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NNLM、RNNLM等语言模型 实现 下一单词预测（next-word prediction）

2022-08-03 19:24:00 【friedrichor】

文章目录

0. 前言

完整项目的代码我已上传到 github：https://github.com/friedrichor/Language-Model-Next-Word-Prediction

本文主要讲解实现代码（可以搭配着 github 中的完整项目一起看），如何使用多种语言模型来实现 下一单词预测（next-word prediction）。

语言模型

  语言模型主要就是将 单词 → \to →数字。语言模型可以分为离散型表示 和 分布式表示。

  1. 离散表示有 one-hot 编码、BOW(Bag of Words，词袋模型)、N-gram；
  2. 分布式表示就是将单词转换为向量的形式，这样每个单词间就会有一定的关联，比如说 沈阳 和 盛京，这两个词都表示的是同一地点，如果用离散型表示会将它们两个词判定为两个完全不同的词，而转换为向量就会将他们判定为意思相近的词，在向量空间中他们也会距离的比较近。主要有 神经网络语言模型（如NNLM、RNNLM）、Word2Vec、GloVe、Elmo、BERT等等。

何为 next-word prediction ？

  最好的例子就是 智能手机键盘的下一个单词预测功能，这是一个数十亿人每天使用数百次的功能。下一个单词的预测是一项可以通过语言模型来完成的任务。语言模型可以获取一个单词列表(假设是两个单词)，并尝试预测紧随其后的单词。比如说我输入了 I like，那么手机键盘就会有提示 cat, dog 等等来预测我接下将要打的单词。

1. 数据集

本文使用的是 PTB 数据集，PTB数据集是一个英语语料库，并被许多研究者用于语言建模实验。

  github 中提供了两种数据集，下图左边的是完整的 PTB 数据集（penn文件夹），右边的是小型的 PTB 数据集（data文件夹）。训练完整的数据集需要足够大的GPU显存，自己电脑GPU显存充足或者服务器GPU够大就能跑；为了防止显存不足，这里也提供了一个小型的数据集，这个一般自己电脑就能够跑了，不过这个小型的数据集由于数据量较小，比较容易过拟合。
在这里插入图片描述
penn/train.txt 部分数据如下所示：

在这里插入图片描述

2. 生成单词表

  由于数据集为文本，我们知道只有数字的形式才能使用深度学习来进行训练模型，所以首先就要把文本转化为数字。

  根据训练集来生成单词表，即 单词 → \to →索引 和 索引 → \to →单词 的字典。

  除了单词外，NLP中还有四种常用的标识符，即 <PAD>，<UNK>，<SOS>，<EOS>：

  • <PAD>: 补全字符
  • <UNK>: 低频词或未在词表中的词
  • <SOS>: 句子起始标识符
  • <EOS>: 句子结束标识符
# 在 utils.py
def generate_vocab(data_path):
    word_list = []

    f = open(data_path, 'r')
    lines = f.readlines()
    for sentence in lines:
        word_list += sentence.split()
    word_list = list(set(word_list))

    # 生成字典
    word2index_dict = {
    w: i + 2 for i, w in enumerate(word_list)}
    word2index_dict['<PAD>'] = 0
    word2index_dict['<UNK>'] = 1
    word2index_dict = dict(sorted(word2index_dict.items(), key=lambda x: x[1]))  # 排序

    index2word_dict = {
    index: word for word, index in word2index_dict.items()}

    # 将单词表写入json
    json_str = json.dumps(word2index_dict, indent=4)
    with open(vocab_path, 'w') as json_file:
        json_file.write(json_str)

    return word2index_dict, index2word_dict

说明：

  • 这里并没有加标识符<SOS>，<EOS>，需要的话自己加上就可，同时 word2index_dict = {w: i + 2 for i, w in enumerate(word_list)}要改成 word2index_dict = {w: i + 4 for i, w in enumerate(word_list)}
  • 两个返回值 word2index_dict 用于编码（单词 → \to →索引），index2word_dict 用于解码（索引 → \to →单词）
  • 这里将单词表写入 json 文件，保证每次训练和测试时的单词表都是相同的，保证每个单词对应的索引要一致（如果更换数据集记得把先前生成的 vocab.json 删了，单词表和数据集要对应）。

