原來你是這樣的BERT，i了i了！ —— 超詳細BERT介紹（一）BERT主模型的結構及其組件

BERT（Bidirectional Encoder Representations from Transformers）是谷歌在2018年10月推出的深度語言表示模型。

一經推出便席捲整個NLP領域，帶來了革命性的進步。
從此，無數英雄好漢競相投身於這場追劇（芝麻街）運動。
只聽得這邊G家110億，那邊M家又1750億，真是好不熱鬧！

然而大家真的了解BERT的具體構造，以及使用細節嗎？
本文就帶大家來細品一下。

前言

本系列文章分成三篇介紹BERT，本文主要介紹BERT主模型（BertModel）的結構及其組件相關知識，另有兩篇分別介紹BERT預訓練相關和如何將BERT應用到不同的下游任務。

文章中的一些縮寫：NLP（natural language processing）自然語言處理；CV（computer vision）計算機視覺；DL（deep learning）深度學習；NLP&DL 自然語言處理和深度學習的交叉領域；CV&DL 計算機視覺和深度學習的交叉領域。

文章公式中的向量均為行向量，矩陣或張量的形狀均按照PyTorch的方式描述。
向量、矩陣或張量后的括號表示其形狀。

本系列文章的代碼均是基於transformers庫（v2.11.0）的代碼（基於Python語言、PyTorch框架）。
為便於理解，簡化了原代碼中不必要的部分，並保持主要功能等價。
在代碼最開始的地方，需要導入以下包：

代碼

from math import inf, sqrt
import torch as tc
from torch import nn
from torch.nn import functional as F
from transformers import PreTrainedModel

閱讀本系列文章需要一些背景知識，包括Word2Vec、LSTM、Transformer-Base、ELMo、GPT等，由於本文不想過於冗長（其實是懶），以及相信來看本文的讀者們也都是衝著BERT來的，所以這部分內容還請讀者們自行學習。
本文假設讀者們均已有相關背景知識。

目錄

• 1、主模型
  • 1.1、輸入
  • 1.2、嵌入層
    • 1.2.1、嵌入變換
    • 1.2.2、層標準化
    • 1.2.3、隨機失活
  • 1.3、編碼器
    • 1.3.1、隱藏層
      • 1.3.1.1、線性變換
      • 1.3.1.2、激活函數
        • 1.3.1.2.1、tanh
        • 1.3.1.2.2、softmax
        • 1.3.1.2.3、GELU
      • 1.3.1.3、多頭自注意力
      • 1.3.1.4、跳躍連接
  • 1.4、池化層
  • 1.5、輸出

1、主模型

BERT的主模型是BERT中最重要組件，BERT通過預訓練（pre-training），具體來說，就是在主模型后再接個專門的模塊計算預訓練的損失（loss），預訓練后就得到了主模型的參數（parameter），當應用到下游任務時，就在主模型後接個跟下游任務配套的模塊，然後主模型賦上預訓練的參數，下游任務模塊隨機初始化，然後微調（fine-tuning）就可以了（注意：微調的時候，主模型和下游任務模塊兩部分的參數一般都要調整，也可以凍結一部分，調整另一部分）。

主模型由三部分構成：嵌入層、編碼器、池化層。
如圖：

其中

• 輸入：一個個小批（mini-batch），小批里是batch_size個序列（句子或句子對），每個序列由若干個離散編碼向量組成。
• 嵌入層：將輸入的序列轉換成連續分佈式表示（distributed representation），即詞嵌入（word embedding）或詞向量（word vector）。
• 編碼器：對每個序列進行非線性表示。
• 池化層：取出[CLS]標記（token）的表示（representation）作為整個序列的表示。
• 輸出：編碼器最後一層輸出的表示（序列中每個標記的表示）和池化層輸出的表示（序列整體的表示）。

下面具體介紹這些部分。

1.1、輸入

一般來說，輸入BERT的可以是一句話：

I'm repairing immortals.

也可以是兩句話：

I'm repairing immortals. ||| Me too.

其中|||是分隔兩個句子的分隔符。

BERT先用專門的標記器（tokenizer）來標記（tokenize）序列，雙句標記后如下（單句類似）：

I ' m repair ##ing immortal ##s . ||| Me too .

