Pytorch中 nn.Transformer的使用详解与Transformer的黑盒讲解

文章目录

• ​​本文内容​​
• ​​将Transformer看成黑盒​​
• ​​Transformer的推理过程​​
• ​​Transformer的训练过程​​
• ​​Pytorch中的nn.Transformer​​

• ​​nn.Transformer简介​​
• ​​nn.Transformer的构造参数详解​​
• ​​Transformer的forward参数详解​​

• ​​src和tgt​​
• ​​src_mask、tgt_mask和memory_mask​​
• ​​key_padding_mask​​

• ​​nn.Transformer的使用​​

• ​​实战：使用nn.Transformer实现一个简单的Copy任务​​
• ​​参考资料：​​

本文内容

Transformer是个相对复杂的模型，可能有些人和我一样，学了也不会用，或者感觉自己懂了，但又不懂。本文将Transformer看做一个黑盒，然后讲解Pytorch中nn.Transformer的使用。

本文包含内容如下：

1. Transformer的训练过程讲解
2. Transformer的推理过程讲解
3. Transformer的入参和出参讲解
4. nn.Transformer的各个参数讲解
5. nn.Transformer的mask机制详解
6. 实战：使用nn.Transformer训练一个copy任务。

开始之前，我们先导入要用到的包：

import math
import random

import torch
import torch.nn as

将Transformer看成黑盒

这是一张经典的Transformer模型图：

我们现在将其变成黑盒，将其盖住：

我们现在再来看下Transformer的输入和输出：

这里是一个翻译任务中transformer的输入和输出。transformer的输入包含两部分：

• inputs: 原句子对应的tokens，且是完整句子。一般0表示句子开始(​​<bos>​​​)，1表示句子结束(​​<eos>​​​)，2为填充(​​<pad>​​)。填充的目的是为了让不同长度的句子变为同一个长度，这样才可以组成一个batch。在代码中，该变量一般取名src。
• outputs(shifted right)：上一个阶段的输出。虽然名字叫outputs，但是它是输入。最开始为0（​​<bos>​​​），然后本次预测出“我”后，下次调用Transformer的该输入就变成​​<bos> 我​​。在代码中，该变量一般取名tgt。

Transformer的输出是一个概率分布。

Transformer的推理过程

这里先讲Transformer的推理过程，因为这个简单。其实通过上面的讲解，你可能已经清楚了。上面是Transformer推理的第一步，紧接着第二步如图：

Transformer的推理过程就是这样一遍一遍调用Transformer，直到输出​​<eos>​​或达到句子最大长度为止。

通常真正在实战时，Transformer的Encoder部分只需要执行一遍就行了，这里为了简单起见，就整体重新执行。

Transformer的训练过程

在Transformer推理时，我们是一个词一个词的输出，但在训练时这样做效率太低了，所以我们会将target一次性给到Transformer（当然，你也可以按照推理过程做），如图所示：

从图上可以看出，Transformer的训练过程和推理过程主要有以下几点异同：

1. 源输入src相同：对于Transformer的inputs部分(src参数)一样，都是要被翻译的句子。
2. 目标输入tgt不同：在Transformer推理时，tgt是从​​<bos>​​​开始，然后每次加入上一次的输出（第二次输入为​​<bos> 我​​​）。但在训练时是一次将“完整”的结果给到Transformer，这样其实和一个一个给结果上一致（可参考​​该篇​​​的Mask Attention部分）。这里还有一个细节，就是tgt比src少了一位，src是7个token，而tgt是6个token。这是因为我们在最后一次推理时，只会传入前n-1个token。举个例子：假设我们要预测​​<bos> 我 爱 你 <eos>​​​（这里忽略pad），我们最后一次的输入tgt是​​<bos> 我 爱 你​​​（没有​​<eos>​​），因此我们的输入tgt一定不会出现目标的最后一个token，所以一般tgt处理时会将目标句子删掉最后一个token。
3. 输出数量变多：在训练时，transformer会一次输出多个概率分布。例如上图，​​我​​​就的等价于是tgt为​​<bos>​​​时的输出，​​爱​​​就等价于tgt为​​<bos> 我​​​时的输出，依次类推。当然在训练时，得到输出概率分布后就可以计算loss了，并不需要将概率分布再转成对应的文字。注意这里也有个细节，我们的输出数量是6，对应到token就是​​我 爱 你 <eos> <pad> <pad>​​​，这里少的是​​<bos>​​​，因为​​<bos>​​​不需要预测。计算loss时，我们也是要和的这几个token进行计算，所以我们的label不包含​​<bos>​​​。代码中通常命名为​​tgt_y​​

