Transformer原理

论文地址：Attention Is All You Need：https://arxiv.org/abs/1706.03762

Transformer是一种完全基于Attention机制来加速深度学习训练过程的算法模型。Transformer最大的优势在于其在并行化处理上做出的贡献。

Transformer抛弃了以往深度学习任务里面使用到的 CNN 和 RNN ，目前大热的Bert就是基于Transformer构建的，这个模型广泛应用于NLP领域，例如机器翻译，问答系统，文本摘要和语音识别等等方向。

Transformer总体结构

和Attention模型一样，Transformer模型中也采用了 encoer-decoder 架构。但其结构相比于Attention更加复杂，论文中encoder层由6个encoder堆叠在一起，decoder层也一样。

对于encoder，包含两层，一个self-attention层和一个前馈神经网络，self-attention能帮助当前节点不仅仅只关注当前的词，从而能获取到上下文的语义。

decoder也包含encoder提到的两层网络，但是在这两层中间还有一层attention层，帮助当前节点获取到当前需要关注的重点内容。

现在我们知道了模型的主要组件，接下来我们看下模型的内部细节。首先，模型需要对输入的数据进行一个embedding操作，也可以理解为类似w2c的操作，embedding结束之后，输入到encoder层，self-attention处理完数据后把数据送给前馈神经网络，前馈神经网络的计算可以并行，得到的输出会输入到下一个encoder。

Self-Attention

接下来我们详细看一下self-attention，其思想和attention类似，但是self-attention是Transformer用来将其他相关单词的“理解”转换成我们正在处理的单词的一种思路，我们看个例子：

The animal didn't cross the street because it was too tired
       这里的it到底代表的是animal还是street呢，对于我们来说能很简单的判断出来，但是对于机器来说，是很难判断的，self-attention就能够让机器把it和animal联系起来，接下来我们看下详细的处理过程。

1、首先，self-attention会计算出三个新的向量，在论文中，向量的维度是512维，我们把这三个向量分别称为Query、Key、Value，这三个向量是用embedding向量与一个矩阵相乘得到的结果，这个矩阵是随机初始化的，维度为（64，512）注意第二个维度需要和embedding的维度一样，其值在BP的过程中会一直进行更新，得到的这三个向量的维度是64低于embedding维度的。

那么Query、Key、Value这三个向量又是什么呢？这三个向量对于attention来说很重要，当你理解了下文后，你将会明白这三个向量扮演者什么的角色。

2、计算self-attention的分数值，该分数值决定了当我们在某个位置encode一个词时，对输入句子的其他部分的关注程度。这个分数值的计算方法是Query与Key做点成，以下图为例，首先我们需要针对Thinking这个词，计算出其他词对于该词的一个分数值，首先是针对于自己本身即q1·k1，然后是针对于第二个词即q1·k2

3、接下来，把点成的结果除以一个常数，这里我们除以8，这个值一般是采用上文提到的矩阵的第一个维度的开方即64的开方8，当然也可以选择其他的值，然后把得到的结果做一个softmax的计算。得到的结果即是每个词对于当前位置的词的相关性大小，当然，当前位置的词相关性肯定会会很大

4、下一步就是把Value和softmax得到的值进行相乘，并相加，得到的结果即是self-attetion在当前节点的值。

在实际的应用场景，为了提高计算速度，我们采用的是矩阵的方式，直接计算出Query, Key, Value的矩阵，然后把embedding的值与三个矩阵直接相乘，把得到的新矩阵Q与K相乘，乘以一个常数，做softmax操作，最后乘上V矩阵：

这种通过 query 和 key 的相似性程度来确定 value 的权重分布的方法被称为scaled dot-product attention。

Multi-Headed Attention

这篇论文更牛逼的地方是给self-attention加入了另外一个机制，被称为“multi-headed” attention，该机制理解起来很简单，就是说不仅仅只初始化一组Q、K、V的矩阵，而是初始化多组，tranformer是使用了8组，所以最后得到的结果是8个矩阵。

这给我们留下了一个小的挑战，前馈神经网络没法输入8个矩阵呀，这该怎么办呢？所以我们需要一种方式，把8个矩阵降为1个，首先，我们把8个矩阵连在一起，这样会得到一个大的矩阵，再随机初始化一个矩阵和这个组合好的矩阵相乘，最后得到一个最终的矩阵。

