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[人工智能]2021-08-18

记录2.1 2.2中几个重要的点。

1. Self-Attention 整体理解

别被“Self-Attention”这么高大上的词给唬住了,乍一听好像每个人都应该对这个词熟悉一样。但我在读论文《Attention is All You Need》 之前就没有听过这个词。下面来分析 Self-Attention 的具体机制。

假设我们想要翻译的句子是:

The animal didn't cross the street because it was too tired

这个句子中的 it 是一个指代词,那么 it 指的是什么呢?它是指 animal 还是street?这个问题对人来说,是很简单的,但是对算法来说并不是那么容易。

当模型在处理(翻译)it 的时候,Self Attention机制能够让模型把it和animal关联起来。

同理,当模型处理句子中的每个词时,Self Attention机制使得模型不仅能够关注这个位置的词,而且能够关注句子中其他位置的词,作为辅助线索,进而可以更好地编码当前位置的词。

如果你熟悉 RNN,回忆一下:RNN 在处理一个词时,会考虑前面传过来的hidden state,而hidden state就包含了前面的词的信息。而 Transformer 使用Self Attention机制,会把其他单词的理解融入处理当前的单词。

2. 多头注意力

在这里插入图片描述

3. 代码实现

class MultiheadAttention(nn.Module):
    # n_heads:多头注意力的数量
    # hid_dim:每个词输出的向量维度
    def __init__(self, hid_dim, n_heads, dropout):
        super(MultiheadAttention, self).__init__()
        self.hid_dim = hid_dim
        self.n_heads = n_heads

        # 强制 hid_dim 必须整除 h
        assert hid_dim % n_heads == 0
        # 定义 W_q 矩阵
        self.w_q = nn.Linear(hid_dim, hid_dim)
        # 定义 W_k 矩阵
        self.w_k = nn.Linear(hid_dim, hid_dim)
        # 定义 W_v 矩阵
        self.w_v = nn.Linear(hid_dim, hid_dim)
        self.fc = nn.Linear(hid_dim, hid_dim)
        self.do = nn.Dropout(dropout)
        # 缩放
        self.scale = torch.sqrt(torch.FloatTensor([hid_dim // n_heads]))

    def forward(self, query, key, value, mask=None):
        # K: [64,10,300], batch_size 为 64,有 12 个词,每个词的 Query 向量是 300 维
        # V: [64,10,300], batch_size 为 64,有 10 个词,每个词的 Query 向量是 300 维
        # Q: [64,12,300], batch_size 为 64,有 10 个词,每个词的 Query 向量是 300 维
        bsz = query.shape[0]
        Q = self.w_q(query)
        K = self.w_k(key)
        V = self.w_v(value)
        # 这里把 K Q V 矩阵拆分为多组注意力,变成了一个 4 维的矩阵
        # 最后一维就是是用 self.hid_dim // self.n_heads 来得到的,表示每组注意力的向量长度, 每个 head 的向量长度是:300/6=50
        # 64 表示 batch size,6 表示有 6组注意力,10 表示有 10 词,50 表示每组注意力的词的向量长度
        # K: [64,10,300] 拆分多组注意力 -> [64,10,6,50] 转置得到 -> [64,6,10,50]
        # V: [64,10,300] 拆分多组注意力 -> [64,10,6,50] 转置得到 -> [64,6,10,50]
        # Q: [64,12,300] 拆分多组注意力 -> [64,12,6,50] 转置得到 -> [64,6,12,50]
        # 转置是为了把注意力的数量 6 放到前面,把 10 和 50 放到后面,方便下面计算
        Q = Q.view(bsz, -1, self.n_heads, self.hid_dim //
                   self.n_heads).permute(0, 2, 1, 3)
        K = K.view(bsz, -1, self.n_heads, self.hid_dim //
                   self.n_heads).permute(0, 2, 1, 3)
        V = V.view(bsz, -1, self.n_heads, self.hid_dim //
                   self.n_heads).permute(0, 2, 1, 3)

        # 第 1 步:Q 乘以 K的转置,除以scale
        # [64,6,12,50] * [64,6,50,10] = [64,6,12,10]
        # attention:[64,6,12,10]
        attention = torch.matmul(Q, K.permute(0, 1, 3, 2)) / self.scale

        # 把 mask 不为空,那么就把 mask 为 0 的位置的 attention 分数设置为 -1e10
        if mask isnotNone:
            attention = attention.masked_fill(mask == 0, -1e10)

        # 第 2 步:计算上一步结果的 softmax,再经过 dropout,得到 attention。
        # 注意,这里是对最后一维做 softmax,也就是在输入序列的维度做 softmax
        # attention: [64,6,12,10]
        attention = self.do(torch.softmax(attention, dim=-1))

        # 第三步,attention结果与V相乘,得到多头注意力的结果
        # [64,6,12,10] * [64,6,10,50] = [64,6,12,50]
        # x: [64,6,12,50]
        x = torch.matmul(attention, V)

        # 因为 query 有 12 个词,所以把 12 放到前面,把 5 和 60 放到后面,方便下面拼接多组的结果
        # x: [64,6,12,50] 转置-> [64,12,6,50]
        x = x.permute(0, 2, 1, 3).contiguous()
        # 这里的矩阵转换就是:把多组注意力的结果拼接起来
        # 最终结果就是 [64,12,300]
        # x: [64,12,6,50] -> [64,12,300]
        x = x.view(bsz, -1, self.n_heads * (self.hid_dim // self.n_heads))
        x = self.fc(x)
        return x


# batch_size 为 64,有 12 个词,每个词的 Query 向量是 300 维
query = torch.rand(64, 12, 300)
# batch_size 为 64,有 12 个词,每个词的 Key 向量是 300 维
key = torch.rand(64, 10, 300)
# batch_size 为 64,有 10 个词,每个词的 Value 向量是 300 维
value = torch.rand(64, 10, 300)
attention = MultiheadAttention(hid_dim=300, n_heads=6, dropout=0.1)
output = attention(query, key, value)
## output: torch.Size([64, 12, 300])
print(output.shape)
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加:2021-08-19 12:04:06  更:2021-08-19 12:05:11 
 
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