【ASE高级软件工程】第二次结对作业

重现baseline

我们选择重现CODEnn模型（论文：Deep Code Search），因为它结构简单、端到端可训练，且相比其它方法拥有较高的性能。

Baseline原理

为了根据给定的query（文本）查询相关的代码，需要计算文本和所有代码之间的相似度，从而选择相似度最高的k个代码作为查询结果。由于文本与代码为异构数据，需要将它们编码到统一的embedding space中。CODEnn是一种端到端模型，用两个encoder分别将文本和代码编码到同一高维空间中，并用cosine similarity计算文本与代码间的相似度。其整体结构可以用下图简要概括：

完整结构图如下：

RNN

RNN经常用于编码序列数据，能够有效捕捉序列中不同时刻之间的关联性。其结构如下：

RNN按顺序处理顺序输入数据，用hidden state（图中\(h\)）保存上下文信息，从而能够处理不同时刻之间的依赖关系并对序列进行编码。

Code Embedding Network

Code embedding network对代码的三个方面分别编码：method名字、调用的API序列、代码tokens。网络结构如下：

其中：

1. method名字可以表示为单词序列 \(M = w_1, w_2, ..., w_{N_M}\)，经过RNN模块为每个时间产生一个embedding，再经过max pooling模块，得到序列的embedding向量\(\vec{m}\)。
2. API序列 \(A = a_1, a_2, ..., a_{N_A}\) 可以通过AST结构获得。类似method名字，经过RNN模块与max pooling模块编码为向量\(\vec{a}\)。
3. 代码中的tokens表示为集合 \(\Gamma = \{ \tau_1, \tau_2, ..., \tau_{N_\Gamma} \}\)，因为代码中 tokens 较多、可能重复，不应该表示为序列。因此，\(\Gamma\)不使用RNN编码，直接经过MLP模块与max pooling模块编码为向量\(\vec{t}\)。

最终的code embedding为\(\vec{c} = \text{tanh}(W^C [\vec{m}, \vec{a}, \vec{t}])\)。

Text Embedding Network

文本（query内容，或对代码的描述）可以表示为单词序列\(D = w_1, w_2, ..., w_{N_D}\)，因此也使用RNN与max pooling模块编码为向量\(\vec{d}\)。

相似度计算

本文采用余弦相似度作为向量相似度指标：

\[sim(\vec{c}, \vec{d}) = cos(\vec{c}, \vec{d}) = \frac{\vec{d}^T \vec{d}}{\|\vec{c}\| \|\vec{d}\|} \]

比起L2距离，余弦相似度能够不受向量尺度影响，而更好地表征两个向量之间的相似度。详见Cosine Similarity – Understanding the math and how it works (with python codes)。

训练

训练过程中，每个样本包含一段代码\(\vec{c}\)、代码的正确描述\(\vec{d}_+\)和随机采样的一段错误描述\(\vec{d}_-\)。采用triplet loss的思路设计损失函数：

\[L(\vec{c}, \vec{d}) = \max (0, \epsilon - cos (\vec{c}, \vec{d}_+) + cos (\vec{c}, \vec{d}_-) ) \]

其目的在于增大代码\(\vec{c}\)与正确描述\(\vec{d}_+\)之间的相似度、减小代码\(\vec{c}\)与错误描述\(\vec{d}_-\)之间的相似度，且增大相似度的margin、使之大于\(\epsilon\)，从而使正确样本与错误样本易于分辨。可以参考下图：

模型优缺点

优点：

• 将代码与文本两种不同domain的数据编码到同一个高维空间里，从而能够直接计算相似度
• 模型经过端到端训练，比rule-based methods能更好地捕捉代码或文本的语义

缺点：

• 个人认为，code embedding network只对代码的三个方面（method名字、调用的API序列、代码tokens）编码，利用的信息不够多。且代码的语义比较微妙，更改少数几个token就可能对整体语义产生较大的影响，这样的编码方式不能充分编码代码语义。
• 干净的数据量太少：大部分代码没有完整的描述，质量高的(code, description) pair较少，不足以训练参数较多的RNN网络。