標記器其實就是先對句子進行基於規則的標記化（tokenization），這一步可以把'm以及句號.等分割開，再進行子詞分割（subword segmentation），示例中帶##的就是被子詞分割開的部分。
子詞分割有很多好處，比如壓縮詞彙表、表示未登錄詞（out of vocabulary words, OOV words）、表示單詞內部結構信息等，以後有時間專門寫一篇介紹這個。

數據集中的句子長度不一定相等，BERT採用固定輸入序列（長則截斷，短則填充）的方式來解決這個問題。
首先需要設定一個seq_length超參數（hyperparameter），然後判斷整個序列長度是否超出，如果超出：單句截掉最後超出的部分，雙句則先刪掉較長的那句話的末尾標記，如果兩句話長度相等，則輪流刪掉兩句話末尾的標記，直到總長度達到要求（即等長的兩句話刪掉的標記數量盡量相等）；如果序列長度過小，則在句子最後添加[PAD]標記，使長度達到要求。

然後在序列最開始添加[CLS]標記，以及在每句話末尾添加[SEP]標記。
單句話添加一個[CLS]和一個[SEP]，雙句話添加一個[CLS]和兩個[SEP]。
[CLS]標記對應的表示作為整個序列的表示，[SEP]標記是專門用來分隔句子的。
注意：處理長度時需要考慮添加的[CLS]和[SEP]標記，使得最終總的長度=seq_length；[PAD]標記在整個序列的最末尾。

例如seq_length=12，則單句變為：

[CLS] I ' m repair ##ing immortal ##s . [SEP] [PAD] [PAD]

如果seq_length=10，則雙句變為：

[CLS] I ' m repair [SEP] Me too . [SEP]

分割完后，每一個空格分割的子字符串（substring）都看成一個標記（token），標記器通過查表將這些標記映射成整數編碼。
單句如下：

[101, 146, 112, 182, 6949, 1158, 15642, 1116, 119, 102, 0, 0]

最後整個序列由四種類型的編碼向量表示，單句如下：

標記編碼：[101, 146, 112, 182, 6949, 1158, 15642, 1116, 119, 102, 0, 0]
位置編碼：[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11]
句子位置編碼：[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
注意力掩碼：[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0]

其中，標記編碼就是上面的序列中每個標記轉成編碼后得到的向量；位置編碼記錄每個標記的位置；句子位置編碼記錄每個標記屬於哪句話，0是第一句話，1是第二句話（注意：[CLS]標記對應的是0）；注意力掩碼記錄某個標記是否是填充的，1表示非填充，0表示填充。

雙句如下：

標記編碼：[101, 146, 112, 182, 6949, 102, 2508, 1315, 119, 102]
位置編碼：[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
句子位置編碼：[0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1]
注意力掩碼：[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1]

上面的是英文的情況，中文的話BERT直接用漢字級別表示，即

我在修仙（￣︶￣）↗

這樣的句子分割成

我 在 修 仙 （ ￣ ︶ ￣ ） ↗

然後每個漢字（包括中文標點）看成一個標記，應用上述操作即可。

1.2、嵌入層

嵌入層的作用是將序列的離散編碼錶示轉換成連續分佈式表示。
離散編碼只能表示A和B相等或不等，但是如果將其表示成連續分佈式表示（即連續的N維空間向量），就可以計算\(A\)與\(B\)之間的相似度或距離了，從而表達更多信息。
這個是詞嵌入或詞向量的知識，可以參考Word2Vec相關內容，本文不再贅述了。

嵌入層包含三種組件：嵌入變換（embedding）、層標準化（layer normalization）、隨機失活（dropout）。
如圖：

1.2.1、嵌入變換

嵌入變換實際上就是一個線性變換（linear transformation）。
傳統上，離散標記往往表示成一個獨熱碼（one-hot）向量，也叫標準基向量，即一個長度為\(V\)的向量，其中只有一位為\(1\)，其他都為\(0\)。
在NLP&DL領域，\(V\)一般是詞彙表的大小。
但是這種向量往往維數很高（詞彙表往往比較大）而且很稀疏（每個向量只有一位不為\(0\)），不好處理。
所以可以通過一個線性變換將這個向量轉換成低維稠密的向量。

