Seq2Seq(Attention)的PyTorch实现（超级详细）

文本主要介绍一下如何使用PyTorch复现Seq2Seq(with Attention)，实现简单的机器翻译任务，请先阅读论文Neural Machine Translation by Jointly Learning to Align and Translate，之后花上15分钟阅读我的这两篇文章Seq2Seq 与注意力机制，图解Attention，最后再来看文本，方能达到醍醐灌顶，事半功倍的效果

数据预处理

数据预处理的代码其实就是调用各种API，我不希望读者被这些不太重要的部分分散了注意力，因此这里我不贴代码，仅口述一下带过即可

如下图所示，本文使用的是德语→英语数据集，输入是德语，并且输入的每个句子开头和结尾都带有特殊的标识符。输出是英语，并且输出的每个句子开头和结尾也都带有特殊标识符

不管是英语还是德语，每句话长度都是不固定的，所以我对于每个batch内的句子，将它们的长度通过加<PAD>变得一样，也就说，一个batch内的句子，长度都是相同的，不同batch内的句子长度不一定相同。下图维度表示分别是[seq_len, batch_size]

随便打印一条数据，看一下数据封装的形式

在数据预处理的时候，需要将源句子和目标句子分开构建字典，也就是单独对德语构建一个词库，对英语构建一个词库

Encoder

Encoder我是用的单层双向GRU

双向GRU的隐藏状态输出由两个向量拼接而成，例如$h_1=[\overrightarrow{h_1};\overleftarrow{h_T}]$,$h_2=[\overrightarrow{h_2};{\overleftarrow{h}}_{T?1}]$…所有时刻的最后一层隐藏状态就构成了GRU的output

output={h1,h2,...hT}output=\{h_1,h_2,...h_T\} output={ h1?,h2?,...hT?}

假设这是个m层GRU，那么最后一个时刻所有层中的隐藏状态就构成了GRU的final hidden states
hidden={hT1,hT2,...,hTm}hidden=\{h^1_T,h^2_T,...,h^m_T\} hidden={ hT1?,hT2?,...,hTm?}
其中
$$h_T^i=[\overrightarrow{h_T^i};\overleftarrow{h_0^i}]$$
所以
hidden={[hT1→;h01←],[hT2→;h02←],...,[hTm→;h0m←]}hidden=\{[\overrightarrow{h^1_T};\overleftarrow{h^1_0}],[\overrightarrow{h^2_T};\overleftarrow{h^2_0}],...,[\overrightarrow{h^m_T};\overleftarrow{h^m_0}]\} hidden={ [hT1? ?;h01? ?],[hT2? ?;h02? ?],...,[hTm? ?;h0m? ?]}
根据论文，或者你看了我的图解Attention这篇文章就会知道，我们需要的是hidden的最后一层输出（包括正向和反向），因此我们可以通过hidden[-2,:,:]和hidden[-1,:,:]取出最后一层的hidden states，将它们拼接起来记作$s_0$

最后一个细节之处在于，$s_0$的维度是[batch_size, en_hid_dim*2]，即便是没有Attention机制，将$s_0$作为Decoder的初始隐藏状态也不对，因为维度不匹配，需要将$s_0$的维度转为[batch_size, src_len, dec_hid_dim]，中间的src_len暂且不谈，首先要做的是转为[batch_size, dec_hid_dim]，所以这里需要将$s_0$通过一个全连接神经网络，进行维度转换

Encoder的细节就这么多，下面直接上代码，我的代码风格是，注释在上，代码在下

class Encoder(nn.Module):def __init__(self, input_dim, emb_dim, enc_hid_dim, dec_hid_dim, dropout):super().__init__()self.embedding = nn.Embedding(input_dim, emb_dim)self.rnn = nn.GRU(emb_dim, enc_hid_dim, bidirectional = True)self.fc = nn.Linear(enc_hid_dim * 2, dec_hid_dim)self.dropout = nn.Dropout(dropout)def forward(self, src): '''src = [src_len, batch_size]'''src = src.transpose(0, 1) # src = [batch_size, src_len]embedded = self.dropout(self.embedding(src)).transpose(0, 1) # embedded = [src_len, batch_size, emb_dim]# enc_output = [src_len, batch_size, hid_dim * num_directions]# enc_hidden = [n_layers * num_directions, batch_size, hid_dim]enc_output, enc_hidden = self.rnn(embedded) # if h_0 is not give, it will be set 0 acquiescently# enc_hidden is stacked [forward_1, backward_1, forward_2, backward_2, ...]# enc_output are always from the last layer# enc_hidden [-2, :, : ] is the last of the forwards RNN # enc_hidden [-1, :, : ] is the last of the backwards RNN# initial decoder hidden is final hidden state of the forwards and backwards # encoder RNNs fed through a linear layer# s = [batch_size, dec_hid_dim]s = torch.tanh(self.fc(torch.cat((enc_hidden[-2,:,:], enc_hidden[-1,:,:]), dim = 1)))return enc_output, s