在 train.py 中如下调用：

	# 生成单词表
    if not os.path.exists(vocab_path):
        word2index_dict, index2word_dict = generate_vocab(train_path)
    else:
        with open(vocab_path, "r") as f:
            word2index_dict = json.load(f)
        index2word_dict = {
    index: word for word, index in word2index_dict.items()}

vocab.json：

3. 实例化 Dataset 和 DataLoader

定义Dataset类：

# 在 my_dataset.py
from torch.utils.data import Dataset
class MyDataSet(Dataset):
    def __init__(self, inputs, targets):
        self.inputs = inputs
        self.targets = targets

    def __getitem__(self, item):
        input = self.inputs[item]
        target = self.targets[item]

        return input, target

    def __len__(self):
        return len(self.inputs)

  遍历数据集，首先 padding（如果句子长度不够的话），然后将句子中的每个单词进行编码（单词 → \to →索引），根据滑动窗口构造input、target列表，然后传入 MyDataset 类中实例化就完成了对数据集的实例化。

  对于滑动窗口构造input、target列表，可以通过以下例子理解：
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

  关于标识符<PAD>，<UNK>，<SOS>，<EOS>，举个例子，有句子 I like cats，我想要根据 I like 来预测下个单词可能是什么，假如我训练的语言模型是需要 根据前四个词才能预测下一个词 且 单词like未在训练集中出现或出现频率低（即不在单词表中），那么这个句子已知的单词明显不足，首先需要补全字符，即 <PAD> <PAD> I <UNK>，然后把这个句子放入模型进行预测即可。（这里代码中并没加<SOS>和<EOS>，这个可以自行加上，在句首和句尾补充标识符即可，即 <SOS> I like cats <EOS> ）

# 在 utils.py
def generate_dataset(data_path, word2index_dict, n_step=5):
    """ :param data_path: 数据集路径 :param word2index_dict: word2index字典 :param n_step: 窗口大小 :return: 实例化后的数据集 """
    def word2index(word):
        try:
            return word2index_dict[word]
        except:
            return 1  # <UNK>

    input_list = []
    target_list = []

    f = open(data_path, 'r')
    lines = f.readlines()
    for sentence in lines:
        word_list = sentence.split()
        if len(word_list) < n_step + 1:  # 句子中单词不足，padding
            word_list = ['<PAD>'] * (n_step + 1 - len(word_list)) + word_list
        index_list = [word2index(word) for word in word_list]
        for i in range(len(word_list) - n_step):
            input = index_list[i: i + n_step]
            target = index_list[i + n_step]

            input_list.append(torch.tensor(input))
            target_list.append(torch.tensor(target))

    # 实例化数据集
    dataset = MyDataSet(input_list, target_list)

    return dataset

在 train.py 中如下调用：

	# 实例化数据集
    train_dataset = generate_dataset(train_path, word2index_dict, n_step)
    vaild_dataset = generate_dataset(valid_path, word2index_dict, n_step)

实例化 DataLoader：

    train_loader = DataLoader(train_dataset,
                              batch_size=batch_size,
                              shuffle=True,
                              pin_memory=True,
                              num_workers=nw)

    valid_loader = DataLoader(vaild_dataset,
                              batch_size=batch_size,
                              shuffle=False,
                              pin_memory=True,
                              num_workers=nw)