假設\(v\)（\(V\)）是標記\(t\)的獨熱碼向量，\(W\)（\(V \times H\)）是一個\(V\)行\(H\)列的矩陣，則\(t\)的嵌入\(e\)為：

\[e = v W \]

實際上\(W\)中每一行都可以看成一個詞嵌入，而這個矩陣乘就是把\(v\)中等於\(1\)的那個位置對應的\(W\)中的詞嵌入取出來。
在工程實踐中，由於獨熱碼向量比較占內存，而且矩陣乘效率也不高，所以往往用一個整數編碼來代替獨熱碼向量，然後直接用查表的方式取出對應的詞嵌入。

所以假設\(n\)是\(t\)的編碼，一般是在詞彙表中的編號，那麼上面的公式就可以改成：

\[e = W_{n} \]

其中下標表示取出對應的行。

那麼一個標記化后的序列就可以表示成一個編碼向量。
假設序列\(T\)的編碼向量為\(s\)（\(L\)），\(L\)為序列的長度，即\(T\)中有\(L\)個標記。
如果詞嵌入長度為\(H\)，那麼經過嵌入變換，得到\(T\)的隱狀態（hidden state）\(h\)（\(L \times H\)）。

1.2.2、層標準化

層標準化類似於批標準化（batch normalization），可以加速模型訓練，但其實現方式和批標準化不一樣，層標準化是沿着詞嵌入（通道）維進行標準化的，不需要在訓練時存儲統計量來估計整體數據集的均值和方差，訓練（training）和評估（evaluation）或推理（inference）階段的操作是相同的。
另外批標準化對小批大小有限制，而層標準化則沒有限制。

假設輸入的一個詞嵌入為\(e = [x_0, x_1, …, x_{H-1}]\)，\(x_k\)是\(e\)第\(k = 0, 1, …, (H-1)\) 維的分量，\(H\)是詞嵌入長度。
那麼層標準化就是

\[y_{k} = \frac{x_{k}-\mu}{\sigma} * \alpha_k + \beta_k \]

其中，\(y_{k}\)是輸出，\(\mu\)和\(\sigma^2\)分別是均值和方差：

\[ \mu = \frac{1}{H} \sum_{k=0}^{H-1} x_{k} \\ \sigma^2 = \frac{1}{H} \sum_{k=0}^{H-1} (x_{k}-\mu)^2 \\ \]

\(\alpha_k\)和\(\beta_k\)是學習得到的參數，用於防止模型表示能力退化。

注意：\(\mu\)和\(\sigma^2\)是針對每個樣本每個位置的詞嵌入分別計算的，而\(\alpha_k\)和\(\beta_k\)對所有的詞嵌入都是共用的；\(\sigma^2\)的計算沒有使用貝塞爾校正（Bessel’s correction）。

1.2.3、隨機失活

隨機失活是DL領域非常著名且常用的正則化（regularization）方法（然而被谷歌註冊專利了），用來防止模型過擬合（overfitting）。

具體來說，先設置一個超參數\(P \in [0, 1]\)，表示按照概率\(P\)隨機將值置\(0\)。
然後假設詞嵌入中某一維分量是\(x\)，按照均勻隨機分佈產生一個隨機數\(r \in [0, 1]\)，然後輸出值\(y\)為：

\[ y = \left\{ \begin{aligned} & \frac{x}{1-P} &, & r > P \\ & 0 &, & r \le P \\ \end{aligned} \right. \]

由於按照概率\(P\)置\(0\)，相當於輸出值的期望變成原來的\((1-P)\)倍，所以再對輸出值除以\((1-P)\)，就可以保持期望不變。

以上操作針對訓練階段，在評估階段，輸出值等於輸入值：

\[y = x \]

