手把手教你用pytorch代码实现Transformer模型

时间: 2023-12-13 13:31:32 浏览: 195
以下是手把手教你用PyTorch代码实现Transformer模型的步骤: 1.导入必要的库和模块 ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim import torch.nn.functional as F ``` 2.定义Transformer模型的编码器和解码器 ```python class Encoder(nn.Module): def __init__(self, input_dim, hid_dim, n_layers, n_heads, pf_dim, dropout, device): super().__init__() self.device = device self.tok_embedding = nn.Embedding(input_dim, hid_dim) self.pos_embedding = nn.Embedding(1000, hid_dim) self.layers = nn.ModuleList([EncoderLayer(hid_dim, n_heads, pf_dim, dropout, device) for _ in range(n_layers)]) self.dropout = nn.Dropout(dropout) self.scale = torch.sqrt(torch.FloatTensor([hid_dim])).to(device) def forward(self, src, src_mask): # src = [batch size, src len] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] batch_size = src.shape[0] src_len = src.shape[1] pos = torch.arange(0, src_len).unsqueeze(0).repeat(batch_size, 1).to(self.device) src = self.dropout((self.tok_embedding(src) * self.scale) + self.pos_embedding(pos)) for layer in self.layers: src = layer(src, src_mask) return src class EncoderLayer(nn.Module): def __init__(self, hid_dim, n_heads, pf_dim, dropout, device): super().__init__() self.self_attn_layer_norm = nn.LayerNorm(hid_dim) self.ff_layer_norm = nn.LayerNorm(hid_dim) self.self_attention = MultiHeadAttentionLayer(hid_dim, n_heads, dropout, device) self.positionwise_feedforward = PositionwiseFeedforwardLayer(hid_dim, pf_dim, dropout) self.dropout = nn.Dropout(dropout) def forward(self, src, src_mask): # src = [batch size, src len, hid dim] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] # self attention _src, _ = self.self_attention(src, src, src, src_mask) # dropout, residual connection and layer norm src = self.self_attn_layer_norm(src + self.dropout(_src)) # positionwise feedforward _src = self.positionwise_feedforward(src) # dropout, residual and layer norm src = self.ff_layer_norm(src + self.dropout(_src)) return src class MultiHeadAttentionLayer(nn.Module): def __init__(self, hid_dim, n_heads, dropout, device): super().__init__() assert hid_dim % n_heads == 0 self.hid_dim = hid_dim self.n_heads = n_heads self.head_dim = hid_dim // n_heads self.fc_q = nn.Linear(hid_dim, hid_dim) self.fc_k = nn.Linear(hid_dim, hid_dim) self.fc_v = nn.Linear(hid_dim, hid_dim) self.fc_o = nn.Linear(hid_dim, hid_dim) self.dropout = nn.Dropout(dropout) self.scale = torch.sqrt(torch.FloatTensor([self.head_dim])).to(device) def forward(self, query, key, value, mask=None): batch_size = query.shape[0] Q = self.fc_q(query) K = self.fc_k(key) V = self.fc_v(value) # Q = [batch size, query len, hid dim] # K = [batch size, key len, hid dim] # V = [batch size, value len, hid dim] Q = Q.view(batch_size, -1, self.n_heads, self.head_dim).permute(0, 2, 1, 3) K = K.view(batch_size, -1, self.n_heads, self.head_dim).permute(0, 2, 1, 3) V = V.view(batch_size, -1, self.n_heads, self.head_dim).permute(0, 2, 1, 3) # Q = [batch size, n heads, query len, head dim] # K = [batch size, n heads, key len, head dim] # V = [batch size, n heads, value len, head dim] energy = torch.matmul(Q, K.permute(0, 1, 3, 2)) / self.scale # energy = [batch size, n heads, query len, key len] if mask is not None: energy = energy.masked_fill(mask == 0, -1e10) attention = torch.softmax(energy, dim=-1) # attention = [batch size, n heads, query len, key len] x = torch.matmul(self.dropout(attention), V) # x = [batch size, n heads, query len, head dim] x = x.permute(0, 2, 1, 3).contiguous() # x = [batch size, query len, n heads, head dim] x = x.view(batch_size, -1, self.hid_dim) # x = [batch size, query len, hid dim] x = self.fc_o(x) # x = [batch size, query len, hid dim] return x, attention class PositionwiseFeedforwardLayer(nn.Module): def __init__(self, hid_dim, pf_dim, dropout): super().__init__() self.fc_1 = nn.Linear(hid_dim, pf_dim) self.fc_2 = nn.Linear(pf_dim, hid_dim) self.dropout = nn.Dropout(dropout) def forward(self, x): # x = [batch size, seq len, hid dim] x = self.dropout(torch.relu(self.fc_1(x))) # x = [batch size, seq len, pf dim] x = self.fc_2(x) # x = [batch size, seq len, hid dim] return x class Decoder(nn.Module): def __init__(self, output_dim, hid_dim, n_layers, n_heads, pf_dim, dropout, device): super().