其中 nw 为线程数，我在 params.py 中有定义：

# 在 params.py
nw = min([os.cpu_count(), batch_size if batch_size > 1 else 0, 8])

4. 模型

在 model.py 中提供了 NNLM、RNNLM 及 引入注意力机制的RNNLM

4.1 NNLM

论文：A Neural Probabilistic Language Model
在这里插入图片描述

class NNLM(nn.Module):
    def __init__(self, n_class):
        super(NNLM, self).__init__()
        self.n_step = n_step
        self.emb_size = emb_size

        self.C = nn.Embedding(n_class, emb_size)
        self.w1 = nn.Linear(n_step * emb_size, n_hidden, bias=False)
        self.b1 = nn.Parameter(torch.ones(n_hidden))
        self.w2 = nn.Linear(n_hidden, n_class, bias=False)
        self.w3 = nn.Linear(n_step * emb_size, n_class, bias=False)

    def forward(self, X):
        X = self.C(X)
        X = X.view(-1, self.n_step * self.emb_size)
        Y1 = torch.tanh(self.b1 + self.w1(X))
        b2 = self.w3(X)
        Y2 = b2 + self.w2(Y1)  # 为什么不用加softmax？因为pytorch实现的交叉熵里面用了softmax
        return Y2

4.2 RNNLM

论文：Recurrent neural network based language model

class TextRNN(nn.Module):
    def __init__(self, n_class):
        super(TextRNN, self).__init__()
        self.C = nn.Embedding(n_class, embedding_dim=emb_size)
        self.rnn = nn.RNN(input_size=emb_size, hidden_size=n_hidden)
        self.W = nn.Linear(n_hidden, n_class, bias=False)
        self.b = nn.Parameter(torch.ones([n_class]))

    def forward(self, X):
        X = self.C(X)
        X = X.transpose(0, 1) # X : [n_step, batch_size, embeding size]
        outputs, hidden = self.rnn(X)
        # outputs : [n_step, batch_size, num_directions(=1) * n_hidden]
        # hidden : [num_layers(=1) * num_directions(=1), batch_size, n_hidden]
        outputs = outputs[-1] # [batch_size, num_directions(=1) * n_hidden]
        model = self.W(outputs) + self.b # model : [batch_size, n_class]
        return model

引入注意力机制（仅供参考）（这部分与github有所差别，在于返回值，可以直接将下面这部分代码替换github中的代码，然后utils.py中的训练和验证代码均不需要动，注释可以删了，那部分注释是之前为了打印Attention矩阵才用的）：

class TextRNN_attention(nn.Module):
    def __init__(self, n_class):
        super(TextRNN_attention, self).__init__()
        self.C = nn.Embedding(n_class, embedding_dim=emb_size)
        self.rnn = nn.RNN(input_size=emb_size, hidden_size=n_hidden)
        self.W = nn.Linear(2 * n_hidden, n_class, bias=False)
        self.b = nn.Parameter(torch.ones([n_class]))

    def forward(self, X):
        X = self.C(X)
        X = X.transpose(0, 1)  # X : [n_step, batch_size, embeding size]
        outputs, hidden = self.rnn(X)
        # outputs : [n_step, batch_size, num_directions(=1) * n_hidden]
        # hidden : [num_layers(=1) * num_directions(=1), batch_size, n_hidden]
        output = outputs[-1]
        attention = []
        for it in outputs[:-1]:
            attention.append(torch.mul(it, output).sum(dim=1).tolist())
        attention = torch.tensor(attention)
        attention = attention.transpose(0, 1)
        attention = nn.functional.softmax(attention, dim=1).transpose(0, 1)
        # get soft attention
        attention_output = torch.zeros(outputs.size()[1], n_hidden)
        for i in range(outputs.size()[0] - 1):
            attention_output += torch.mul(attention[i], outputs[i].transpose(0, 1)).transpose(0, 1)
        output = torch.cat((attention_output, output), 1)
        # joint ouput output:[batch_size, 2*n_hidden]
        model = torch.mm(output, self.W.weight) + self.b  # model : [batch_size, n_class]
        return model