嵌入層代碼如下：

代碼

# BERT之嵌入層
class BertEmb(nn.Module):
	def __init__(self, config):
		super().__init__()
		# 標記嵌入，padding_idx=0：編碼為0的嵌入始終為零向量
		self.tok_emb = nn.Embedding(config.vocab_size, config.hidden_size, padding_idx=0)
		# 位置嵌入
		self.pos_emb = nn.Embedding(config.max_position_embeddings, config.hidden_size)
		# 句子位置嵌入
		self.sent_pos_emb = nn.Embedding(config.type_vocab_size, config.hidden_size)

		# 層標準化
		self.layer_norm = nn.LayerNorm(config.hidden_size, eps=config.layer_norm_eps)
		# 隨機失活
		self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)

	def forward(self,
			tok_ids,  # 標記編碼（batch_size * seq_length）
			pos_ids=None,  # 位置編碼（batch_size * seq_length）
			sent_pos_ids=None,  # 句子位置編碼（batch_size * seq_length）
	):
		device = tok_ids.device  # 設備（CPU或CUDA）
		shape = tok_ids.shape  # 形狀（batch_size * seq_length）
		seq_length = shape[1]

		# 默認：[0, 1, ..., seq_length-1]
		if pos_ids is None:
			pos_ids = tc.arange(seq_length, dtype=tc.int64, device=device)
			pos_ids = pos_ids.unsqueeze(0).expand(shape)
		# 默認：[0, 0, ..., 0]，即所有標記都屬於第一個句子
		if sent_pos_ids is None:
			sent_pos_ids = tc.zeros(shape, dtype=tc.int64, device=device)

		# 三種嵌入（batch_size * seq_length * hidden_size）
		tok_embs = self.tok_emb(tok_ids)
		pos_embs = self.pos_emb(pos_ids)
		sent_pos_embs = self.sent_pos_emb(sent_pos_ids)

		# 三種嵌入相加
		embs = tok_embs + pos_embs + sent_pos_embs
		# 層標準化嵌入
		embs = self.layer_norm(embs)
		# 隨機失活嵌入
		embs = self.dropout(embs)
		return embs  # 嵌入（batch_size * seq_length * hidden_size）

其中，
config是BERT的配置文件對象，裏面記錄了各種預先設定的超參數；
vocab_size是詞彙表大小；
hidden_size是詞嵌入長度，默認是768（bert-base-*）或1024（bert-large-*）；
max_position_embeddings是允許的最大標記位置，默認是512；
type_vocab_size是允許的最大句子位置，即最多能輸入的句子數量，默認是2；
layer_norm_eps是一個>0並很接近0的小數\(\epsilon\)，用來防止計算時發生除0等異常操作；
hidden_dropout_prob是隨機失活概率，默認是0.1；
batch_size是小批的大小，即一個小批里的樣本個數；
seq_length是輸入的編碼向量的長度。

1.3、編碼器

編碼器的作用是對嵌入層輸出的隱狀態進行非線性表示，提取出其中的特徵（feature），它是由num_hidden_layers個結構相同（超參數相同）但參數不同（不共享參數）的隱藏層串連構成的。
如圖：

1.3.1、隱藏層

隱藏層包括線性變換、激活函數（activation function）、多頭自注意力（multi-head self-attention）、跳躍連接（skip connection），以及上面介紹過的層標準化和隨機失活。
如圖：

其中，激活函數默認是GELU，線性變換均是逐位置線性變換，即對不同樣本不同位置的詞嵌入應用相同的線性變換（類似於CV&DL領域的\(1 \times 1\)卷積）。

1.3.1.1、線性變換

線性變換在CV&DL領域也叫全連接層（fully connected layer），即

\[y = x W^T + b \]

其中，\(x\)（\(A\)）是輸入向量，\(y\)（\(B\)）是輸出向量，\(W\)（\(B \times A\)）是權重（weight）矩陣，\(b\)（\(B\)）是偏置（bias）向量；\(W\)和\(b\)是學習得到的參數。

另外，嚴格來說，當\(b = \vec 0\)時，上式為線性變換；當\(b \ne \vec 0\)時，上式為仿射變換（affine transformation）。
但是在DL中，人們往往並不那麼摳字眼，對於這兩種變換，一般都簡單地稱為線性變換。

