))# 编码器层数
    def forward(self, enc_inputs):  
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 创建一个从 1 到 source_len 的位置索引序列
        pos_indices = torch.arange(1, enc_inputs.size(1) + 1).unsqueeze(0).to(enc_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # pos_indices 的维度是 [1, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------             
        # 对输入进行词嵌入和位置嵌入相加 [batch_size, source_len，embedding_dim]
        enc_outputs = self.src_emb(enc_inputs) + self.pos_emb(pos_indices)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 生成自注意力掩码
        enc_self_attn_mask = get_attn_pad_mask(enc_inputs, enc_inputs) 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, len_q, len_k]        
        #-----------------------------------------------------------------         
        enc_self_attn_weights = [] # 初始化 enc_self_attn_weights
        # 通过编码器层 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        for layer in self.layers: 
            enc_outputs, enc_self_attn_weight = layer(enc_outputs, enc_self_attn_mask)
            enc_self_attn_weights.append(enc_self_attn_weight)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, seq_len, embedding_dim] 维度与 enc_inputs 相同
        # enc_self_attn_weights 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, seq_len, seq_len]          
        #-----------------------------------------------------------------
        return enc_outputs, enc_self_attn_weights # 返回编码器输出和编码器注意力权重

2.8生成后续注意力掩码的函数，用于在多头自注意力计算中忽略未来信息

# 生成后续注意力掩码的函数，用于在多头自注意力计算中忽略未来信息
def get_attn_subsequent_mask(seq):
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # seq 的维度是 [batch_size, seq_len(Q)=seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 获取输入序列的形状
    attn_shape = [seq.size(0), seq.size(1), seq.size(1)]  
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # attn_shape 是一个一维张量 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 使用 numpy 创建一个上三角矩阵（triu = triangle upper）
    subsequent_mask = np.triu(np.ones(attn_shape), k=1)
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # subsequent_mask 的维度是 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    # 将 numpy 数组转换为 PyTorch 张量，并将数据类型设置为 byte（布尔值）
    subsequent_mask = torch.from_numpy(subsequent_mask).byte()
    #------------------------- 维度信息 --------------------------------
    # 返回的 subsequent_mask 的维度是 [batch_size, seq_len(Q), seq_len(K)]
    #-----------------------------------------------------------------
    return subsequent_mask # 返回后续位置的注意力掩码

2.9定义解码器层类

# 定义解码器层类
class DecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(DecoderLayer, self).__init__()        
        self.dec_self_attn = MultiHeadAttention() # 多头自注意力层       
        self.dec_enc_attn = MultiHeadAttention()  # 多头自注意力层，连接编码器和解码器        
        self.pos_ffn = PoswiseFeedForwardNet() # 位置前馈神经网络层
    def forward(self, dec_inputs, enc_outputs, dec_self_attn_mask, dec_enc_attn_mask):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------      
        # 将相同的 Q，K，V 输入多头自注意力层
        dec_outputs, dec_self_attn = self.dec_self_attn(dec_inputs, dec_inputs, 
                                                        dec_inputs, dec_self_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 将解码器输出和编码器输出输入多头自注意力层
        dec_outputs, dec_enc_attn = self.dec_enc_attn(dec_outputs, enc_outputs, 
                                                      enc_outputs, dec_enc_attn_mask)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_enc_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]
        #-----------------------------------------------------------------          
        # 输入位置前馈神经网络层
        dec_outputs = self.pos_ffn(dec_outputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn 的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]   
        #-----------------------------------------------------------------
        # 返回解码器层输出，每层的自注意力和解 - 编码器注意力权重
        return dec_outputs, dec_self_attn, dec_enc_attn

2.10定义解码器类

#  定义解码器类
n_layers = 6  # 设置 Decoder 的层数
class Decoder(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Decoder, self).__init__()
        self.tgt_emb = nn.Embedding(len(corpus.tgt_vocab), d_embedding) # 词嵌入层
        self.pos_emb = nn.Embedding.from_pretrained( \
           get_sin_enc_table(corpus.tgt_len+1, d_embedding), freeze=True) # 位置嵌入层        
        self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer() for _ in range(n_layers)]) # 叠加多层
    def forward(self, dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs): 
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_len]
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_len]
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        #-----------------------------------------------------------------   
        # 创建一个从 1 到 source_len 的位置索引序列
        pos_indices = torch.arange(1, dec_inputs.size(1) + 1).unsqueeze(0).to(dec_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # pos_indices 的维度是 [1, target_len]
        #-----------------------------------------------------------------              
        # 对输入进行词嵌入和位置嵌入相加
        dec_outputs = self.tgt_emb(dec_inputs) + self.pos_emb(pos_indices)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
         #-----------------------------------------------------------------        
        # 生成解码器自注意力掩码和解码器 - 编码器注意力掩码
        dec_self_attn_pad_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, dec_inputs) # 填充位掩码
        dec_self_attn_subsequent_mask = get_attn_subsequent_mask(dec_inputs) # 后续位掩码
        dec_self_attn_mask = torch.gt((dec_self_attn_pad_mask \
                                       + dec_self_attn_subsequent_mask), 0) 
        dec_enc_attn_mask = get_attn_pad_mask(dec_inputs, enc_inputs) # 解码器 - 编码器掩码
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------        
        # dec_self_attn_pad_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_self_attn_subsequent_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_self_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, target_len]
        # dec_enc_attn_mask 的维度是 [batch_size, target_len, source_len]
         #-----------------------------------------------------------------       
        dec_self_attns, dec_enc_attns = [], [] # 初始化 dec_self_attns, dec_enc_attns
        # 通过解码器层 [batch_size, seq_len, embedding_dim]
        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)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, target_len]
        # dec_enc_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, target_len, source_len]
        #----------------------------------------------------------------- 
        # 返回解码器输出，解码器自注意力和解码器 - 编码器注意力权重       
        return dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns

2.11定义 Transformer 模型

# 定义 Transformer 模型
class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self, corpus):
        super(Transformer, self).__init__()        
        self.encoder = Encoder(corpus) # 初始化编码器实例        
        self.decoder = Decoder(corpus) # 初始化解码器实例
        # 定义线性投影层，将解码器输出转换为目标词汇表大小的概率分布
        self.projection = nn.Linear(d_embedding, len(corpus.tgt_vocab), bias=False)
    def forward(self, enc_inputs, dec_inputs):
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_inputs 的维度是 [batch_size, source_seq_len]
        # dec_inputs 的维度是 [batch_size, target_seq_len]
        #-----------------------------------------------------------------        
        # 将输入传递给编码器，并获取编码器输出和自注意力权重        
        enc_outputs, enc_self_attns = self.encoder(enc_inputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # enc_outputs 的维度是 [batch_size, source_len, embedding_dim]
        # enc_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, src_seq_len, src_seq_len]        
        #-----------------------------------------------------------------          
        # 将编码器输出、解码器输入和编码器输入传递给解码器
        # 获取解码器输出、解码器自注意力权重和编码器 - 解码器注意力权重     
        dec_outputs, dec_self_attns, dec_enc_attns = self.decoder(dec_inputs, enc_inputs, enc_outputs)
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_outputs 的维度是 [batch_size, target_len, embedding_dim]
        # dec_self_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, tgt_seq_len, src_seq_len]
        # dec_enc_attns 是一个列表，每个元素的维度是 [batch_size, n_heads, tgt_seq_len, src_seq_len]   
        #-----------------------------------------------------------------                
        # 将解码器输出传递给投影层，生成目标词汇表大小的概率分布
        dec_logits = self.projection(dec_outputs)  
        #------------------------- 维度信息 --------------------------------
        # dec_logits 的维度是 [batch_size, tgt_seq_len, tgt_vocab_size]
        #-----------------------------------------------------------------
        # 返回逻辑值 ( 原始预测结果 ), 编码器自注意力权重，解码器自注意力权重，解 - 编码器注意力权重
        return dec_logits, enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns

2.12实战用例，机器翻译

sentences = [
    ['咖哥 喜欢 小冰', 'KaGe likes XiaoBing'],
    ['我 爱 学习 人工智能', 'I love studying AI'],
    ['深度学习 改变 世界', ' DL changed the world'],
    ['自然语言处理 很 强大', 'NLP is powerful'],
    ['神经网络 非常 复杂', 'Neural-networks are complex'] ]

