pytorch入门 - 微调huggingface大模型

在自然语言处理(NLP)领域，预训练语言模型如BERT已经成为主流。HuggingFace提供的Transformers库让我们能够方便地使用这些强大的模型。

本文将详细介绍如何使用PyTorch微调HuggingFace上的BERT模型，包括原理讲解、代码实现和逐行解释。

1. 微调原理

1.1 什么是微调(Fine-tuning)

微调是指在预训练模型的基础上，针对特定任务进行少量训练的过程。

BERT等预训练模型已经在大规模语料上学习了通用的语言表示能力，通过微调，我们可以将这些知识迁移到特定任务上。

1.2 BERT模型结构

BERT模型主要由以下部分组成：

• 嵌入层(Embedding Layer)
• 多层Transformer编码器
• 池化层(Pooler)

在微调时，我们通常会在BERT的输出上添加一个任务特定的分类头(Classification Head)。

1.3 神经元数量计算

在我们的模型中，分类头是一个全连接层，其神经元数量计算如下：

输入维度：768 (BERT最后一层隐藏状态维度)
输出维度：2 (二分类任务)
参数数量 = (输入维度 × 输出维度) + 输出维度(偏置项)
          = (768 × 2) + 2 = 1538

2. 代码实现

2.1 数据集处理 (finetuing_my_dataset.py)

from datasets import load_dataset, load_from_disk  # 导入HuggingFace的数据集加载工具
from torch.utils.data import Dataset  # 导入PyTorch的数据集基类

class MydataSet(Dataset):  # 自定义数据集类，继承自PyTorch的Dataset
    def __init__(self, split):  # 初始化方法，split指定数据集划分
        save_path = r".\cache\datasets\lansinuote\ChnSentiCorp\train"  # 数据集路径
        self.dataset = load_from_disk(save_path)  # 从磁盘加载数据集

        # 根据split参数选择数据集划分
        if split == "train":
            self.dataset = self.dataset["train"]
        elif split == "test":
            self.dataset = self.dataset["test"]
        elif split == "validation":
            self.dataset = self.dataset["validation"]
        else:
            raise ValueError("split must be one of 'train', 'test', or 'validation'")

    def __len__(self):  # 返回数据集大小
        return len(self.dataset)

    def __getitem__(self, idx):  # 获取单个样本
        return self.dataset[idx]["text"], self.dataset[idx]["label"]  # 返回文本和标签

if __name__ == "__main__":  # 测试代码
    dataset = MydataSet(split="validation")  # 创建验证集实例
    for i in range(50):  # 打印前50个样本
        print(dataset[i])
    print(dataset)  # 打印数据集信息
    print(dataset[0])  # 打印第一个样本

2.2 模型定义 (finetuing_net.py)

from transformers import BertModel  # 导入BERT模型
import torch  # 导入PyTorch

# 设置设备(GPU或CPU)
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 加载预训练BERT模型
cache_dir = "./cache/bertbasechinese"  # 缓存目录
pretrained = BertModel.from_pretrained(
    "bert-base-chinese",  # 中文BERT模型
    cache_dir=cache_dir
).to(device)  # 移动到指定设备

class Model(torch.nn.Module):  # 自定义模型类
    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()  # 调用父类初始化
        # 定义分类头: 768维输入, 2维输出(二分类)
        self.fc = torch.nn.Linear(768, 2)  

    def forward(self, input_ids, attention_mask=None, token_type_ids=None):
        # 冻结BERT参数，不计算梯度
        with torch.no_grad():
            outputs = pretrained(
                input_ids=input_ids,  # 输入token IDs
                attention_mask=attention_mask,  # 注意力掩码
                token_type_ids=token_type_ids,  # 句子类型IDs
            )

        # 使用[CLS]标记的隐藏状态作为分类特征
        cls_output = outputs.last_hidden_state[:, 0]  # 形状(batch_size, 768)
        logits = self.fc(cls_output)  # 通过分类头
        out = logits.softmax(dim=-1)  # softmax归一化
        return out