1.3.1.2、激活函數

激活函數在DL中非常關鍵！
因為如果要提高一個神經網絡（neural network）的表示能力，往往需要加深網絡的深度。
然而如果只疊加多個線性變換的話，這等價於一個線性變換（大家可以推推看）！
所以只有在線性變換後接一個非線性變換（nonlinear transformation），即激活函數，才能逐漸加深網絡並提高表示能力。

激活函數有很多，常見的包括sigmoid、tanh、softmax、ReLU、GELU、Swish、Mish等。
本文只講和BERT相關的激活函數：tanh、softmax、GELU。

1.3.1.2.1、tanh

激活函數的一個功能是調整輸入值的取值範圍。
tanh即雙曲正切函數，可以將\((-\infty, +\infty)\)的數映射到\((-1, 1)\)，並且嚴格單調。
函數圖像如圖：

tanh在NLP&DL領域用得比較多。

1.3.1.2.2、softmax

softmax顧名思義，它可以對輸入的一組數值根據其大小給出每個數值的概率，數值越大，概率越高，且概率求和為\(1\)。

假設輸入\(x_k\)，\(k = 0, 1, …, (N-1)\)，則輸出值\(y_k\)為：

\[y_k = \frac{exp(x_k)}{\sum_{i=0}^{N-1} exp(x_i)} \]

實際上，對於任意一個對數幾率（logit）\(x \in (-\infty, +\infty)\)，\(x\)越大，表示某個事件發生的可能性越大，softmax可以將其轉化為概率，即將取值範圍映射到\((0, 1)\)。

1.3.1.2.3、GELU

GELU（Gaussian Error Linear Units）是2016年6月提出的一個激活函數。
GELU相比ReLU曲線更為光滑，允許梯度更好地傳播。
GELU的想法類似於隨機失活，隨機失活是按照0-1分佈，又叫兩點分佈，也叫伯努利分佈（Bernoulli distribution），隨機通過輸入值；而GELU則是將這個概率分佈改成正態分佈（Normal distribution），也叫高斯分佈（Gaussian distribution），然後輸出期望。

假設輸入值是\(x\)，輸出值是\(y\)，那麼GELU就是：

\[y = x P(X \le x) \]

其中，\(X \sim \mathcal{N}(0, 1)\)，\(P\)為概率。

GELU的函數圖像如圖：

其中藍線為ReLU函數圖像，橙線為GELU函數圖像。

1.3.1.3、多頭自注意力

多頭自注意力是Transformer的一大特色。
多頭自注意力的名字可以分成三個詞：多頭、自、注意力：

• 注意力：是DL領域近年來最重要的創新之一！可以使模型以不同的方式對待不同的輸入（即分配不同的權重），而無視空間（即輸入向量排成線形、面形、樹形、圖形等拓撲結構）的形狀、大小、距離。
• 自：是在普通的注意力基礎上修改而來的，可以表示輸入與自身的依賴關係。
• 多頭：是對注意力中涉及的向量分別拆分計算，從而提高表示能力。

對於一般的多頭注意力，假設計算\(x\)（\(H\)）對\(y_i\)（\(H\)），\(i = 0, 1, …, (L-1)\)，的多頭注意力，則首先計算\(q\)（H）、\(k_i\)（H）、\(v_i\)（H）：

\[ q = x W_q^T + b_q \\ k_i = y_i W_k^T + b_k \\ v_i = y_i W_v^T + b_v \\ \]

其中，\(W_z\)（\(H \times H\)）和\(b_z\)（\(H\)）分別為權重矩陣和偏置向量，\(z \in \{ q, k, v \}\)。
然後將這三種向量等長度拆分成\(S\)個向量，稱為頭向量：

\[ q_j = [q_0; q_1; …; q_{S-1}] \\ k_{ij} = [k_{i0}; k_{i1}; …; k_{i, S-1}] \\ v_{ij} = [v_{i0}; v_{i1}; …; v_{i, S-1}] \\ \]

上式中的分號為串連操作，即把多個向量拼接起來組成一個更長的向量。
其中，每個頭向量長度都為\(D\)，且\(S \times D = H\)。

然後計算\(q_j\)對\(k_{ij}\)的注意力分數\(s_{ij}\)：

\[s_{ij} = \frac{q_j k_{ij}^T}{\sqrt{D}} \]

