pytorch笔记：09)Attention机制

刚从图像处理的hole中攀爬出来，刚走一步竟掉到了另一个hole（fire in the hole*▽*）

1.RNN中的attention
pytorch官方教程：https://pytorch.org/tutorials/intermediate/seq2seq_translation_tutorial.html
首先，RNN的输入大小都是(1,1,hidden_size)，即batch=1,seq_len=1,hidden_size=embed_size，相对于传统的encoder-decoder模型，attention机制仅在decoder处有所不同。下面具体看看：
1>保存了rnn每个词向量对应隐藏层的输出状态(encoder_outputs)，用于decoder的attention机制

#train代码部分
for ei in range(input_length):
encoder_output, encoder_hidden = encoder(
input_tensor[ei], encoder_hidden)
encoder_outputs[ei] = encoder_output[0, 0]
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2>AttnDecoderRNN的forward
1.输入的input经过embed

embedded = self.embedding(input).view(1, 1, -1)
embedded = self.dropout(embedded)
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2.获取关于输入的attention权重,这里的Q=decoder_rnn的input,K=decoder_rnn的隐藏元
2.1求Q和K相似度的方法有很多，这里让全连接层自己来学习,把embedded和hidden连接在一起经过fc层(部分修改了下)

similarity=self.attn(torch.cat((embedded[0], hidden[0]), 1))
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2.2 经过softmax获得归一化的权重

attn_weights = F.softmax(similarity, dim=1)
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3.权重应用于encoder输出的所有词对应的词向量上(对应相乘即可)->获得attention结果

attn_applied = torch.bmm(attn_weights.unsqueeze(0),encoder_outputs.unsqueeze(0))
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4.把attention结果和decoder的输入cat在一起,使用1个全连接层来融合二者,最终生成带注意力机制的词向量

output = torch.cat((embedded[0], attn_applied[0]), 1)
output = self.attn_combine(output).unsqueeze(0)
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5.根据decoder的上一个输出单词来预测下一个单词，这里多插一句，decoder的首个输入为起始标志符’sos’,其根据encode最后的隐藏元来预测第一个单词，后面依次类推。

output = F.relu(output)
output, hidden = self.gru(output, hidden)
output = F.log_softmax(self.out(output[0]), dim=1)
return output, hidden, attn_weights
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2.transformer中的attention
“Attention is All You Need”(霸气标题)，pytorch代码推荐2篇：
哈佛大学NLP研究组：http://nlp.seas.harvard.edu/2018/04/03/attention.html
台湾小哥的代码(较通俗)：https://github.com/jadore801120/attention-is-all-you-need-pytorch:

下面以soft_attention为例(*input和output的attention，仅和self_attention做下区分，第1篇代码标记src_attn，第2篇代码标记dec_enc_attn)，soft_attention的目标：给定序列Q(query,长度记为lq，维度dk)，键序列K(key,长度记为lk,维度dk)，值序列V(value,长度记为lv,维度dv)，计算Q和K的相似度权重，最后再乘上V。

下面直接贴上attention-is-all-you-need-pytorch中MultiHeadAttention代码

def forward(self, q, k, v, mask=None):
d_k, d_v, n_head = self.d_k, self.d_v, self.n_head
sz_b, len_q, _ = q.size()
sz_b, len_k, _ = k.size()
sz_b, len_v, _ = v.size()
residual = q
q = self.w_qs(q).view(sz_b, len_q, n_head, d_k)
k = self.w_ks(k).view(sz_b, len_k, n_head, d_k)
v = self.w_vs(v).view(sz_b, len_v, n_head, d_v)
#这里把batch和分块数放在一起，便于使用bmm
q = q.permute(2, 0, 1, 3).contiguous().view(-1, len_q, d_k) # (n*b) x lq x dk
k = k.permute(2, 0, 1, 3).contiguous().view(-1, len_k, d_k) # (n*b) x lk x dk
v = v.permute(2, 0, 1, 3).contiguous().view(-1, len_v, d_v) # (n*b) x lv x dv

mask = mask.repeat(n_head, 1, 1) # (n*b) x .. x ..
output, attn = self.attention(q, k, v, mask=mask)

output = output.view(n_head, sz_b, len_q, d_v)
output = output.permute(1, 2, 0, 3).contiguous().view(sz_b, len_q, -1) # b x lq x (n*dv)

output = self.dropout(self.fc(output))
output = self.layer_norm(output + residual)
return output, attn
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和RNN中的attention的不同，这里的batch_size和seq_len均不为1，其把序列视为一个整体，求Q和V的相似度可使用点乘(V可以视为上面提及的encoder_outputs)，获得的是一个相似度矩阵，比如Q是一个长度为10的序列，K是一个长度为16的序列，其相似度矩阵就是一个10*16的矩阵，再如矩阵第一行表示Q的第一个单词和K序列所有单词的相似度。
similarity:=(lq,dk)∗(dk,lk)=(lq,lk) similarity:=(lq,dk)*(dk,lk)=(lq,lk)
similarity:=(lq,dk)∗(dk,lk)=(lq,lk)

然后，生成带注意力机制的词向量(通常K和V取相同的值,因而有lv=lk)，另外上面整合attn_applied和input使用的是cat操作，而这里使用的是残差(类似于unet和resnet)，最后使用PositionwiseFeedForward(2个fc层)来融合attn_applied和input，最终生成带注意力机制的词向量。
attention_applied=(lq,lk)∗(lv,dv)=(lq,dv) attention\_applied=(lq,lk)*(lv,dv)=(lq,dv)
attention_applied=(lq,lk)∗(lv,dv)=(lq,dv)

细节部分
在数据预处理部分，对序列s都进行了首尾标记，比如s=’’+ s + ‘’,刚看transform(之前跳过了seq2seq),对下面的代码甚是不解

decoder_input=target_seq[:, :-1] #这里不是去掉终止标记<eos>，去掉的可能是padding_0，只为兼容target_ground_y的序列长度?
encoder_input=input_seq[:, 1:] #encoder的输入序列去掉了起始标记<sos>
target_ground_y= target_seqtrg[:, 1:] #用于计算模型loss的target,去掉了起始标记<sos>
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其实在pytorch官方教程中说的比较清楚，看下图

encoder的输入序列和ground_true只需要一个终止符即可，而decoder的输入序列开始必须指定一个起始符，让其根据context预测输出序列的第一个单词，后面根据前一个单词再预测下一个单词，依次类推直到当前预测的单词为终止标记’eos’，才计算loss.
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作者：PJ-Javis
来源：CSDN
原文：https://blog.csdn.net/jiangpeng59/article/details/84859640
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