4.3 其他模型

直接在model.py 中添加即可，然后在 train.py 中更改 model = TextRNN(n_class).to(device)为自己的模型即可。

5. 损失函数、优化器、调度器

这部分可以自行更改，以下只是给了几个例子。

loss_function = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
# lr_scheduler = create_lr_scheduler(optimizer, len(train_loader), epochs,
# warmup=True, warmup_epochs=5)
lr_scheduler = None
# lr_scheduler = optim.lr_scheduler.StepLR(optimizer, 50, gamma=0.1, last_epoch=-1)
# lr_scheduler = optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=20)

说明：

# 在 utils.py
def create_lr_scheduler(optimizer,
                        num_step: int,
                        epochs: int,
                        warmup=True,
                        warmup_epochs=1,
                        warmup_factor=1e-3,
                        end_factor=1e-6):
    assert num_step > 0 and epochs > 0
    if warmup is False:
        warmup_epochs = 0

    def f(x):
        """ 根据step数返回一个学习率倍率因子， 注意在训练开始之前，pytorch会提前调用一次lr_scheduler.step()方法 """
        if warmup is True and x <= (warmup_epochs * num_step):
            alpha = float(x) / (warmup_epochs * num_step)
            # warmup过程中lr倍率因子从warmup_factor -> 1
            return warmup_factor * (1 - alpha) + alpha
        else:
            current_step = (x - warmup_epochs * num_step)
            cosine_steps = (epochs - warmup_epochs) * num_step
            # warmup后lr倍率因子从1 -> end_factor
            return ((1 + math.cos(current_step * math.pi / cosine_steps)) / 2) * (1 - end_factor) + end_factor

    return torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda=f)

按我代码中定义，得到的学习率变化图如下（训练 200 epoch，预热 5 epoch，优化器中定义的初始学习率为 1e-3）：

6. 训练

以下为训练一轮的代码：

# 在 utils.py
def train_one_epoch(model, loss_function, optimizer, data_loader, device, epoch, lr_scheduler):
    model.train()
    accu_loss = torch.zeros(1).to(device)  # 累计损失
    optimizer.zero_grad()

    data_loader = tqdm(data_loader, file=sys.stdout)
    for step, data in enumerate(data_loader):
        input, target = data

        pred = model(input.to(device))

        loss = loss_function(pred, target.to(device))
        loss.backward()
        accu_loss += loss.detach()

        data_loader.desc = "[train epoch {}] loss: {:.3f}, ppl: {:.3f}, lr: {:.5f}".format(
            epoch,
            accu_loss.item() / (step + 1),
            math.exp(accu_loss.item() / (step + 1)),
            optimizer.param_groups[0]["lr"]
        )

        if not torch.isfinite(loss):
            print('WARNING: non-finite loss, ending training ', loss)
            sys.exit(1)

        # gradient clip
        # clip_grad_norm_(parameters=model.parameters(), max_norm=0.1, norm_type=2)
        optimizer.step()
        optimizer.zero_grad()
        # update lr
        if lr_scheduler != None:
            lr_scheduler.step()

    return accu_loss.item() / (step + 1), math.exp(accu_loss.item() / (step + 1))