2.13定义用例的类

from collections import Counter # 导入 Counter 类
# 定义 TranslationCorpus 类
class TranslationCorpus:
    def __init__(self, sentences):
        self.sentences = sentences
        # 计算源语言和目标语言的最大句子长度，并分别加 1 和 2 以容纳填充符和特殊符号
        self.src_len = max(len(sentence[0].split()) for sentence in sentences) + 1
        self.tgt_len = max(len(sentence[1].split()) for sentence in sentences) + 2
        # 创建源语言和目标语言的词汇表
        self.src_vocab, self.tgt_vocab = self.create_vocabularies()
        # 创建索引到单词的映射
        self.src_idx2word = {v: k for k, v in self.src_vocab.items()}
        self.tgt_idx2word = {v: k for k, v in self.tgt_vocab.items()}
    # 定义创建词汇表的函数
    def create_vocabularies(self):
        # 统计源语言和目标语言的单词频率
        src_counter = Counter(word for sentence in self.sentences for word in sentence[0].split())
        tgt_counter = Counter(word for sentence in self.sentences for word in sentence[1].split())        
        # 创建源语言和目标语言的词汇表，并为每个单词分配一个唯一的索引
        src_vocab = {'<pad>': 0, **{word: i+1 for i, word in enumerate(src_counter)}}
        tgt_vocab = {'<pad>': 0, '<sos>': 1, '<eos>': 2, 
                     **{word: i+3 for i, word in enumerate(tgt_counter)}}        
        return src_vocab, tgt_vocab
    # 定义创建批次数据的函数
    def make_batch(self, batch_size, test_batch=False):
        input_batch, output_batch, target_batch = [], [], []
        # 随机选择句子索引
        sentence_indices = torch.randperm(len(self.sentences))[:batch_size]
        for index in sentence_indices:
            src_sentence, tgt_sentence = self.sentences[index]
            # 将源语言和目标语言的句子转换为索引序列
            src_seq = [self.src_vocab[word] for word in src_sentence.split()]
            tgt_seq = [self.tgt_vocab['<sos>']] + [self.tgt_vocab[word] \
                         for word in tgt_sentence.split()] + [self.tgt_vocab['<eos>']]            
            # 对源语言和目标语言的序列进行填充
            src_seq += [self.src_vocab['<pad>']] * (self.src_len - len(src_seq))
            tgt_seq += [self.tgt_vocab['<pad>']] * (self.tgt_len - len(tgt_seq))            
            # 将处理好的序列添加到批次中
            input_batch.append(src_seq)
            output_batch.append([self.tgt_vocab['<sos>']] + ([self.tgt_vocab['<pad>']] * \
                                    (self.tgt_len - 2)) if test_batch else tgt_seq[:-1])
            target_batch.append(tgt_seq[1:])        
          # 将批次转换为 LongTensor 类型
        input_batch = torch.LongTensor(input_batch)
        output_batch = torch.LongTensor(output_batch)
        target_batch = torch.LongTensor(target_batch)            
        return input_batch, output_batch, target_batch
# 创建语料库类实例
corpus = TranslationCorpus(sentences)

2.14开始训练

import torch # 导入 torch
import torch.optim as optim # 导入优化器
model = Transformer(corpus) # 创建模型实例
criterion = nn.CrossEntropyLoss() # 损失函数
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001) # 优化器
epochs = 5 # 训练轮次
for epoch in range(epochs): # 训练 100 轮
    optimizer.zero_grad() # 梯度清零
    enc_inputs, dec_inputs, target_batch = corpus.make_batch(batch_size) # 创建训练数据        
    outputs, _, _, _ = model(enc_inputs, dec_inputs) # 获取模型输出 
    loss = criterion(outputs.view(-1, len(corpus.tgt_vocab)), target_batch.view(-1)) # 计算损失
    if (epoch + 1) % 1 == 0: # 打印损失
        print(f"Epoch: {epoch + 1:04d} cost = {loss:.6f}")
    loss.backward()# 反向传播        
    optimizer.step()# 更新参数

2.15模型测试

# 创建一个大小为 1 的批次，目标语言序列 dec_inputs 在测试阶段，仅包含句子开始符号 <sos>
enc_inputs, dec_inputs, target_batch = corpus.make_batch(batch_size=1,test_batch=True) 
print("编码器输入 :", enc_inputs) # 打印编码器输入
print("解码器输入 :", dec_inputs) # 打印解码器输入
print("目标数据 :", target_batch) # 打印目标数据
predict, enc_self_attns, dec_self_attns, dec_enc_attns = model(enc_inputs, dec_inputs) # 用模型进行翻译
predict = predict.view(-1, len(corpus.tgt_vocab)) # 将预测结果维度重塑
predict = predict.data.max(1, keepdim=True)[1] # 找到每个位置概率最大的词汇的索引
# 解码预测的输出，将所预测的目标句子中的索引转换为单词
translated_sentence = [corpus.tgt_idx2word[idx.item()] for idx in predict.squeeze()]
# 将输入的源语言句子中的索引转换为单词
input_sentence = ' '.join([corpus.src_idx2word[idx.item()] for idx in enc_inputs[0]])
print(input_sentence, '->', translated_sentence) # 打印原始句子和翻译后的句子

3.总结

        Transformer 的核心思想是完全基于注意力机制来建模序列间的依赖关系，避免了传统循环神经网络（RNN）的顺序计算限制，能够并行处理序列中的所有位置。这种机制使得 Transformer 在训练和推理时的效率都比传统的循环神经网络更高。

        Transformer 由两个重要的组件组成：编码器（Encoder）和解码器（Decoder）。编码器负责将输入序列转换为更丰富的特征表示，而解码器则基于编码器的输出生成目标序列。

        每个编码器和解码器都由多个相同的层堆叠而成。每个层包含两个子层，即多头自注意力机制和前馈神经网络。自注意力机制能够学习到序列中各个位置的重要程度，而前馈神经网络则负责对特征进行非线性转换。

        在自注意力机制中，Transformer 使用了多头注意力机制来处理多个不同位置的表示。每个头都会学习到不同的上下文关系，然后将它们组合起来得到最终的表示。这种并行计算的方式使得模型能够更好地捕捉到序列中的长距离依赖关系。

        除了自注意力机制和前馈神经网络，Transformer 还引入了一些关键的技术来增强模型性能，如层归一化、残差连接和位置编码等。位置编码用于将序列中的单词位置信息嵌入到模型中，以保持序列中不同位置的相对距离。

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