Attention

attention无非就是三个公式
$$\begin{gathered} E_t=tanh(attn(s_{t?1},H)) \\ \widetilde{a_t}=v{E}_t \\ {a}_t=softmax(\widetilde{a_t}) \end{gathered}$$
其中$s_{t?1}$指的就是Encoder中的变量s，$H$指的就是Encoder中的变量enc_output，$attn()$其实就是一个简单的全连接神经网络

我们可以从最后一个公式反推各个变量的维度是什么，或者维度有什么要求

首先$a_t$的维度应该是[batch_size, src_len]，这是毋庸置疑的，那么$\widetilde{a_t}$的维度也应该是[batch_size, src_len]，或者$\widetilde{a_t}$是个三维的，但是某个维度值为1，可以通过squeeze()变成两维的。这里我们先假设$\widetilde{a_t}$的维度是[batch_size, src_len, 1]，等会儿我再解释为什么要这样假设

继续往上推，变量$v$的维度就应该是[?, 1]，?表示我暂时不知道它的值应该是多少。$E_t$的维度应该是[batch_size, src_len, ?]

现在已知$H$的维度是[batch_size, src_len, enc_hid_dim*2]，$s_{t?1}$目前的维度是[batch_size, dec_hid_dim]，这两个变量需要做拼接，送入全连接神经网络，因此我们首先需要将$s_{t?1}$的维度变成[batch_size, src_len, dec_hid_dim]，拼接之后的维度就变成[batch_size, src_len, enc_hid_dim*2+enc_hid_dim]，于是$attn()$这个函数的输入输出值也就有了

attn = nn.Linear(enc_hid_dim*2+enc_hid_dim, ?)

到此为止，除了?部分的值不清楚，其它所有维度都推导出来了。现在我们回过头思考一下?设置成多少，好像其实并没有任何限制，所以我们可以设置?为任何值（在代码中我设置?为dec_hid_dim）

Attention细节就这么多，下面给出代码

class Attention(nn.Module):def __init__(self, enc_hid_dim, dec_hid_dim):super().__init__()self.attn = nn.Linear((enc_hid_dim * 2) + dec_hid_dim, dec_hid_dim, bias=False)self.v = nn.Linear(dec_hid_dim, 1, bias = False)def forward(self, s, enc_output):# s = [batch_size, dec_hid_dim]# enc_output = [src_len, batch_size, enc_hid_dim * 2]batch_size = enc_output.shape[1]src_len = enc_output.shape[0]# repeat decoder hidden state src_len times# s = [batch_size, src_len, dec_hid_dim]# enc_output = [batch_size, src_len, enc_hid_dim * 2]s = s.unsqueeze(1).repeat(1, src_len, 1)enc_output = enc_output.transpose(0, 1)# energy = [batch_size, src_len, dec_hid_dim]energy = torch.tanh(self.attn(torch.cat((s, enc_output), dim = 2)))# attention = [batch_size, src_len]attention = self.v(energy).squeeze(2)return F.softmax(attention, dim=1)

Seq2Seq(with Attention)

我调换一下顺序，先讲Seq2Seq，再讲Decoder的部分

传统Seq2Seq是直接将句子中每个词连续不断输入Decoder进行训练，而引入Attention机制之后，我需要能够人为控制一个词一个词进行输入（因为输入每个词到Decoder，需要再做一些运算），所以在代码中会看到我使用了for循环，循环trg_len-1次（开头的<SOS>我手动输入，所以循环少一次）

并且训练过程中我使用了一种叫做Teacher Forcing的机制，保证训练速度的同时增加鲁棒性，如果不了解Teacher Forcing可以看我的这篇文章

思考一下for循环中应该要做哪些事？首先要将变量传入Decoder，由于Attention的计算是在Decoder的内部进行的，所以我需要将dec_input、s、enc_output这三个变量传入Decoder，Decoder会返回dec_output以及新的s。之后根据概率对dec_output做Teacher Forcing即可

