【深度学习实验】循环神经网络（五）：基于GRU的语言模型训练（包括自定义门控循环单元GRU）

文章目录

一、实验介绍
二、实验环境
- 1. 配置虚拟环境
- 2. 库版本介绍
三、实验内容
- （一）自定义门控循环单元（GRU，Gated Recurrent Unit）
- - 1. get_params
  - 2. init_gru_state
  - 3. gru
- （二）创建模型
- - 0. 超参数
  - 1. 使用上述手动实现的GRU函数
  - 2. 调用Pytorch库的GRU类
- （三）基于GRU的语言模型训练
- - 1. RNNModel类
  - 2. 训练、测试及其余辅助函数
  - 3. 主函数
  - - a. 训练
    - b. 测试结果
  - 4. 代码整合

经验是智慧之父，记忆是智慧之母。
——谚语

一、实验介绍

基于门控的循环神经网络（Gated RNN）
- 门控循环单元（GRU）
  - 门控循环单元（GRU）具有比传统循环神经网络更少的门控单元，因此参数更少，计算效率更高。GRU通过重置门和更新门来控制信息的流动，从而改善了传统循环神经网络中的长期依赖问题。
- 长短期记忆网络（LSTM）
  - 长短期记忆网络（LSTM）是另一种常用的门控循环神经网络结构。LSTM引入了记忆单元和输入门、输出门以及遗忘门等门控机制，通过这些门控机制可以选择性地记忆、遗忘和输出信息，有效地处理长期依赖和梯度问题。
GRU示意图：

二、实验环境

本系列实验使用了PyTorch深度学习框架，相关操作如下：

1. 配置虚拟环境

conda create -n DL python=3.7

conda activate DL

pip install torch==1.8.1+cu102 torchvision==0.9.1+cu102 torchaudio==0.8.1 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html

conda install matplotlib

 conda install scikit-learn

2. 库版本介绍

软件包	本实验版本	目前最新版
matplotlib	3.5.3	3.8.0
numpy	1.21.6	1.26.0
python	3.7.16
scikit-learn	0.22.1	1.3.0
torch	1.8.1+cu102	2.0.1
torchaudio	0.8.1	2.0.2
torchvision	0.9.1+cu102	0.15.2

三、实验内容

（一）自定义门控循环单元（GRU，Gated Recurrent Unit）

1. get_params

def get_params(vocab_size, num_hiddens, device):
    num_inputs = num_outputs = vocab_size

    def normal(inputs, hiddens):
        ctx = device
        param = torch.rand((inputs, hiddens))
        param.to(ctx)
        return param
    
    def three():
        return (normal(num_inputs, num_hiddens),
                normal(num_hiddens, num_hiddens),
                torch.zeros(num_hiddens, device=device))

    W_xz, W_hz, b_z = three()  # 更新门参数
    W_xr, W_hr, b_r = three()  # 重置门参数
    W_xh, W_hh, b_h = three()  # 候选隐状态参数
    # 输出层参数
    W_hq = normal(num_hiddens, num_outputs)
    b_q = torch.zeros(num_outputs, device=device)
    # 附加梯度
    params = [W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q]
    for param in params:
        param.requires_grad_(True)
    return params

get_params 函数用于初始化模型的参数。它接受三个参数：vocab_size 表示词汇表的大小，num_hiddens 表示隐藏单元的数量，device 表示模型所在的设备（如 CPU 或 GPU）。

首先，根据 vocab_size 初始化 num_inputs 和 num_outputs，它们的值都等于 vocab_size。
然后，定义了一个内部函数 normal，该函数用于生成一个服从均匀分布的随机参数矩阵。这个函数返回一个形状为 (inputs, hiddens) 的随机参数矩阵，并将其移动到指定的设备上。
接下来，定义了另一个内部函数 three，该函数用于生成三个参数组成的元组。这三个参数分别表示更新门参数、重置门参数和候选隐状态参数。
使用 three 函数分别初始化了更新门参数 W_xz, W_hz, b_z，重置门参数 W_xr, W_hr, b_r，候选隐状态参数 W_xh, W_hh, b_h。
然后，通过调用 normal 函数初始化了输出层参数 W_hq 和 b_q。
最后，将所有的参数放入一个列表 params 中，并设置它们的 requires_grad 属性为 True，表示这些参数需要计算梯度。
返回参数列表 params。

2. init_gru_state

def init_gru_state(batch_size, num_hiddens, device):
    return (torch.zeros((batch_size, num_hiddens), device=device), )

init_gru_state 函数用于初始化隐藏状态，作为时间步 t=0 时的输入。它接受三个参数：batch_size 表示批次大小，num_hiddens 表示隐藏单元的数量，device 表示模型所在的设备。