模型重现结果

我们将模型训练了200个epochs，在第200个epochs处在测试集上对模型进行了测试。测试结果如下，其中k表示选择的搜索结果数量：

k	Success Rate	MAP	nDCG
1	0.28	0.28	0.28
5	0.55	0.39	0.42
10	0.68	0.40	0.46

可以看出，随k增大，模型各项性能都更好；然而我们没有复现原repo结果，原因未知。

可视化

我们通过PCA将code embedding与text embedding投影到二维；下图为所有测试数据的embedding的散点图。

可以看出，code embedding与text embedding尺度上不完全一致，这进一步印证选择cosine similarity衡量相似度是正确的。

我们绘制了测试集中部分代码embedding与其描述的embedding在embedding space中的分布。下面两幅图表示code 0、desc 0、code 1、desc 1的embedding分别在原始embedding space中与L2归一化后的embedding space中分布，其中desc 0为"manage pende entry"，code 0为其对应代码；desc 1为"Read mesh datum file"，code 1为其对应代码。

可以看出，语义上相关的代码与文本embedding相似度高、无关的代码或文本embedding相似度低，说明我们的模型是有效的。

改进方法

我个人认为CODEnn框架end-to-end training的思路很好，但是对code和对文本的embedding方式可以改进。另外，模型的评估方式也有一定的问题。我能想到的改进方法如下：

改用更好的encoder

如缺点中所说，我认为CODEnn的code embedding network不能充分编码代码语义。个人认为可以改为其它能够捕捉更多信息的code embedding方法，如code2vec；或者，由于代码可以表示为ast树形结构，可以用Tree LSTM或GNN。

预训练模型

同样如缺点中所说，质量高的(code, description) pair较少，即可以用于将代码embedding与文本embedding投影到同一个embedding space的数据较少；然而无监督的数据，无论是代码（github上有大量开源代码）还是文本（互联网上无监督语料极多）都几乎是无限的。我们可以用已有的大量无监督代码训练encoder、使之已经能表达一定的语义，然后在(code, description) pair数据上进行finetuning。

预训练text embedding network

用语言模型对language encoder进行预训练是NLP中的常用方法。网络上，LSTM和更新的Transformer都有相应的预训练模型发布；也可以自己用与代码有关的文本语料（如爬取stackoverflow的文本）预训练一个模型。

预训练code embedding network

对于如何训练code embedding network，有两种可能的思路：

1. 利用有监督数据训练，如code2vec利用代码的属性作为监督，训练code embedding方法。code2vec自己也有发布预训练模型，可以直接使用。
2. 训练“语言模型”：这个方法由黄志鹏同学提出，可以用类似NLP中语言模型预训练的方法，通过mask掉代码中的某一行或一个token、要求模型通过上下文预测被mask的部分。现在也有一些类似的工作（如The Effectiveness of Pre-trained Code Embeddings），但是效果并不算好。

Finetuning

对于如何finetune预训练好的模型，也有多种可能的思路：

1. 直接将预训练模型放入完整模型进行训练：最直观的方法，但由于预训练模型可能将代码和文本编码到不同的子空间，直接训练可能会大幅改变预训练模型参数、破坏预训练模型捕捉到的语义
2. 将预训练模型参数固定，在模型后加入线性变换（参数不固定），作为embedding network放入完整模型进行训练：个人觉得更合理的方法，虽然引入了更多的参数，但是。如果需要对预训练模型本身进一步微调，可以在模型收敛后，再对整个模型进行训练，从而不至于破坏预训练模型捕捉的语义。

模型评估

由于code search这个问题缺乏benchmark数据库，对于给定的搜索结果难以判断其搜索质量，因此较难进行评估。

我们实验中，为了评估模型的质量，我们利用测试集中的(code, desc) pair评估模型搜索结果的准确性，即假设一段文本仅对应一段代码；但实际使用中，由于存在大量代码、代码之间会有关联甚至重复，一段文本可以对应多段代码，这样的评估方法无法准确评价模型性能。CODEnn中，为了计算不同k下的precision，作者邀请了少量评审人员对少量的搜索结果打分，但这样对模型的评估不确定性大、主观性强。

在该领域具备足够的benchmark dataset之前，可能的解决方法是评估时增加人手。

评价合作伙伴

这次因为一点意外，我中途加入了黄志鹏同学和许嘉琪同学的队伍，如果打扰到了两位同学原本的合作节奏对两位同学表示歉意~

两位合作伙伴都非常好。黄志鹏同学代码能力很强，我们的参考代码中有一些bug，他很快修复了代码、搭出了一个可以实验的demo。许嘉琪同学对论文的理解和数理基础都很深，我们的一迷惑都经过跟他讨论得到了很好的解答。我们共有的一个问题是时间管理不够好、没有很好地预先规划，训练模型的时间太长，以至于发现模型效果不好之后没有充分的时间调参，导致我们发现这一点我们以后会尽量改进。