Seq2Seq细节就这么多，下面给出代码

class Seq2Seq(nn.Module):def __init__(self, encoder, decoder, device):super().__init__()self.encoder = encoderself.decoder = decoderself.device = devicedef forward(self, src, trg, teacher_forcing_ratio = 0.5):# src = [src_len, batch_size]# trg = [trg_len, batch_size]# teacher_forcing_ratio is probability to use teacher forcingbatch_size = src.shape[1]trg_len = trg.shape[0]trg_vocab_size = self.decoder.output_dim# tensor to store decoder outputsoutputs = torch.zeros(trg_len, batch_size, trg_vocab_size).to(self.device)# enc_output is all hidden states of the input sequence, back and forwards# s is the final forward and backward hidden states, passed through a linear layerenc_output, s = self.encoder(src)# first input to the decoder is the <sos> tokensdec_input = trg[0,:]for t in range(1, trg_len):# insert dec_input token embedding, previous hidden state and all encoder hidden states# receive output tensor (predictions) and new hidden statedec_output, s = self.decoder(dec_input, s, enc_output)# place predictions in a tensor holding predictions for each tokenoutputs[t] = dec_output# decide if we are going to use teacher forcing or notteacher_force = random.random() < teacher_forcing_ratio# get the highest predicted token from our predictionstop1 = dec_output.argmax(1) # if teacher forcing, use actual next token as next input# if not, use predicted tokendec_input = trg[t] if teacher_force else top1return outputs

Decoder

Decoder我用的是单向单层GRU

Decoder部分实际上也就是三个公式
$$\begin{gathered} c=a_{t}H \\ {s}_t=GRU(emb(y_t),c,s_{t?1}) \\ \widehat{y_t}=f(emb(y_t),c,s_t) \end{gathered}$$
$H$指的是Encoder中的变量enc_output，$emb(y_t)$指的是将dec_input经过WordEmbedding后得到的结果，$f()$函数实际上就是为了转换维度，因为需要的输出是TRG_VOCAB_SIZE大小。其中有个细节，GRU的参数只有两个，一个输入，一个隐藏层输入，但是上面的公式有三个变量，所以我们应该选一个作为隐藏层输入，另外两个"整合"一下，作为输入

我们从第一个公式正推各个变量的维度是什么

首先在Encoder中最开始先调用一次Attention，得到权重$a_t$，它的维度是[batch_size, src_len]，而$H$的维度是[src_len, batch_size, enc_hid_dim*2]，它俩要相乘，同时应该保留batch_size这个维度，所以应该先将$a_t$扩展一维，然后调换一下$H$维度的顺序，之后再按照batch相乘（即同一个batch内的矩阵相乘）

a = a.unsqueeze(1) # [batch_size, 1, src_len]
H = H.transpose(0, 1) # [batch_size, src_len, enc_hid_dim*2]
c = torch.bmm(a, h) # [batch_size, 1, enc_hid_dim*2]

前面也说了，由于GRU不需要三个变量，所以需要将$emb(y_t)$和$c$整合一下，$y_t$实际上就是Seq2Seq类中的dec_input变量，它的维度是[batch_size]，因此先将$y_t$扩展一个维度，再通过WordEmbedding，这样他就变成[batch_size, 1, emb_dim]。最后对$c$和$emb(y_t)$进行concat

y = y.unsqueeze(1) # [batch_size, 1]
emb_y = self.emb(y) # [batch_size, 1, emb_dim]
rnn_input = torch.cat((emb_y, c), dim=2) # [batch_size, 1, emb_dim+enc_hid_dim*2]

$s_{t?1}$的维度是[batch_size, dec_hid_dim]，所以应该先将其拓展一个维度

rnn_input = rnn_input.transpose(0, 1) # [1, batch_size, emb_dim+enc_hid_dim*2]
s = s.unsqueeze(1) # [batch_size, 1, dec_hid_dim]# dec_output = [1, batch_size, dec_hid_dim]
# dec_hidden = [1, batch_size, dec_hid_dim] = s (new, is not s previously)
dec_output, dec_hidden = self.rnn(rnn_input, s)

最后一个公式，需要将三个变量全部拼接在一起，然后通过一个全连接神经网络，得到最终的预测。我们先分析下这个三个变量的维度，$emb(y_t)$的维度是[batch_size, 1, emb_dim]，$c$的维度是[batch_size, 1, enc_hid_dim]，$s_t$的维度是[1, batch_size, dec_hid_dim]，因此我们可以像下面这样把他们全部拼接起来

emd_y = emb_y.squeeze(1) # [batch_size, emb_dim]
c = w.squeeze(1) # [batch_size, enc_hid_dim*2]
s = s.squeeze(0) # [batch_size, dec_hid_dim]fc_input = torch.cat((emb_y, c, s), dim=1) # [batch_size, enc_hid_dim*2+dec_hid_dim+emb_hid] 