当得到transformer的输出后，我们就可以计算loss了，计算过程如图：

Pytorch中的nn.Transformer

nn.Transformer简介

在Pytorch中已经为我们实现了Transformer，我们可以直接拿来用，但nn.Transformer和我们上图的还是有点区别，具体如图：

Transformer并没有实现​​Embedding​​​和​​Positional Encoding​​​和最后的​​Linear+Softmax​​部分，这里我简单对这几部分进行说明：

• Embedding: 负责将token映射成高维向量。例如将123映射成​​[0.34, 0.45, 0.123, ..., 0.33]​​​。通常使用​​nn.Embedding​​​来实现。但​​nn.Embedding​​的参数并不是一成不变的，也是会参与梯度下降。关于​​nn.Embedding​​​可参考文章​​Pytorch nn.Embedding的基本使用​​
• Positional Encoding：位置编码。用于为token编码增加位置信息，例如​​I love you​​这三个token编码后的向量并不包含其位置信息(love左边是I，右边是you这个信息)。这个位置信息还挺重要的，有和没有真的是天差地别。
• Linear+Softmax：一个线性层加一个Softmax，用于对nn.Transformer输出的结果进行token预测。如果把Transformer比作CNN，那么nn.Transformer实现的就是卷积层，而​​Linear+Softmax​​就是卷积层后面的线性层。

这里我先简单的演示一下​​nn.Transformer​​的使用：

# 定义编码器，词典大小为10，要把token编码成128维的向量
embedding = nn.Embedding(10, 128)
# 定义transformer，模型维度为128（也就是词向量的维度）
transformer = nn.Transformer(d_model=128, batch_first=True) # batch_first一定不要忘记
# 定义源句子，可以想想成是 <bos> 我 爱 吃 肉 和 菜 <eos> <pad> <pad>
src = torch.LongTensor([[0, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, 2]])
# 定义目标句子，可以想想是 <bos> I like eat meat and vegetables <eos> <pad>
tgt = torch.LongTensor([[0, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2]])
# 将token编码后送给transformer（这里暂时不加Positional Encoding）
outputs = transformer(embedding(src), embedding(tgt))
outputs.size()

torch.Size([1, 9, 128])

Transformer输出的Shape和tgt编码后的Shape一致。在训练时，我们会把transformer的所有输出送给Linear，而在推理时，只需要将最后一个输出送给Linear即可，即​​outputs[:, -1]​​。

nn.Transformer的构造参数详解

Transformer构造参数众多，所以我们还需要将黑盒稍微打开一下：

nn.Transformer主要由两部分构成：​​nn.TransformerEncoder​​​和​​nn.TransformerDecoder​​​。而​​nn.TransformerEncoder​​​又是由多个​​nn.TransformerEncoderLayer​​​堆叠而成的，图中的​​Nx​​​就是要堆叠多少层。​​nn.TransformerDecoder​​同理。

下面是nn.Transformer的构造参数：

• d_model: Encoder和Decoder输入参数的特征维度。也就是词向量的维度。默认为512
• nhead: 多头注意力机制中，head的数量。关于Attention机制，可以参考​​这篇文章​​。注意该值并不影响网络的深度和参数数量。默认值为8。
• num_encoder_layers: TransformerEncoderLayer的数量。该值越大，网络越深，网络参数量越多，计算量越大。默认值为6
• num_decoder_layers：TransformerDecoderLayer的数量。该值越大，网络越深，网络参数量越多，计算量越大。默认值为6
• dim_feedforward：Feed Forward层（Attention后面的全连接网络）的隐藏层的神经元数量。该值越大，网络参数量越多，计算量越大。默认值为2048
• dropout：dropout值。默认值为0.1
• activation： Feed Forward层的激活函数。取值可以是string(“relu” or “gelu”)或者一个一元可调用的函数。默认值是relu
• custom_encoder：自定义Encoder。若你不想用官方实现的TransformerEncoder，你可以自己实现一个。默认值为None
• custom_decoder: 自定义Decoder。若你不想用官方实现的TransformerDecoder，你可以自己实现一个。
• layer_norm_eps:​​Add&Norm​​层中，BatchNorm的eps参数值。默认为1e-5
• batch_first：batch维度是否是第一个。如果为True，则输入的shape应为(batch_size, 词数，词向量维度)，否则应为(词数, batch_size, 词向量维度)。默认为False。这个要特别注意，因为大部分人的习惯都是将batch_size放在最前面，而这个参数的默认值又是False，所以会报错。
• norm_first– 是否要先执行norm。例如，在图中的执行顺序为​​Attention -> Add -> Norm​​​。若该值为True，则执行顺序变为：​​Norm -> Attention -> Add​​。