之後可以添加註意力掩碼（也可以不加），即令\(s_{mj} = -\infty\)，\(m\)是需要添加掩碼的位置。
然後通過softmax計算注意力概率\(p_{ij}\)：

\[p_{ij} = \frac{exp(s_{ij})}{\sum_{t=0}^{L-1} exp(s_{tj})} \]

之後對注意力概率進行隨機失活：

\[\hat{p}_{ij} = dropout(p_{ij}) \]

再之後計算輸出向量\(r_j\)（\(D\)）：

\[r_j = \sum_{i=0}^{L-1} \hat{p}_{ij} v_{ij} \]

最終的輸出向量是把每一頭的輸出向量串連起來：

\[r = [r_0; r_1; …; r_{S-1}] \]

其中\(r\)（\(H\)）為最終的輸出向量。

如果令\(x = y_n\)，\(n \in \{ 0, 1, …, L-1 \}\)，即\(x\)是\(y_i\)中的某一個向量，那麼多頭注意力就變為多頭自注意力。

代碼如下：

代碼

# BERT之多頭自注意力
class BertMultiHeadSelfAtt(nn.Module):
	def __init__(self, config):
		super().__init__()
		# 注意力頭數
		self.num_heads = config.num_attention_heads
		# 注意力頭向量長度
		self.head_size = config.hidden_size // config.num_attention_heads

		self.query = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)
		self.key = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)
		self.value = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)

		self.dropout = nn.Dropout(config.attention_probs_dropout_prob)

	# 輸入（batch_size * seq_length * hidden_size）
	# 輸出（batch_size * num_heads * seq_length * head_size）
	def shape(self, x):
		shape = (*x.shape[:2], self.num_heads, self.head_size)
		return x.view(*shape).transpose(1, 2)
	# 輸入（batch_size * num_heads * seq_length * head_size）
	# 輸出（batch_size * seq_length * hidden_size）
	def unshape(self, x):
		x = x.transpose(1, 2).contiguous()
		return x.view(*x.shape[:2], -1)

	def forward(self,
			inputs,  # 輸入（batch_size * seq_length * hidden_size）
			att_masks=None,  # 注意力掩碼（batch_size * seq_length * hidden_size）
	):
		mixed_querys = self.query(inputs)
		mixed_keys = self.key(inputs)
		mixed_values = self.value(inputs)

		querys = self.shape(mixed_querys)
		keys = self.shape(mixed_keys)
		values = self.shape(mixed_values)

		# 注意力分數（batch_size * num_heads * seq_length * seq_length）
		att_scores = querys.matmul(keys.transpose(2, 3))
		# 縮放注意力分數
		att_scores = att_scores / sqrt(self.head_size)
		# 添加註意力掩碼
		if att_masks is not None:
			att_scores = att_scores + att_masks

		# 注意力概率（batch_size * num_heads * seq_length * seq_length）
		att_probs = att_scores.softmax(dim=-1)
		# 隨機失活注意力概率
		att_probs = self.dropout(att_probs)

		# 輸出（batch_size * num_heads * seq_length * head_size）
		outputs = att_probs.matmul(values)
		outputs = self.unshape(outputs)
		return outputs  # 輸出（batch_size * seq_length * hidden_size）

其中，
num_attention_heads是注意力頭數，默認是12（bert-base-*）或16（bert-large-*）；
attention_probs_dropout_prob是注意力概率的隨機失活概率，默認是0.1。

1.3.1.4、跳躍連接

跳躍連接也是DL領域近年來最重要的創新之一！
跳躍連接也叫殘差連接（residual connection）。
一般來說，傳統的神經網絡往往是一層接一層串連而成，前一層輸出作為後一層輸入。
而跳躍連接則是某一層的輸出，跳過若干層，直接輸入某個更深的層。
例如BERT的每個隱藏層中有兩個跳躍連接。