以上就是Decoder部分的细节，下面给出代码（上面的那些只是示例代码，和下面代码变量名可能不一样）

class Decoder(nn.Module):def __init__(self, output_dim, emb_dim, enc_hid_dim, dec_hid_dim, dropout, attention):super().__init__()self.output_dim = output_dimself.attention = attentionself.embedding = nn.Embedding(output_dim, emb_dim)self.rnn = nn.GRU((enc_hid_dim * 2) + emb_dim, dec_hid_dim)self.fc_out = nn.Linear((enc_hid_dim * 2) + dec_hid_dim + emb_dim, output_dim)self.dropout = nn.Dropout(dropout)def forward(self, dec_input, s, enc_output):# dec_input = [batch_size]# s = [batch_size, dec_hid_dim]# enc_output = [src_len, batch_size, enc_hid_dim * 2]dec_input = dec_input.unsqueeze(1) # dec_input = [batch_size, 1]embedded = self.dropout(self.embedding(dec_input)).transpose(0, 1) # embedded = [1, batch_size, emb_dim]# a = [batch_size, 1, src_len] a = self.attention(s, enc_output).unsqueeze(1)# enc_output = [batch_size, src_len, enc_hid_dim * 2]enc_output = enc_output.transpose(0, 1)# c = [1, batch_size, enc_hid_dim * 2]c = torch.bmm(a, enc_output).transpose(0, 1)# rnn_input = [1, batch_size, (enc_hid_dim * 2) + emb_dim]rnn_input = torch.cat((embedded, c), dim = 2)# dec_output = [src_len(=1), batch_size, dec_hid_dim]# dec_hidden = [n_layers * num_directions, batch_size, dec_hid_dim]dec_output, dec_hidden = self.rnn(rnn_input, s.unsqueeze(0))# embedded = [batch_size, emb_dim]# dec_output = [batch_size, dec_hid_dim]# c = [batch_size, enc_hid_dim * 2]embedded = embedded.squeeze(0)dec_output = dec_output.squeeze(0)c = c.squeeze(0)# pred = [batch_size, output_dim]pred = self.fc_out(torch.cat((dec_output, c, embedded), dim = 1))return pred, dec_hidden.squeeze(0)

定义模型

INPUT_DIM = len(SRC.vocab)
OUTPUT_DIM = len(TRG.vocab)
ENC_EMB_DIM = 256
DEC_EMB_DIM = 256
ENC_HID_DIM = 512
DEC_HID_DIM = 512
ENC_DROPOUT = 0.5
DEC_DROPOUT = 0.5attn = Attention(ENC_HID_DIM, DEC_HID_DIM)
enc = Encoder(INPUT_DIM, ENC_EMB_DIM, ENC_HID_DIM, DEC_HID_DIM, ENC_DROPOUT)
dec = Decoder(OUTPUT_DIM, DEC_EMB_DIM, ENC_HID_DIM, DEC_HID_DIM, DEC_DROPOUT, attn)model = Seq2Seq(enc, dec, device).to(device)
TRG_PAD_IDX = TRG.vocab.stoi[TRG.pad_token]
criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index = TRG_PAD_IDX).to(device)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-3)

倒数第二行CrossEntropyLoss()中的参数很少见，ignore_index=TRG_PAD_IDX，这个参数的作用是忽略某一类别，不计算其loss，但是要注意，忽略的是真实值中的类别，例如下面的代码，真实值的类别都是1，而预测值全部预测认为是2（下标从0开始），同时loss function设置忽略第一类的loss，此时会打印出0

label = torch.tensor([1, 1, 1])
pred = torch.tensor([[0.1, 0.2, 0.6], [0.2, 0.1, 0.8], [0.1, 0.1, 0.9]])
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=1)
print(loss_fn(pred, label).item()) # 0

如果设置loss function忽略第二类，此时loss并不会为0

label = torch.tensor([1, 1, 1])
pred = torch.tensor([[0.1, 0.2, 0.6], [0.2, 0.1, 0.8], [0.1, 0.1, 0.9]])
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=2)
print(loss_fn(pred, label).item()) # 1.359844

最后给出完整代码链接（需要科学的力量）
Github项目地址：nlp-tutorial