2.3 训练过程 (finetuing_train.py)

import torch
from finetuing_my_dataset import MydataSet
from torch.utils.data import DataLoader
from finetuing_net import Model
from transformers import BertTokenizer
from torch.optim import AdamW

# 设置设备
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
EPOCH = 100  # 训练轮数

# 加载分词器
token = BertTokenizer.from_pretrained(
    "bert-base-chinese",
    cache_dir="./cache/tokenizer/bert-base-chinese"
)

def collate_fn(batch):  # 数据批处理函数
    sentes = [item[0] for item in batch]  # 提取文本
    labels = [item[1] for item in batch]  # 提取标签

    # 使用分词器处理文本
    data = token.batch_encode_plus(
        sentes,
        truncation=True,  # 截断过长的文本
        max_length=350,  # 最大长度350
        padding=True,  # 自动填充
        return_tensors="pt",  # 返回PyTorch张量
        return_length=True,  # 返回长度信息
    )

    # 提取编码后的数据
    input_ids = data["input_ids"]
    attention_mask = data["attention_mask"]
    token_type_ids = data["token_type_ids"]
    labels = torch.LongTensor(labels)  # 转换标签为LongTensor

    return input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels

# 创建训练数据集和数据加载器
train_dataset = MydataSet(split="train")
train_dataloader = DataLoader(
    train_dataset,
    batch_size=32,  # 批大小32
    shuffle=True,  # 打乱数据
    drop_last=True,  # 丢弃最后不完整的批次
    collate_fn=collate_fn,  # 使用自定义批处理函数
)

if __name__ == "__main__":
    model = Model().to(device)  # 初始化模型
    optimizer = AdamW(model.parameters(), lr=1e-5)  # 优化器
    loss_func = torch.nn.CrossEntropyLoss()  # 损失函数

    model.train()  # 设置为训练模式
    for epoch in range(EPOCH):  # 训练循环
        for step, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(train_dataloader):
            # 移动数据到设备
            input_ids = input_ids.to(device)
            attention_mask = attention_mask.to(device)
            token_type_ids = token_type_ids.to(device)
            labels = labels.to(device)

            # 前向传播
            outputs = model(
                input_ids=input_ids,
                attention_mask=attention_mask,
                token_type_ids=token_type_ids,
            )
            loss = loss_func(outputs, labels)  # 计算损失

            # 反向传播和优化
            optimizer.zero_grad()
            loss.backward()
            optimizer.step()

            # 每5步打印训练信息
            if step % 5 == 0:
                out = outputs.argmax(dim=1)  # 预测类别
                acc = (out == labels).sum().item() / len(labels)  # 计算准确率
                print(f"Epoch: {epoch + 1}/{EPOCH}, Step: {step + 1}/{len(train_dataloader)}, Loss: {loss.item():.4f}, Acc: {acc:.4f}")

        # 保存模型
        torch.save(model.state_dict(), f"./model/{epoch}finetuned_model_new.pth")
        print(epoch, "参数保存成功")

2.4 测试过程 (finetuing_test.py)

import torch
from finetuing_my_dataset import MydataSet
from torch.utils.data import DataLoader
from finetuing_net import Model
from transformers import BertTokenizer

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 加载分词器
token = BertTokenizer.from_pretrained(
    "bert-base-chinese",
    cache_dir="./cache/tokenizer/bert-base-chinese"
)

def collate_fn(batch):  # 与训练时相同的批处理函数
    sentes = [item[0] for item in batch]
    labels = [item[1] for item in batch]
    data = token.batch_encode_plus(
        sentes,
        truncation=True,
        max_length=350,
        padding=True,
        return_tensors="pt",
        return_length=True,
    )
    input_ids = data["input_ids"]
    attention_mask = data["attention_mask"]
    token_type_ids = data["token_type_ids"]
    labels = torch.LongTensor(labels)
    return input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels

# 创建测试数据集和数据加载器
train_dataset = MydataSet(split="test")
train_dataloader = DataLoader(
    train_dataset,
    batch_size=32,
    shuffle=True,
    drop_last=True,
    collate_fn=collate_fn,
)

if __name__ == "__main__":
    acc = 0  # 正确预测数
    total = 0  # 总样本数
    model = Model().to(device)  # 初始化模型
    model.load_state_dict(torch.load("./model/3finetuned_model.pth"))  # 加载训练好的模型

    model.eval()  # 设置为评估模式

    for step, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(train_dataloader):
        # 移动数据到设备
        input_ids = input_ids.to(device)
        attention_mask = attention_mask.to(device)
        token_type_ids = token_type_ids.to(device)
        labels = labels.to(device)

        # 前向传播(不计算梯度)
        outputs = model(
            input_ids=input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids,
        )

        out = outputs.argmax(dim=1)  # 预测类别
        acc += (out == labels).sum().item()  # 累加正确预测数
        total += len(labels)  # 累加总样本数

    print(acc / total)  # 输出准确率

2.5 交互式预测 (finetuing_run.py)

import torch
from finetuing_net import Model
from transformers import BertTokenizer

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

# 类别名称
names = [
    "负向评价",  # 类别0
    "正向评价",  # 类别1
]

model = Model().to(device)  # 初始化模型

# 加载分词器
token = BertTokenizer.from_pretrained(
    "bert-base-chinese",
    cache_dir="./cache/tokenizer/bert-base-chinese"
)

def collate_fn(data):  # 单样本处理函数
    sentes = []
    sentes.append(data)  # 将输入文本加入列表

    # 使用分词器处理文本
    data = token.batch_encode_plus(
        sentes,
        truncation=True,
        padding="max_length",
        max_length=350,
        return_tensors="pt",
        return_length=True,
    )

    input_ids = data["input_ids"]
    attention_mask = data["attention_mask"]
    token_type_ids = data["token_type_ids"]

    return input_ids, attention_mask, token_type_ids

def test():
    model.load_state_dict(torch.load("./model/2finetuned_model.pth"))  # 加载训练好的模型
    model.eval()  # 设置为评估模式

    while True:  # 交互式循环
        text = input("请输入文本：")  # 获取用户输入
        if text == "q":  # 输入q退出
            print("退出测试")
            break

        # 处理输入文本
        input_ids, attention_mask, token_type_ids = collate_fn(text)
        input_ids = input_ids.to(device)
        attention_mask = attention_mask.to(device)
        token_type_ids = token_type_ids.to(device)

        # 预测(不计算梯度)
        with torch.no_grad():
            outputs = model(input_ids, attention_mask, token_type_ids)
            out = outputs.argmax(dim=1)  # 预测类别
            print("模型预测", names[out], "\n")  # 输出预测结果

if __name__ == "__main__":
    test()  # 启动测试

3. 关键点解析

3.1 数据处理流程

1. ​​数据集加载​​：使用HuggingFace的load_from_disk加载预处理好的数据集
2. ​​文本编码​​：使用BertTokenizer将文本转换为模型可接受的输入格式
3. ​​批处理​​：collate_fn函数负责将多个样本打包成一个批次

3.2 模型结构

1. ​​预训练BERT​​：固定参数，仅作为特征提取器
2. ​​分类头​​：可训练的全连接层，将BERT输出映射到任务特定的类别空间

3.3 训练策略

1. ​​优化器选择​​：使用AdamW优化器，适合Transformer模型
2. ​​学习率​​：较小的学习率(1e-5)避免破坏预训练学到的知识
3. ​​评估指标​​：准确率和交叉熵损失

4. 总结

本文详细介绍了如何使用PyTorch微调HuggingFace上的BERT模型，包括：

1. 数据集处理与加载
2. 模型定义与微调策略
3. 训练、测试和交互式预测的实现
4. 关键代码的逐行解释

通过微调预训练模型，我们可以在相对较小的数据集上获得良好的性能，这是现代NLP应用中的常用技术。