跳躍連接的作用是防止神經網絡梯度消失或梯度爆炸，使損失曲面（loss surface）更平滑，從而使模型更容易訓練，使神經網絡可以設置得更深。

按我個人的理解，一般來說，線性變換是最能保持輸入信息的，而非線性變換則往往會損失一部分信息，但是為了網絡的表示能力不得不線性變換與非線性變換多次堆疊，這樣網絡深層接收到的信息與最初輸入的信息比可能已經面目全非，而跳躍連接則可以讓輸入信息原汁原味地傳播得更深。

隱藏層代碼如下：

代碼

# BERT之隱藏層
class BertLayer(nn.Module):
	# noinspection PyUnresolvedReferences
	def __init__(self, config):
		super().__init__()
		# 多頭自注意力
		self.multi_head_self_att = BertMultiHeadSelfAtt(config)

		self.linear = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)
		self.dropout = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
		self.layer_norm = nn.LayerNorm(config.hidden_size, eps=config.layer_norm_eps)

		# 升維線性變換
		self.linear_1 = nn.Linear(config.hidden_size, config.intermediate_size)
		# 激活函數，默認：GELU
		self.act_fct = F.gelu

		# 降維線性變換，使向量大小保持不變
		self.linear_2 = nn.Linear(config.intermediate_size, config.hidden_size)
		self.dropout_1 = nn.Dropout(config.hidden_dropout_prob)
		self.layer_norm_1 = nn.LayerNorm(config.hidden_size, eps=config.layer_norm_eps)
	def forward(self,
			inputs,  # 輸入（batch_size * seq_length * hidden_size）
			att_masks=None,  # 注意力掩碼（batch_size * seq_length * hidden_size）
	):
		outputs = self.multi_head_self_att(inputs, att_masks=att_masks)
		outputs = self.linear(outputs)
		outputs = self.dropout(outputs)
		att_outputs = self.layer_norm(outputs + inputs)  # 跳躍連接

		outputs = self.linear_1(att_outputs)
		outputs = self.act_fct(outputs)

		outputs = self.linear_2(outputs)
		outputs = self.dropout_1(outputs)
		outputs = self.layer_norm_1(outputs + att_outputs)  # 跳躍連接
		return outputs  # 輸出（batch_size * seq_length * hidden_size）

其中，
intermediate_size是中間一個升維線性變換升維后的長度，默認是3072（bert-base-*）或4096（bert-large-*）。

編碼器代碼如下：

代碼

# BERT之編碼器
class BertEnc(nn.Module):
	def __init__(self, config):
		super().__init__()
		# num_hidden_layers個隱藏層
		self.layers = nn.ModuleList([BertLayer(config)
			for _ in range(config.num_hidden_layers)])
	# noinspection PyTypeChecker
	def forward(self,
			inputs,  # 輸入（batch_size * seq_length * hidden_size）
			att_masks=None,  # 注意力掩碼（batch_size * seq_length）
	):
		# 調整注意力掩碼的值和形狀
		if att_masks is not None:
			device = inputs.device  # 設備（CPU或CUDA）
			dtype = inputs.dtype  # 數據類型（float16、float32或float64）
			shape = att_masks.shape  # 形狀（batch_size * seq_length）
			t = tc.zeros(shape, dtype=dtype, device=device)
			t[att_masks<=0] = -inf  # exp(-inf) = 0
			t = t[:, None, None, :]
			att_masks = t

		outputs = inputs
		for layer in self.layers:
			outputs = layer(outputs, att_masks=att_masks)
		return outputs  # 輸出（batch_size * seq_length * hidden_size）

其中，
num_hidden_layers是隱藏層數量，默認是12（bert-base-*）或24（bert-large-*）。

1.4、池化層

池化層是將[CLS]標記對應的表示取出來，並做一定的變換，作為整個序列的表示並返回，以及原封不動地返回所有的標記表示。
如圖：

其中，激活函數默認是tanh。

池化層代碼如下：

代碼

# BERT之池化層
class BertPool(nn.Module):
	def __init__(self, config):
		super().__init__()
		self.linear = nn.Linear(config.hidden_size, config.hidden_size)
		self.act_fct = F.tanh
	def forward(self,
			inputs,  # 輸入（batch_size * seq_length * hidden_size）
	):
		# 取[CLS]標記的表示
		outputs = inputs[:, 0]
		outputs = self.linear(outputs)
		outputs = self.act_fct(outputs)
		return outputs  # 輸出（batch_size * hidden_size）