__init__() self.device = device self.tok_embedding = nn.Embedding(output_dim, hid_dim) self.pos_embedding = nn.Embedding(1000, hid_dim) self.layers = nn.ModuleList([DecoderLayer(hid_dim, n_heads, pf_dim, dropout, device) for _ in range(n_layers)]) self.fc_out = nn.Linear(hid_dim, output_dim) self.dropout = nn.Dropout(dropout) self.scale = torch.sqrt(torch.FloatTensor([hid_dim])).to(device) def forward(self, trg, enc_src, trg_mask, src_mask): # trg = [batch size, trg len] # enc_src = [batch size, src len, hid dim] # trg_mask = [batch size, 1, trg len, trg len] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] batch_size = trg.shape[0] trg_len = trg.shape[1] pos = torch.arange(0, trg_len).unsqueeze(0).repeat(batch_size, 1).to(self.device) trg = self.dropout((self.tok_embedding(trg) * self.scale) + self.pos_embedding(pos)) for layer in self.layers: trg, attention = layer(trg, enc_src, trg_mask, src_mask) output = self.fc_out(trg) return output, attention class DecoderLayer(nn.Module): def __init__(self, hid_dim, n_heads, pf_dim, dropout, device): super().__init__() self.self_attn_layer_norm = nn.LayerNorm(hid_dim) self.enc_attn_layer_norm = nn.LayerNorm(hid_dim) self.ff_layer_norm = nn.LayerNorm(hid_dim) self.self_attention = MultiHeadAttentionLayer(hid_dim, n_heads, dropout, device) self.encoder_attention = MultiHeadAttentionLayer(hid_dim, n_heads, dropout, device) self.positionwise_feedforward = PositionwiseFeedforwardLayer(hid_dim, pf_dim, dropout) self.dropout = nn.Dropout(dropout) def forward(self, trg, enc_src, trg_mask, src_mask): # trg = [batch size, trg len, hid dim] # enc_src = [batch size, src len, hid dim] # trg_mask = [batch size, 1, trg len, trg len] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] # self attention _trg, _ = self.self_attention(trg, trg, trg, trg_mask) # dropout, residual connection and layer norm trg = self.self_attn_layer_norm(trg + self.dropout(_trg)) # encoder attention _trg, attention = self.encoder_attention(trg, enc_src, enc_src, src_mask) # dropout, residual connection and layer norm trg = self.enc_attn_layer_norm(trg + self.dropout(_trg)) # positionwise feedforward _trg = self.positionwise_feedforward(trg) # dropout, residual and layer norm trg = self.ff_layer_norm(trg + self.dropout(_trg)) return trg, attention ``` 3.定义完模型后,我们需要定义一些辅助函数,如下所示: ```python def get_pad_mask(seq, pad_idx): return (seq != pad_idx).unsqueeze(-2) def get_subsequent_mask(seq): sz_b, len_s = seq.size() subsequent_mask = (1 - torch.triu(torch.ones((1, len_s, len_s), device=seq.device), diagonal=1)).bool() return subsequent_mask def get_clones(module, N): return nn.ModuleList([copy.deepcopy(module) for i in range(N)]) def greedy_decode(model, src, src_mask, max_len, start_symbol): memory = model.encode(src, src_mask) ys = torch.ones(1, 1).fill_(start_symbol).type_as(src.data) for i in range(max_len - 1): out = model.decode(memory, src_mask, ys, subsequent_mask) prob = model.generator(out[:, -1]) _, next_word = torch.max(prob, dim=1) next_word = next_word.item() ys = torch.cat([ys, torch.ones(1, 1).type_as(src.data).fill_(next_word)], dim=1) if next_word == 2: break return ys ``` 4.定义完辅助函数后,我们需要定义完整的Transformer模型,如下所示: ```python class Transformer(nn.Module): def __init__(self, src_vocab, trg_vocab, hid_dim, n_layers, n_heads, pf_dim, dropout, device, max_length=100): super().__init__() self.device = device self.src_vocab = src_vocab self.trg_vocab = trg_vocab self.hid_dim = hid_dim self.n_layers = n_layers self.n_heads = n_heads self.pf_dim = pf_dim self.dropout = dropout self.max_length = max_length self.encoder = Encoder(src_vocab, hid_dim, n_layers, n_heads, pf_dim, dropout, device) self.decoder = Decoder(trg_vocab, hid_dim, n_layers, n_heads, pf_dim, dropout, device) self.src_pad_idx = src_vocab.stoi['<pad>'] self.trg_pad_idx = trg_vocab.stoi['<pad>'] self.device = device def make_src_mask(self, src): # src = [batch size, src len] src_mask = (src != self.src_pad_idx).unsqueeze(1).unsqueeze(2) # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] return src_mask def make_trg_mask(self, trg): # trg = [batch size, trg len] trg_pad_mask = (trg != self.trg_pad_idx).unsqueeze(1).unsqueeze(2) # trg_pad_mask = [batch size, 1, 1, trg len] trg_len = trg.shape[1] trg_sub_mask = torch.tril(torch.ones((trg_len, trg_len), device=self.device)).bool() # trg_sub_mask = [trg len, trg len] trg_mask = trg_pad_mask & trg_sub_mask # trg_mask = [batch size, 1, trg len, trg len] return trg_mask def forward(self, src, trg): # src = [batch size, src len] # trg = [batch size, trg len] src_mask = self.make_src_mask(src) trg_mask = self.make_trg_mask(trg) enc_src = self.encoder(src, src_mask) output, attention = self.decoder(trg, enc_src, trg_mask, src_mask) return output, attention def encode(self, src, src_mask): # src = [batch size, src len] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] enc_src = self.encoder(src, src_mask) return enc_src def decode(self, memory, src_mask, trg, trg_mask): # memory = [batch size, src len, hid dim] # src_mask = [batch size, 1, 1, src len] # trg = [batch size, trg
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