使用 torch.zeros 函数创建并返回一个形状为 (batch_size, num_hiddens) 的全零张量，表示初始的隐藏状态。

3. gru

def gru(inputs, state, params):
    W_xz, W_hz, b_z, W_xr, W_hr, b_r, W_xh, W_hh, b_h, W_hq, b_q = params
    H, = state
    outputs = []
    # @符号为矩阵乘法的运算符号
    for X in inputs:
        Z = torch.sigmoid((X @ W_xz) + (H @ W_hz) + b_z)
        R = torch.sigmoid((X @ W_xr) + (H @ W_hr) + b_r)
        H_tilda = torch.tanh((X @ W_xh) + ((R * H) @ W_hh) + b_h)
        H = Z * H + (1 - Z) * H_tilda
        Y = H @ W_hq + b_q
        outputs.append(Y)
    return torch.cat(outputs, dim=0), (H,)

gru 函数是实现门控循环单元的关键部分，接受三个参数：inputs 表示输入序列，state 表示隐藏状态，params 表示模型的参数。

首先，从 params 中解包出更新门参数、重置门参数、候选隐状态参数以及输出层参数。
然后，通过一个循环遍历输入序列 inputs。
在每个时间步，根据输入 X 和当前的隐藏状态 H，计算更新门 Z、重置门 R 和候选隐状态 H_tilda。
然后，根据门控机制和候选隐状态，计算新的隐藏状态 H。
接着，使用隐藏状态 H 计算输出 Y。
将输出 Y 添加到输出列表 outputs 中。
循环结束后，使用 torch.cat 函数将输出列表中的所有输出连接起来，得到一个形状为 (seq_length * batch_size, num_outputs) 的张量，表示模型在整个序列上的输出。
最后，返回连接后的输出张量和最终的隐藏状态 (H,)。

（二）创建模型

0. 超参数

batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
vocab_size, num_hiddens, num_epochs, lr= 28, 256, 200, 1
device = try_gpu()

调用d2l.load_data_time_machine函数加载了训练数据，并设置了一些训练超参数。

1. 使用上述手动实现的GRU函数

model = d2l.RNNModelScratch(len(vocab), num_hiddens, device, get_params,
                            init_gru_state, gru)
d2l.train_ch8(model, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

使用先前定义的参数初始化函数、隐藏状态初始化函数和GRU函数创建自定义的RNN模型model；
调用d2l.train_ch8函数对该模型进行训练。

2. 调用Pytorch库的GRU类

gru_layer = nn.GRU(vocab_size, num_hiddens)
model_gru = RNNModel(gru_layer, vocab_size)
train(model_gru, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

创建了一个使用PyTorch库中的GRU类的model_gru，并对其进行训练。
关于训练过程，请继续阅读

（三）基于GRU的语言模型训练

注：本实验使用Pytorch库的GRU类，不使用自定义的GRU函数

1. RNNModel类

参考前文: 【深度学习实验】循环神经网络（三）：门控制——自定义循环神经网络LSTM（长短期记忆网络）模型

2. 训练、测试及其余辅助函数

参考前文: 【深度学习实验】循环神经网络（四）：基于 LSTM 的语言模型训练

3. 主函数

a. 训练

batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
vocab_size, num_hiddens, num_epochs, lr= 28, 256, 200, 1
device = try_gpu()
gru_layer = nn.GRU(vocab_size, num_hiddens)
model_gru = RNNModel(gru_layer, vocab_size)
train(model_gru, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

print(predict('time ', 10, model_gru, vocab, device))

训练中每个小批次（batch）的大小和每个序列的时间步数（time step）的值分别为32，25
加载的训练数据迭代器和词汇表
vocab_size 是词汇表的大小，num_hiddens 是GRU 隐藏层中的隐藏单元数量，num_epochs 是训练的迭代次数，lr 是学习率
选择可用的 GPU 设备进行训练，如果没有可用的 GPU，则会使用 CPU
训练模型
模型测试

b. 测试结果

在这里插入图片描述

4. 代码整合

# 导入必要的库
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
from d2l import torch as d2l
import math


class RNNModel(nn.Module):

    def __init__(self, rnn_layer, vocab_size, **kwargs):
        super(RNNModel, self).__init__(**kwargs)
        self.rnn = rnn_layer
        self.vocab_size = vocab_size
        self.num_hiddens = self.rnn.hidden_size
        self.num_directions = 1
        self.linear = nn.Linear(self.num_hiddens, self.vocab_size)

    def forward(self, inputs, state):
        X = F.one_hot(inputs.T.long(), self.vocab_size)
        X = X.to(torch.float32)
        Y, state = self.rnn(X, state)
        # 全连接层首先将Y的形状改为(时间步数*批量大小,隐藏单元数)
        # 它的输出形状是(时间步数*批量大小,词表大小)。
        output = self.linear(Y.reshape((-1, Y.shape[-1])))
        return output, state