1.5、輸出

主模型最後輸出所有的標記表示和整體的序列表示，分別用於針對每個標記的預測任務和針對整個序列的預測任務。

主模型代碼如下：

代碼

# BERT之預訓練模型抽象基類
class BertPreTrainedModel(PreTrainedModel):
	from transformers import BertConfig
	from transformers import BERT_PRETRAINED_MODEL_ARCHIVE_MAP
	from transformers import load_tf_weights_in_bert

	config_class = BertConfig
	pretrained_model_archive_map = BERT_PRETRAINED_MODEL_ARCHIVE_MAP
	load_tf_weights = load_tf_weights_in_bert
	base_model_prefix = 'bert'

	# 注意力頭剪枝
	def _prune_heads(self, heads_to_prune):
		pass
	# 參數初始化
	def _init_weights(self, module):
		config = self.config
		f = lambda x: x is not None and x.requires_grad
		if isinstance(module, nn.Embedding):
			if f(module.weight):
				# 正態分佈隨機初始化
				module.weight.data.normal_(mean=0.0, std=config.initializer_range)
		elif isinstance(module, nn.Linear):
			if f(module.weight):
				# 正態分佈隨機初始化
				module.weight.data.normal_(mean=0.0, std=config.initializer_range)
			if f(module.bias):
				# 初始為0
				module.bias.data.zero_()
		elif isinstance(module, nn.LayerNorm):
			if f(module.weight):
				# 初始為1
				module.weight.data.fill_(1.0)
			if f(module.bias):
				# 初始為0
				module.bias.data.zero_()
# BERT之主模型
class BertModel(BertPreTrainedModel):
	def __init__(self, config):
		super().__init__(config)
		self.config = config
		# 嵌入層
		self.emb = BertEmb(config)
		# 編碼器
		self.enc = BertEnc(config)
		# 池化層
		self.pool = BertPool(config)
		# 參數初始化
		self.init_weights()

	# noinspection PyUnresolvedReferences
	def get_input_embeddings(self):
		return self.emb.tok_emb
	def set_input_embeddings(self, embs):
		self.emb.tok_emb = embs

	def forward(self,
			tok_ids,  # 標記編碼（batch_size * seq_length）
			pos_ids=None,  # 位置編碼（batch_size * seq_length）
			sent_pos_ids=None,  # 句子位置編碼（batch_size * seq_length）
			att_masks=None,  # 注意力掩碼（batch_size * seq_length）
	):
		outputs = self.emb(tok_ids, pos_ids=pos_ids, sent_pos_ids=sent_pos_ids)
		outputs = self.enc(outputs, att_masks=att_masks)
		pooled_outputs = self.pool(outputs)
		return (
			outputs,  # 輸出（batch_size * seq_length * hidden_size）
			pooled_outputs,  # 池化輸出（batch_size * hidden_size）
		)

其中，
BertPreTrainedModel是預訓練模型抽象基類，用於完成一些初始化工作。

後記

本文詳細地介紹了BERT主模型的結構及其組件，了解它的構造以及代碼實現對於理解以及應用BERT有非常大的幫助。
後續兩篇文章會分別介紹BERT預訓練和下游任務相關。

從BERT主模型的結構中，我們可以發現，BERT拋棄了RNN架構，而只用注意力機制來抽取長距離依賴（這個其實是Transformer架構的特點）。
由於注意力可以并行計算，而RNN必須串行計算，這就使得模型計算效率大大提升，於是BERT這類模型也能夠堆得很深。
BERT為了能夠同時做單句和雙句的序列和標記的預測任務，設計了[CLS]和[SEP]等特殊標記分別作為序列表示以及標記不同的句子邊界，整體採用了桶狀的模型結構，即輸入時隱狀態的形狀與輸出時隱狀態的形狀相等（只是在每個隱藏層有升維與降維操作，整體上詞嵌入長度保持不變）。
由於注意力機制對距離不敏感，所以BERT額外添加了位置特徵。

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