这就是multi-headed attention的全部流程了，这里其实已经有很多矩阵了，我们把所有的矩阵放到一张图内看一下总体的流程。

Positional Encoding

到目前为止，transformer模型中还缺少一种解释输入序列中单词顺序的方法。为了处理这个问题，transformer给encoder层和decoder层的输入添加了一个额外的向量Positional Encoding，维度和embedding的维度一样，这个向量采用了一种很独特的方法来让模型学习到这个值，这个向量能决定当前词的位置，或者说在一个句子中不同的词之间的距离。这个位置向量的具体计算方法有很多种，论文中的计算方法如下：

其中pos是指当前词在句子中的位置，i是指向量中每个值的index，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，这里提供一下代码。

1 position_encoding =np.array(2     [[pos / np.power(10000, 2.0 * (j // 2) / d_model) for j in range(d_model)] for pos inrange(max_seq_len)])3
4 position_encoding[:, 0::2] = np.sin(position_encoding[:, 0::2])5 position_encoding[:, 1::2] = np.cos(position_encoding[:, 1::2])

最后把这个Positional Encoding与embedding的值相加，作为输入送到下一层。

Layer normalization

在transformer中，每一个子层（self-attetion，ffnn）之后都会接一个残缺模块，并且有一个Layer normalization

残缺模块相信大家都很清楚了，这里不再讲解，主要讲解下Layer normalization。Normalization有很多种，但是它们都有一个共同的目的，那就是把输入转化成均值为0方差为1的数据。我们在把数据送入激活函数之前进行normalization（归一化），因为我们不希望输入数据落在激活函数的饱和区。

说到 normalization，那就肯定得提到 Batch Normalization。BN的主要思想就是：在每一层的每一批数据上进行归一化。我们可能会对输入数据进行归一化，但是经过该网络层的作用后，我们的数据已经不再是归一化的了。随着这种情况的发展，数据的偏差越来越大，我的反向传播需要考虑到这些大的偏差，这就迫使我们只能使用较小的学习率来防止梯度消失或者梯度爆炸。

BN的具体做法就是对每一小批数据，在批这个方向上做归一化。如下图所示：

可以看到，右半边求均值是沿着数据 batch_size的方向进行的，其计算公式如下：

那么什么是 Layer normalization 呢？它也是归一化数据的一种方式，不过 LN 是在每一个样本上计算均值和方差，而不是BN那种在批方向计算均值和方差！

下面看一下 LN 的公式：

到这里为止就是全部encoders的内容了，如果把两个encoders叠加在一起就是这样的结构：

Decoder层

上图是transformer的一个详细结构，相比本文一开始结束的结构图会更详细些，接下来，我们会按照这个结构图讲解下decoder部分。

可以看到decoder部分其实和encoder部分大同小异，不过在最下面额外多了一个masked mutil-head attetion，这里的mask也是transformer一个很关键的技术，我们一起来看一下。

Mask

mask 表示掩码，它对某些值进行掩盖，使其在参数更新时不产生效果。Transformer 模型里面涉及两种 mask，分别是 padding mask 和 sequence mask。

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 self-attention 里面用到

Padding Mask

什么是 padding mask 呢？因为每个批次输入序列长度是不一样的也就是说，我们要对输入序列进行对齐。具体来说，就是给在较短的序列后面填充 0。但是如果输入的序列太长，则是截取左边的内容，把多余的直接舍弃。因为这些填充的位置，其实是没什么意义的，所以我们的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。

具体的做法是，把这些位置的值加上一个非常大的负数(负无穷)，这样的话，经过 softmax，这些位置的概率就会接近0！

而我们的 padding mask 实际上是一个张量，每个值都是一个Boolean，值为 false 的地方就是我们要进行处理的地方。

Sequence mask

文章前面也提到，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。

那么具体怎么做呢？也很简单：产生一个上三角矩阵，上三角的值全为0。把这个矩阵作用在每一个序列上，就可以达到我们的目的。

对于 decoder 的 self-attention，里面使用到的 scaled dot-product attention，同时需要padding mask 和 sequence mask 作为 attn_mask，具体实现就是两个mask相加作为attn_mask。
其他情况，attn_mask 一律等于 padding mask。