    # 在第一个时间步，需要初始化一个隐藏状态，由此函数实现
    def begin_state(self, device, batch_size=1):
        if not isinstance(self.rnn, nn.LSTM):
            # nn.GRU以张量作为隐状态
            return torch.zeros((self.num_directions * self.rnn.num_layers,
                                batch_size, self.num_hiddens),
                               device=device)
        else:
            # nn.LSTM以元组作为隐状态
            return (torch.zeros((
                self.num_directions * self.rnn.num_layers,
                batch_size, self.num_hiddens), device=device),
                    torch.zeros((
                        self.num_directions * self.rnn.num_layers,
                        batch_size, self.num_hiddens), device=device))


def train(net, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device, use_random_iter=False):
    loss = nn.CrossEntropyLoss()
    animator = d2l.Animator(xlabel='epoch', ylabel='perplexity',
                            legend=['train'], xlim=[10, num_epochs])

    if isinstance(net, nn.Module):
        updater = torch.optim.SGD(net.parameters(), lr)
    else:
        updater = lambda batch_size: d2l.sgd(net.params, lr, batch_size)

    for epoch in range(num_epochs):
        ppl, speed = train_epoch(
            net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter)
        if (epoch + 1) % 10 == 0:
            animator.add(epoch + 1, [ppl])
    print('Train Done!')
    torch.save(net.state_dict(), 'chapter6.pth')
    print(f'困惑度 {ppl:.1f}, {speed:.1f} 词元/秒 {str(device)}')


def train_epoch(net, train_iter, loss, updater, device, use_random_iter):
    state, timer = None, d2l.Timer()
    metric = d2l.Accumulator(2)  # 训练损失之和,词元数量
    for X, Y in train_iter:
        if state is None or use_random_iter:
            # 在第一次迭代或使用随机抽样时初始化state
            state = net.begin_state(batch_size=X.shape[0], device=device)
        if isinstance(net, nn.Module) and not isinstance(state, tuple):
            # state对于nn.GRU是个张量
            state.detach_()
        else:
            # state对于nn.LSTM或对于我们从零开始实现的模型是个张量
            for s in state:
                s.detach_()
        y = Y.T.reshape(-1)
        X, y = X.to(device), y.to(device)
        y_hat, state = net(X, state)
        l = loss(y_hat, y.long()).mean()
        if isinstance(updater, torch.optim.Optimizer):
            updater.zero_grad()
            l.backward()
            grad_clipping(net, 1)
            updater.step()
        else:
            l.backward()
            grad_clipping(net, 1)
            # 因为已经调用了mean函数
            updater(batch_size=1)
        metric.add(l * d2l.size(y), d2l.size(y))
    return math.exp(metric[0] / metric[1]), metric[1] / timer.stop()


def predict(prefix, num_preds, net, vocab, device):
    state = net.begin_state(batch_size=1, device=device)
    outputs = [vocab[prefix[0]]]
    get_input = lambda: torch.reshape(torch.tensor(
        [outputs[-1]], device=device), (1, 1))
    for y in prefix[1:]:  # 预热期
        _, state = net(get_input(), state)
        outputs.append(vocab[y])
    for _ in range(num_preds):  # 预测num_preds步
        y, state = net(get_input(), state)
        outputs.append(int(y.argmax(dim=1).reshape(1)))
    return ''.join([vocab.idx_to_token[i] for i in outputs])


def grad_clipping(net, theta):
    if isinstance(net, nn.Module):
        params = [p for p in net.parameters() if p.requires_grad]
    else:
        params = net.params
    norm = torch.sqrt(sum(torch.sum((p.grad ** 2)) for p in params))
    if norm > theta:
        for param in params:
            param.grad[:] *= theta / norm


def try_gpu(i=0):
    # """如果存在，则返回gpu(i)，否则返回cpu()"""
    # # if torch.cuda.device_count() >= i + 1:
    # #     return torch.device(f'cuda:{i}')
    return torch.device('cpu')


batch_size, num_steps = 32, 35
train_iter, vocab = d2l.load_data_time_machine(batch_size, num_steps)
vocab_size, num_hiddens, num_epochs, lr = 28, 256, 200, 1
device = try_gpu()

gru_layer = nn.GRU(vocab_size, num_hiddens)
model_gru = RNNModel(gru_layer, vocab_size)
train(model_gru, train_iter, vocab, lr, num_epochs, device)

print(predict('time ', 10, model_gru, vocab, device))