Transformer的forward参数详解

Transformer的forward参数需要详细解释，这里我先将其列出来，进行粗略解释，然后再逐个进行详细解释：

• src: Encoder的输入。也就是将token进行Embedding并Positional Encoding之后的tensor。必填参数。Shape为(batch_size, 词数, 词向量维度)
• tgt: 与src同理，Decoder的输入。必填参数。Shape为(词数, 词向量维度)
• src_mask: 对src进行mask。不常用。Shape为(词数, 词数)
• tgt_mask：对tgt进行mask。常用。Shape为(词数, 词数)
• memory_mask– 对Encoder的输出memory进行mask。不常用。Shape为(batch_size, 词数, 词数)
• src_key_padding_mask：对src的token进行mask.常用。Shape为(batch_size, 词数)
• tgt_key_padding_mask：对tgt的token进行mask。常用。Shape为(batch_size, 词数)
• memory_key_padding_mask：对tgt的token进行mask。不常用。Shape为(batch_size, 词数)

上面的所有mask都是​​0​​​代表不遮掩，​​-inf​​​代表遮掩。严禁用​​True​​​和​​False​​​，虽然看起来它们可以用，但是部分场景下会让输出变为​​nan​​。另外，src_mask、tgt_mask和memory_mask是不需要传batch的

上面说了和没说其实差不多，重要的是每个参数的是否常用和其对应的Shape（这里我默认​​batch_first=True​​）。 接下来对各个参数进行详细解释。

src和tgt

src参数和tgt参数分别为Encoder和Decoder的输入参数。它们是对token进行编码后，再经过Positional Encoding之后的结果。

例如：我们一开始的输入为：​​[[0, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, 2]]​​，Shape为(1, 10)，表示batch_size为1, 每句10个词。

在经过Embedding后，Shape就变成了(1, 10, 128)，表示batch_size为1, 每句10个词，每个词被编码为了128维的向量。

src就是这个(1, 10, 128)的向量。tgt同理

src_mask、tgt_mask和memory_mask

要真正理解mask，需要学习Attention机制，可参考​​该篇​​。这里只做一个简要的说明。

在经过Attention层时，会让每个词具有上下文关系，也就是每个词除了自己的信息外，还包含其他词的信息。例如：​​苹果 很 好吃​​​和​​苹果 手机 很 好玩​​​，这两个​​苹果​​​显然指的不是同一个意思。但让​​苹果​​​这个词具备了后面​​好吃​​​或​​手机​​​这两个词的信息后，那就可以区分这两个​​苹果​​的含义了。

在Attention中，我们有这么一个“方阵”，描述着词与词之间的关系，例如：

       苹果  很  好吃
苹果 [[0.5, 0.1, 0.4],
很    [0.1, 0.8, 0.1],
好吃  [0.3, 0.1, 0.6],]

在上述矩阵中，​​苹果​​​这个词与自身, ​​很​​​和​​好吃​​​三个词的关系权重就是​​[0.5, 0.1, 0.4]​​​，通过该矩阵，我们就可以得到包含上下文的​​苹果​​了，即

但在实际推理时，词是一个一个输出的。若​​苹果很好吃​​​是tgt的话，那么​​苹果​​​是不应该包含​​很​​​和​​好吃​​的上下文信息的，所以我们希望为：

同理，​​很​​​字可以包含​​苹果​​​的上下信息，但不能包含​​好吃​​，所以为：

那要完成这个事情，那只需要改变方阵即可：

       苹果  很  好吃
苹果 [[0.5, 0,   0],
很    [0.1, 0.8, 0],
好吃  [0.3, 0.1, 0.6],]

而这个事情我们就可以使用mask掩码来完成，即：

       苹果   很    好吃
苹果 [[ 0,  -inf, -inf],
很    [ 0,   0,   -inf],
好吃  [ 0,   0,    0]]

其中0表示不遮掩，而​​-inf​​​表示遮掩。（之所以这么定是因为这个方阵还要过softmax，所以会使​​-inf​​变为0）。

所以，对于tgt_mask，我们只需要生成一个斜着覆盖的方阵即可，我们可以利用​​nn.Transformer.generate_square_subsequent_mask​​来完成，例如：

nn.Transformer.generate_square_subsequent_mask(5) # 这个5指的是tgt的token的数量

tensor([[0., -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0.]])

