如何从零开始训练BERT模型

我的许多文章都专注于 BERT——这个模型出现并主导了自然语言处理 (NLP) 的世界，标志着语言模型的新时代。

对于那些之前可能没有使用过 Transformer 模型（例如 BERT 是什么）的人，这个过程看起来有点像这样：

pip 安装Transformer
初始化一个预训练的 Transformer 模型 — from_pretrained。
在一些数据上测试它。
也许微调模型（再训练一些）。

现在，这是一个很好的方法，但如果我们只这样做，我们就会缺乏对创建我们自己的 Transformer 模型的理解。

而且，如果我们不能创建自己的 Transformer 模型——我们必须依赖于一个适合我们问题的预训练模型，但情况并非总是如此：

因此，在本文中，我们将探讨构建我们自己的 Transformer 模型必须采取的步骤——特别是 BERT 的进一步开发版本，称为 RoBERTa。

概述

这个过程有几个步骤，所以在我们深入研究之前，让我们先总结一下我们需要做什么。总的来说，有四个关键部分：

获取数据
构建分词器
创建输入管道
训练模型

一旦我们完成了这些部分中的每一个，我们将使用我们构建的标记器和模型 - 并将它们保存起来，以便我们可以像通常使用 from_pretrained 一样的方式使用它们。

获取数据

与任何机器学习项目一样，我们需要数据。在用于训练 Transformer 模型的数据方面，我们几乎可以使用任何文本数据。

而且，如果我们在互联网上有很多东西——那就是非结构化文本数据。

从互联网上抓取的文本领域中最大的数据集之一是 OSCAR 数据集。

OSCAR 数据集拥有大量不同的语言——从头开始训练最清晰的用例之一是我们可以将 BERT 应用于一些不太常用的语言，例如泰卢固语或纳瓦霍语。

我的语言是英语——但我的女朋友是意大利人，所以她——劳拉，将评估我们讲意大利语的 BERT 模型——FiliBERTo 的结果。

因此，要下载 OSCAR 数据集的意大利语部分，我们将使用 HuggingFace 的数据集库——我们可以使用 pip install datasets 安装它。然后我们下载 OSCAR_IT ：

from datasets import load_dataset
dataset = load_dataset('oscar', 'unshuffled_deduplicated_it')

我们来看看数据集对象。

现在让我们以一种可以在构建分词器时使用的格式存储我们的数据。我们需要创建一组仅包含数据集中文本特征的纯文本文件，我们将使用换行符 \n 拆分每个样本。

from tqdm.auto import tqdmtext_data = []
file_count = 0for sample in tqdm(dataset['train']):sample = sample['text'].replace('\n', '')text_data.append(sample)if len(text_data) == 10_000:# once we git the 10K mark, save to filewith open(f'../../data/text/oscar_it/text_{file_count}.txt', 'w', encoding='utf-8') as fp:fp.write('\n'.join(text_data))text_data = []file_count += 1
# after saving in 10K chunks, we will have ~2082 leftover samples, we save those now too
with open(f'../../data/text/oscar_it/text_{file_count}.txt', 'w', encoding='utf-8') as fp:fp.write('\n'.join(text_data))

在我们的 data/text/oscar_it 目录中，我们会发现：

构建分词器

接下来是标记器！在使用转换器时，我们通常会加载一个分词器，连同其各自的转换器模型——分词器是该过程中的关键组件。

在构建我们的分词器时，我们将为它提供我们所有的 OSCAR 数据，指定我们的词汇量大小（分词器中的标记数）和任何特殊标记。

现在，RoBERTa 特殊令牌如下所示：

oken	Use
`<s>`	Beginning of sequence (BOS) or classifier (CLS) token
`</s>`	End of sequence (EOS) or seperator (SEP) token
`<unk>`	Unknown token
`<pad>`	Padding token
`<mask>`	Masking token

