注意力机制

注意力机制的原理和实现

      在Attention出来之前，以前人们使用RNN和CNN来获得语义信息，但是RNN需要逐步递归才可以获得全局的信息，而通过滑动窗口进行编码的CNN，更侧重于捕获局部信息，难以建模长距离的语义依赖。Attention可以使得每个词具有上下文的语义信息。

 

1、原理

      Attention的实现方式有多种，常见的是Scaled Dot-product Attention。

　　

 　　Attention 有三个输入(query,key,value)，若三个输入是相同的称为Self-Attention，若三个输入不同为Cross-Attention，公式如下。

 　　以Self-Attention举例，Q，K，V都是相同的输入，通过Q和K的点积运算，来获得注意力分数矩阵，由于点积会产生任意大的数，通过乘以一个缩放因子来标准化他的方差，并通过Softmax来对数据进行标准化，这样就得到了注意权重，将注意力与对应的V相乘，来获得Q更新的向量。综上通过Q和K的点积来获得注意力矩阵，知道句中的词之间的相关性，然后乘以V来更新向量，这个新向量中每个词可以具有上下文的语义信息，而且更有侧重性。

2、实现

 scaled_dot_product_attention的简单实现

# attention 的实现

def scaled_dot_product_attention(query,key,value,query_mask=None,key_mask=None,mask=None):
    
    dim_k=query.size(-1)
    scores=torch.bmm(query,key.transpose(1,2))/sqrt(dim_k)

    if query_mask is not None and key_mask is not None:
        mask=torch.bmm(query_mask.unsqueeze(-1),key_mask.unsqueeze(1))
    
    if mask is not None:
        # 填充padding字符不应该参与计算，因此将注意力分数设置为负无穷，这样softmaxt之后对应的注意力权重为0
        scores=scores.masked_fill(mask==0,-float("inf"))
    weight=F.softmax(scores,dim=-1)

    return torch.bmm(weight,value)

      多头注意力机制的工程化封装（pytorch的实现）

def scaled_dot_product_attention(query,key,value,query_mask=None,key_mask=None,mask=None):
    
    dim_k=query.size(-1)
    scores=torch.bmm(query,key.transpose(1,2))/sqrt(dim_k)

    if query_mask is not None and key_mask is not None:
        mask=torch.bmm(query_mask.unsqueeze(-1),key_mask.unsqueeze(1))
    
    if mask is not None:
        # 填充padding字符不应该参与计算，因此将注意力分数设置为负无穷，这样softmaxt之后对应的注意力权重为0
        scores=scores.masked_fill(mask==0,-float("inf"))
    weight=F.softmax(scores,dim=-1)

    return torch.bmm(weight,value)

# 多头注意力
class AttentionHead(nn.Module):
    def __init__(self,embed_dim,head_dim):
        super().__init__()
        self.q=nn.Linear(embed_dim,head_dim)
        self.k=nn.Linear(embed_dim,head_dim)
        self.v=nn.Linear(embed_dim,head_dim)

    def forward(self,query,key,value,query_mask=None,key_mask=None,mask=None):
        attn_outputs=scaled_dot_product_attention(

            self.q(query),self.k(key),self.v(value),query_mask,key_mask,mask
        )

        return attn_outputs

# 多头注意力机制
class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self,config):
        super().__init__()
        embed_dim=config.hidden_size
        num_heads=config.num_attention_heads
        head_dim=embed_dim//num_heads

        self.heads=nn.ModuleList(
            [AttentionHead(embed_dim,head_dim) for _ in range(num_heads)]
        )
        self.output_linear=nn.Linear(embed_dim,embed_dim)
    def forward(self,query,key,value,query_mask=None,key_mask=None,mask=None):
        x=torch.cat(
            [h(query,key,value,query_mask,key_mask,mask) for h in self.heads],dim=-1
        )
        x=self.output_linear(x)
        return x

 

      到此，注意力机制的原理和实现都以完成。