说明：

  • 参数：
    model：模型；
    loss_function：损失函数；
    optimizer：优化器；
    data_loader：上一步实例化后的 DataLoader；
    device：训练使用的设备，gpu / cpu；
    epoch：当前训练是第几轮，这个主要是用来实时显示当前训练到第几轮的；
    lr_scheduler：学习率调度器；
  • data_loader.desc 用于实时打印训练过程，其中 ppl 直接用 e C r o s s E n t r o p y L o s s e^{CrossEntropyLoss} eCrossEntropyLoss 表示了，计算方法可能有所差别。
  • clip_grad_norm_(parameters=model.parameters(), max_norm=0.1, norm_type=2) 被注释掉了，这里表示是否使用梯度裁剪，如果需要的话可以自行启用，不过这里的参数我并没有进行调参，用或不用差别不大，可以自行探索。
  • 如果传入的参数 lr_scheduler 为None，那么就不使用调度器，即学习率一直保持不变。
  • 这里调度器是一个 step 更新一次学习率，用的是 Poly策略，如果改成StepLR、CosineAnnealingLR（余弦退火）等等的话一般是一个epoch更新一次学习率，这里就需要注意一下更改lr_scheduler.step()的位置。
  • 在 github 中的代码这部分还有更多的注释，那些注释其实是在 使用注意力机制的RNNLM 中我为了打印其中的 注意力Attention矩阵 才用的，正常使用NNLM、RNNLM等模型其实上面这部分代码就够了。

7. 验证

上面是对训练集进行模型训练的，这部分是验证当前模型效果的，大部分与训练时代码相似，这里不做过多说明。

def evaluate(model, loss_function, data_loader, device, epoch):
    model.eval()

    accu_loss = torch.zeros(1).to(device)  # 累计损失

    data_loader = tqdm(data_loader, file=sys.stdout)
    for step, data in enumerate(data_loader):
        input, target = data

        pred = model(input.to(device))

        loss = loss_function(pred, target.to(device))
        accu_loss += loss

        data_loader.desc = "[valid epoch {}] loss: {:.3f}, ppl: {:.3f}".format(
            epoch,
            accu_loss.item() / (step + 1),
            math.exp(accu_loss.item() / (step + 1)),
        )

    return accu_loss.item() / (step + 1), math.exp(accu_loss.item() / (step + 1))

8. 完整训练+验证过程

	tb_writer = SummaryWriter()
    for epoch in range(epochs):
        # train
        train_loss, train_ppl = train_one_epoch(model=model,
                                                loss_function=loss_function,
                                                optimizer=optimizer,
                                                data_loader=train_loader,
                                                device=device,
                                                epoch=epoch,
                                                lr_scheduler=lr_scheduler)
        # validate
        valid_loss, valid_ppl = evaluate(model=model,
                                         loss_function=loss_function,
                                         data_loader=valid_loader,
                                         device=device,
                                         epoch=epoch)

        tags = ["train_loss", "train_ppl", "valid_loss", "valid_ppl", "learning_rate"]
        tb_writer.add_scalar(tags[0], train_loss, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[1], train_ppl, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[2], valid_loss, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[3], valid_ppl, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[4], optimizer.param_groups[0]["lr"], epoch)

        if (epoch + 1) % save_epoch == 0:
            torch.save(model, os.path.join(models_path, f'weights-{
      epoch + 1}.ckpt'))

说明：

  • 这里使用了 tensorboard 中的 SummaryWriter 记录训练日志，存储每一轮训练时训练集、验证集的损失、ppl及学习率， 如下图就是我做对比实验时使用SummaryWriter保存的日志生成的图像，还是很好用的，不过不需要的话可以忽略。
  • 代码最后一部分设定了每训练多少轮就保存一次模型，这一部分也可以自行更改。

9. 测试

在 test.py，整个过程与验证相似，代码中仅仅输出了 loss。这部分可以根据 index2word_dict 解码回单词，实现真正的 next-word prediction 的功能。

10. 其他说明

项目中一些通用的全局参数在 params.py，包括 模型相关参数 n_step（滑动窗口大小）、n_hidden、emb_size，训练相关参数 epochs、batch_size、lr、device、nw，以及 训练集、验证集、测试集路径 等等。

如果想要进一步了解 Word2vec ，也可以查看我的一篇博文：一文带你通俗易懂地了解word2vec原理，是根据The Illustrated Word2vec翻译的（看原文更好一些，当时写的理解并不是很好），里面的讲解通俗易懂，整篇文章看完基本就明白了，还是很有帮助的。

原网站

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