因此，我们确保将它们包含在标记器的 train 方法调用的 special_tokens 参数中。

from pathlib import Path
paths = [str(x) for x in Path('../../data/text/oscar_it').glob('**/*.txt')]
from tokenizers import ByteLevelBPETokenizer
tokenizer = ByteLevelBPETokenizer()
tokenizer.train(files=paths[:5], vocab_size=30_522, min_frequency=2,special_tokens=['<s>', '<pad>', '</s>', '<unk>', '<mask>'])

我们的分词器现在已经准备好了，我们可以保存它的文件以备后用：

import os
os.mkdir('./filiberto')
tokenizer.save_model('filiberto')

现在我们有两个文件定义了我们的新 FiliBERTo 分词器：

 merges.txt — 执行文本到标记的初始映射vocab.json — 将令牌映射到令牌 ID

有了这些，我们可以继续初始化我们的分词器，以便我们可以像使用任何其他 from_pretrained 分词器一样使用它。

初始化分词器

我们首先使用我们之前构建的两个文件来初始化分词器——使用一个简单的 from_pretrained：

from transformers import RobertaTokenizer# initialize the tokenizer using the tokenizer we initialized and saved to file
tokenizer = RobertaTokenizer.from_pretrained('filiberto', max_len=512)

现在我们的标记器已经准备好了，我们可以尝试用它编码一些文本。编码时，我们使用与通常使用的两种方法相同的方法，encode 和 encode_batch。

# test our tokenizer on a simple sentence
tokens = tokenizer('ciao, come va?')

从编码对象标记中，我们将提取 input_ids 和 attention_mask 张量以与 FiliBERTo 一起使用。

创建输入管道

我们训练过程的输入管道是整个过程中比较复杂的部分。它包括我们获取原始 OSCAR 训练数据，对其进行转换，然后将其加载到准备进行训练的 DataLoader 中。

准备数据

我们将从一个示例开始，然后完成准备逻辑。

首先，我们需要打开我们的文件——我们之前保存为 .txt 文件的相同文件。我们根据换行符 \n 拆分每个，因为这表示单个样本。

with open('../../data/text/oscar_it/text_0.txt', 'r', encoding='utf-8') as fp:lines = fp.read().split('\n')

然后我们使用 encode_batch 方法对我们的数据进行编码。

batch = tokenizer.encode_batch(lines)
len(batch)

现在我们可以继续创建我们的张量——我们将通过掩码语言建模 (MLM) 来训练我们的模型。所以，我们需要三个张量：

 input_ids — 我们的 token_ids，其中约 15% 的令牌使用掩码令牌 <mask> 进行掩码。attention_mask——一个 1 和 0 的张量，标记“真实”标记/填充标记的位置——用于注意力计算。
labels——我们的 token_ids 没有屏蔽。

如果你不熟悉MLM，我以前的文章已经解释了。

我们的 attention_mask 和标签张量只是从我们的批次中提取的。但是input_ids 张量需要更多操作，对于这个张量，我们屏蔽了大约 15% 的标记——为它们分配标记 ID 3。

import torchlabels = torch.tensor([x.ids for x in batch])
mask = torch.tensor([x.attention_mask for x in batch])# make copy of labels tensor, this will be input_ids
input_ids = labels.detach().clone()
# create random array of floats with equal dims to input_ids
rand = torch.rand(input_ids.shape)
# mask random 15% where token is not 0 [PAD], 1 [CLS], or 2 [SEP]
mask_arr = (rand < .15) * (input_ids != 0) * (input_ids != 1) * (input_ids != 2)
# loop through each row in input_ids tensor (cannot do in parallel)
for i in range(input_ids.shape[0]):# get indices of mask positions from mask arrayselection = torch.flatten(mask_arr[i].nonzero()).tolist()# mask input_idsinput_ids[i, selection] = 3  # our custom [MASK] token == 3

在最终输出中，我们可以看到编码的 input_ids 张量的一部分。第一个令牌 ID 是 1 — [CLS] 令牌。在张量周围，我们有几个 3 个令牌 ID——这些是我们新添加的 [MASK] 令牌。