通过上面的分析，src和memory一般是不需要进行mask的，所以不常用。

key_padding_mask

在我们的src和tgt语句中，除了本身的词外，还包含了三种token: ​​<bos>​​​, ​​<eos>​​​ 和 ​​<pad>​​​。这里面的​​<pad>​​只是为了改变句子长度，方便将不同长度的句子组成batch而进行填充的。该token没有任何意义，所以在计算Attention时，也不想让它们参与，所以也要mask。而对于这种mask就需要用到key_padding_mask这个参数了。

例如，我们的src为​​[[0, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 1, 2, 2]]​​​，其中2是​​<pad>​​​，所以我们的​​src_key_padding_mask​​​就应为​​[[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -inf, -inf]]​​，即将最后两个2给掩盖住。

​​tgt_key_padding_mask​​​同理。但​​memory_key_padding_mask​​就没有必要用了。

在Transformer的源码中或其他实现中，tgt_mask和tgt_key_padding_mask是合在一起的，例如：

[[0., -inf, -inf, -inf],  # tgt_mask
 [0., 0., -inf, -inf],
 [0., 0., 0., -inf],
 [0., 0., 0., 0.]]
 +
 [[0., 0., 0., -inf]]  # tgt_key_padding_mask
 =
[[0., -inf, -inf, -inf],  # 合并之后的
 [0., 0., -inf, -inf],
 [0., 0., 0., -inf],
 [0., 0., 0., -inf]]

nn.Transformer的使用

接下来我们来简单的使用一下​​nn.Transformer​​:

首先我们定义src和tgt:

src = torch.LongTensor([
    [0, 8, 3, 5, 5, 9, 6, 1, 2, 2, 2],
    [0, 6, 6, 8, 9, 1 ,2, 2, 2, 2, 2],
])
tgt = torch.LongTensor([
    [0, 8, 3, 5, 5, 9, 6, 1, 2, 2],
    [0, 6, 6, 8, 9, 1 ,2, 2, 2, 2],
])

接下来定义一个辅助函数来生成src_key_padding_mask和tgt_key_padding_mask:

def get_key_padding_mask(tokens):
    key_padding_mask = torch.zeros(tokens.size())
    key_padding_mask[tokens == 2] = -torch.inf
    return key_padding_mask

src_key_padding_mask = get_key_padding_mask(src)
tgt_key_padding_mask = get_key_padding_mask(tgt)
print(tgt_key_padding_mask)

tensor([[0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf]])

然后通过Transformer内容方法生成​​tgt_mask​​：

tgt_mask = nn.Transformer.generate_square_subsequent_mask(tgt.size(-1))
print(tgt_mask)

tensor([[0., -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf, -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., -inf],
        [0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0., 0.]])

之后就可以定义Embedding和Transformer进行调用了：

# 定义编码器，词典大小为10，要把token编码成128维的向量
embedding = nn.Embedding(10, 128)
# 定义transformer，模型维度为128（也就是词向量的维度）
transformer = nn.Transformer(d_model=128, batch_first=True) # batch_first一定不要忘记
# 将token编码后送给transformer（这里暂时不加Positional Encoding）
outputs = transformer(embedding(src), embedding(tgt),
                      tgt_mask=tgt_mask,
                      src_key_padding_mask=src_key_padding_mask,
                      tgt_key_padding_mask=tgt_key_padding_mask)
print(outputs.size())

torch.Size([2, 10, 128])

实战：使用nn.Transformer实现一个简单的Copy任务

任务描述：让Transformer预测输入。例如，输入为​​[0, 3, 4, 6, 7, 1, 2, 2]​​​，则期望的输出为​​[0, 3, 4, 6, 7, 1]​​。