输出层

当decoder层全部执行完毕后，怎么把得到的向量映射为我们需要的词呢，很简单，只需要在结尾再添加一个全连接层和softmax层，假如我们的词典是1w个词，那最终softmax会输入1w个词的概率，概率值最大的对应的词就是我们最终的结果。

BERT的原理

BERT 的创新点在于它将双向 Transformer 用于语言模型，
       之前的模型是从左向右输入一个文本序列，或者将 left-to-right 和 right-to-left 的训练结合起来。
       实验的结果表明，双向训练的语言模型对语境的理解会比单向的语言模型更深刻，
       论文中介绍了一种新技术叫做 Masked LM（MLM），在这个技术出现之前是无法进行双向语言模型训练的。

BERT 利用了 Transformer 的 encoder 部分。
       Transformer 是一种注意力机制，可以学习文本中单词之间的上下文关系的。
       Transformer 的原型包括两个独立的机制，一个 encoder 负责接收文本作为输入，一个 decoder 负责预测任务的结果。
       BERT 的目标是生成语言模型，所以只需要 encoder 机制。

Transformer 的 encoder 是一次性读取整个文本序列，而不是从左到右或从右到左地按顺序读取，
       这个特征使得模型能够基于单词的两侧学习，相当于是一个双向的功能。

下图是 Transformer 的 encoder 部分，输入是一个 token 序列，先对其进行 embedding 称为向量，然后输入给神经网络，输出是大小为 H 的向量序列，每个向量对应着具有相同索引的 token。

当我们在训练语言模型时，有一个挑战就是要定义一个预测目标，很多模型在一个序列中预测下一个单词，
       “The child came home from ___”
       双向的方法在这样的任务中是有限制的，为了克服这个问题，BERT 使用两个策略:

1. Masked LM (MLM)

在将单词序列输入给 BERT 之前，每个序列中有 15％ 的单词被 [MASK] token 替换。 然后模型尝试基于序列中其他未被 mask 的单词的上下文来预测被掩盖的原单词。

这样就需要：

在 encoder 的输出上添加一个分类层
用嵌入矩阵乘以输出向量，将其转换为词汇的维度
用 softmax 计算词汇表中每个单词的概率
       BERT 的损失函数只考虑了 mask 的预测值，忽略了没有掩蔽的字的预测。这样的话，模型要比单向模型收敛得慢，不过结果的情境意识增加了。

2. Next Sentence Prediction (NSP)

在 BERT 的训练过程中，模型接收成对的句子作为输入，并且预测其中第二个句子是否在原始文档中也是后续句子。
在训练期间，50％ 的输入对在原始文档中是前后关系，另外 50％ 中是从语料库中随机组成的，并且是与第一句断开的。

为了帮助模型区分开训练中的两个句子，输入在进入模型之前要按以下方式进行处理：

1在第一个句子的开头插入 [CLS] 标记，在每个句子的末尾插入 [SEP] 标记。
2将表示句子 A 或句子 B 的一个句子 embedding 添加到每个 token 上。
3给每个 token 添加一个位置 embedding，来表示它在序列中的位置。
       为了预测第二个句子是否是第一个句子的后续句子，用下面几个步骤来预测：

1整个输入序列输入给 Transformer 模型
2用一个简单的分类层将 [CLS] 标记的输出变换为 2×1 形状的向量
3用 softmax 计算 IsNextSequence 的概率
       在训练 BERT 模型时，Masked LM 和 Next Sentence Prediction 是一起训练的，目标就是要最小化两种策略的组合损失函数。

如何使用 BERT?

BERT 可以用于各种NLP任务，只需在核心模型中添加一个层，例如：

在分类任务中，例如情感分析等，只需要在 Transformer 的输出之上加一个分类层
在问答任务（例如SQUAD v1.1）中，问答系统需要接收有关文本序列的 question，并且需要在序列中标记 answer。 可以使用 BERT 学习两个标记 answer 开始和结尾的向量来训练Q＆A模型。
在命名实体识别（NER）中，系统需要接收文本序列，标记文本中的各种类型的实体（人员，组织，日期等）。 可以用 BERT 将每个 token 的输出向量送到预测 NER 标签的分类层。
       在 fine-tuning 中，大多数超参数可以保持与 BERT 相同，在论文中还给出了需要调整的超参数的具体指导（第3.5节）。

https://blog.csdn.net/yyy430/article/details/88682656