构建dataloader

接下来，我们定义我们的 Dataset 类——我们用它来将我们的三个编码张量初始化为 PyTorch torch.utils.data.Dataset 对象。

encodings = {'input_ids': input_ids, 'attention_mask': mask, 'labels': labels}
class Dataset(torch.utils.data.Dataset):def __init__(self, encodings):# store encodings internallyself.encodings = encodingsdef __len__(self):# return the number of samplesreturn self.encodings['input_ids'].shape[0]def __getitem__(self, i):# return dictionary of input_ids, attention_mask, and labels for index ireturn {key: tensor[i] for key, tensor in self.encodings.items()}dataset = Dataset(encodings)loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset, batch_size=16, shuffle=True)

最后，我们的数据集被加载到 PyTorch DataLoader 对象中——我们使用它在训练期间将数据加载到我们的模型中。

训练模型

我们需要两件东西来训练，我们的 DataLoader 和一个模型。我们拥有的 DataLoader — 但没有模型。

初始化模型

对于训练，我们需要一个原始的（未预训练的）BERTLMHeadModel。要创建它，我们首先需要创建一个 RoBERTa 配置对象来描述我们想要用来初始化 FiliBERTo 的参数。

from transformers import RobertaConfigconfig = RobertaConfig(vocab_size=30_522,  # we align this to the tokenizer vocab_sizemax_position_embeddings=514,hidden_size=768,num_attention_heads=12,num_hidden_layers=6,type_vocab_size=1
)

然后，我们使用语言建模 (LM) 头导入并初始化我们的 RoBERTa 模型。

from transformers import RobertaForMaskedLMmodel = RobertaForMaskedLM(config)

训练准备

在进入我们的训练循环之前，我们需要设置一些东西。首先，我们设置 GPU/CPU 使用率。然后我们激活我们模型的训练模式——最后，初始化我们的优化器。

device = torch.device('cuda') if torch.cuda.is_available() else torch.device('cpu')
# and move our model over to the selected device
model.to(device)from transformers import AdamW# activate training mode
model.train()
# initialize optimizer
optim = AdamW(model.parameters(), lr=1e-4)

训练

最后——训练时间！我们按照通常通过 PyTorch 进行培训时的方式进行训练。

epochs = 2for epoch in range(epochs):# setup loop with TQDM and dataloaderloop = tqdm(loader, leave=True)for batch in loop:# initialize calculated gradients (from prev step)optim.zero_grad()# pull all tensor batches required for traininginput_ids = batch['input_ids'].to(device)attention_mask = batch['attention_mask'].to(device)labels = batch['labels'].to(device)# processoutputs = model(input_ids, attention_mask=attention_mask,labels=labels)# extract lossloss = outputs.loss# calculate loss for every parameter that needs grad updateloss.backward()# update parametersoptim.step()# print relevant info to progress barloop.set_description(f'Epoch {epoch}')loop.set_postfix(loss=loss.item())

model.save_pretrained('./filiberto')  # and don't forget to save filiBERTo!

如果我们继续使用 Tensorboard，随着时间的推移，我们会发现我们的损失——它看起来很有希望。

最终测试

现在是进行真正测试的时候了。我们建立了一个MLM管道——并请劳拉评估结果。

我们首先使用“fill-mask”参数初始化一个管道对象。然后像这样开始测试我们的模型：

from transformers import pipeline
fill = pipeline('fill-mask', model='filiberto', tokenizer='filiberto')
fill(f'ciao {fill.tokenizer.mask_token} va?')

看样子还不错，接下来是复杂的短语

最后，再来一句更难的话，“cosa sarebbe successo se avessimo scelto un altro giorno？” ——或者“如果我们选择另一天会发生什么？”：

总的来说，看起来我们的模型通过了劳拉的测试——我们现在有一个名为 FiliBERTo 的意大利语模型！

这就是从头开始训练 BERT 模型的演练！

我们已经涵盖了很多方面，从获取和格式化我们的数据——一直到使用语言建模来训练我们的原始 BERT 模型。

作者：James Briggs