首先，我们定义一下句子的最大长度：

max_length=16

定义PositionEncoding类，不需要知道具体什么意思，直接拿过来用即可。

class PositionalEncoding(nn.Module):
    "Implement the PE function."

    def __init__(self, d_model, dropout, max_len=5000):
        super(PositionalEncoding, self).__init__()
        self.dropout = nn.Dropout(p=dropout)

        # 初始化Shape为(max_len, d_model)的PE (positional encoding)
        pe = torch.zeros(max_len, d_model)
        # 初始化一个tensor [[0, 1, 2, 3, ...]]
        position = torch.arange(0, max_len).unsqueeze(1)
        # 这里就是sin和cos括号中的内容，通过e和ln进行了变换
        div_term = torch.exp(
            torch.arange(0, d_model, 2) * -(math.log(10000.0) / d_model)
        )
        # 计算PE(pos, 2i)
        pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)
        # 计算PE(pos, 2i+1)
        pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)
        # 为了方便计算，在最外面在unsqueeze出一个batch
        pe = pe.unsqueeze(0)
        # 如果一个参数不参与梯度下降，但又希望保存model的时候将其保存下来
        # 这个时候就可以用register_buffer
        self.register_buffer("pe", pe)

    def forward(self, x):
        """
        x 为embedding后的inputs，例如(1,7, 128)，batch size为1,7个单词，单词维度为128
        """
        # 将x和positional encoding相加。
        x = x + self.pe[:, : x.size(1)].requires_grad_(False)
        return self.dropout(x)

定义我们的Copy模型：

class CopyTaskModel(nn.Module):

    def __init__(self, d_model=128):
        super(CopyTaskModel, self).__init__()

        # 定义词向量，词典数为10。我们不预测两位小数。
        self.embedding = nn.Embedding(num_embeddings=10, embedding_dim=128)
        # 定义Transformer。超参是我拍脑袋想的
        self.transformer = nn.Transformer(d_model=128, num_encoder_layers=2, num_decoder_layers=2, dim_feedforward=512, batch_first=True)

        # 定义位置编码器
        self.positional_encoding = PositionalEncoding(d_model, dropout=0)

        # 定义最后的线性层，这里并没有用Softmax，因为没必要。
        # 因为后面的CrossEntropyLoss中自带了
        self.predictor = nn.Linear(128, 10)

    def forward(self, src, tgt):
        # 生成mask
        tgt_mask = nn.Transformer.generate_square_subsequent_mask(tgt.size()[-1])
        src_key_padding_mask = CopyTaskModel.get_key_padding_mask(src)
        tgt_key_padding_mask = CopyTaskModel.get_key_padding_mask(tgt)

        # 对src和tgt进行编码
        src = self.embedding(src)
        tgt = self.embedding(tgt)
        # 给src和tgt的token增加位置信息
        src = self.positional_encoding(src)
        tgt = self.positional_encoding(tgt)

        # 将准备好的数据送给transformer
        out = self.transformer(src, tgt,
                               tgt_mask=tgt_mask,
                               src_key_padding_mask=src_key_padding_mask,
                               tgt_key_padding_mask=tgt_key_padding_mask)

        """
        这里直接返回transformer的结果。因为训练和推理时的行为不一样，
        所以在该模型外再进行线性层的预测。
        """
        return out

    @staticmethod
    def get_key_padding_mask(tokens):
        """
        用于key_padding_mask
        """
        key_padding_mask = torch.zeros(tokens.size())
        key_padding_mask[tokens == 2] = -torch.inf
        return

model = CopyTaskModel()

这里简单的尝试下我们定义的模型：

src = torch.LongTensor([[0, 3, 4, 5, 6, 1, 2, 2]])
tgt = torch.LongTensor([[3, 4, 5, 6, 1, 2, 2]])
out = model(src, tgt)
print(out.size())
print(out)

torch.Size([1, 7, 128])
tensor([[[ 2.1870e-01,  1.3451e-01,  7.4523e-01, -1.1865e+00, -9.1054e-01,
           6.0285e-01,  8.3666e-02,  5.3425e-01,  2.2247e-01, -3.6559e-01,
          .... 
          -9.1266e-01,  1.7342e-01, -5.7250e-02,  7.1583e-02,  7.0782e-01,
          -3.5137e-01,  5.1000e-01, -4.7047e-01]]],
       grad_fn=<NativeLayerNormBackward0>)

没什么问题，那就接着定义损失函数和优化器，因为是多分类问题，所以用CrossEntropyLoss:

criteria = nn.CrossEntropyLoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=3e-4)

接着再定义一个生成随时数据的工具函数：

def generate_random_batch(batch_size, max_length=16):
    src = []
    for i in range(batch_size):
        # 随机生成句子长度
        random_len = random.randint(1, max_length - 2)
        # 随机生成句子词汇，并在开头和结尾增加<bos>和<eos>
        random_nums = [0] + [random.randint(3, 9) for _ in range(random_len)] + [1]
        # 如果句子长度不足max_length，进行填充
        random_nums = random_nums + [2] * (max_length - random_len - 2)
        src.append(random_nums)
    src = torch.LongTensor(src)
    # tgt不要最后一个token
    tgt = src[:, :-1]
    # tgt_y不要第一个的token
    tgt_y = src[:, 1:]
    # 计算tgt_y，即要预测的有效token的数量
    n_tokens = (tgt_y != 2).sum()

    # 这里的n_tokens指的是我们要预测的tgt_y中有多少有效的token，后面计算loss要用
    return src, tgt, tgt_y,

generate_random_batch(batch_size=2, max_length=6)

(tensor([[0, 7, 6, 8, 7, 1],
         [0, 9, 4, 1, 2, 2]]),
 tensor([[0, 7, 6, 8, 7],
         [0, 9, 4, 1, 2]]),
 tensor([[7, 6, 8, 7, 1],
         [9, 4, 1, 2, 2]]),
 tensor(8))

开始进行训练：

total_loss = 0

for step in range(2000):
    # 生成数据
    src, tgt, tgt_y, n_tokens = generate_random_batch(batch_size=2, max_length=max_length)

    # 清空梯度
    optimizer.zero_grad()
    # 进行transformer的计算
    out = model(src, tgt)
    # 将结果送给最后的线性层进行预测
    out = model.predictor(out)
    """
    计算损失。由于训练时我们的是对所有的输出都进行预测，所以需要对out进行reshape一下。
            我们的out的Shape为(batch_size, 词数, 词典大小)，view之后变为：
            (batch_size*词数, 词典大小)。
            而在这些预测结果中，我们只需要对非<pad>部分进行，所以需要进行正则化。也就是
            除以n_tokens。
    """
    loss = criteria(out.contiguous().view(-1, out.size(-1)), tgt_y.contiguous().view(-1)) / n_tokens
    # 计算梯度
    loss.backward()
    # 更新参数
    optimizer.step()

    total_loss += loss

    # 每40次打印一下loss
    if step != 0 and step % 40 == 0:
        print("Step {}, total_loss: {}".format(step, total_loss))
        total_loss = 0

Step 40, total_loss: 3.570814609527588
Step 80, total_loss: 2.4842987060546875
...略
Step 1920, total_loss: 0.4518987536430359
Step 1960, total_loss: 0.37290623784065247

在完成模型训练后，我们来使用一下我们的模型：

model = model.eval()
# 随便定义一个src
src = torch.LongTensor([[0, 4, 3, 4, 6, 8, 9, 9, 8, 1, 2, 2]])
# tgt从<bos>开始，看看能不能重新输出src中的值
tgt = torch.LongTensor([[0]])

# 一个一个词预测，直到预测为<eos>，或者达到句子最大长度
for i in range(max_length):
    # 进行transformer计算
    out = model(src, tgt)
    # 预测结果，因为只需要看最后一个词，所以取`out[:, -1]`
    predict = model.predictor(out[:, -1])
    # 找出最大值的index
    y = torch.argmax(predict, dim=1)
    # 和之前的预测结果拼接到一起
    tgt = torch.concat([tgt, y.unsqueeze(0)], dim=1)

    # 如果为<eos>，说明预测结束，跳出循环
    if y == 1:
        break
print(tgt)

tensor([[0, 4, 3, 4, 6, 8, 9, 9, 8, 1]])

可以看到，我们的模型成功预测了src的输入。

参考资料：

​​nn.Transformer官方文档​​: https://pytorch.org/docs/stable/generated/torch.nn.Transformer.html

​​层层剖析，让你彻底搞懂Self-Attention、MultiHead-Attention和Masked-Attention的机制和原理​​: