HuggingFace-利用BERT预训练模型实现中文情感分类（下游任务）

准备数据集

使用编码工具

首先需要加载编码工具，编码工具可以将抽象的文字转成数字，便于神经网络后续的处理，其代码如下：

# 定义数据集
from transformers import BertTokenizer, BertModel, AdamW
# 加载tokenizer
token = BertTokenizer.from_pretrained('bert-base-chinese')
print('token', token)

out:
token BertTokenizer(name_or_path=‘bert-base-chinese’, vocab_size=21128, model_max_length=512, is_fast=False, padding_side=‘right’, truncation_side=‘right’, special_tokens={‘unk_token’: ‘[UNK]’, ‘sep_token’: ‘[SEP]’, ‘pad_token’: ‘[PAD]’, ‘cls_token’: ‘[CLS]’, ‘mask_token’: ‘[MASK]’}, clean_up_tokenization_spaces=True), added_tokens_decoder={
0: AddedToken(“[PAD]”, rstrip=False, lstrip=False, single_word=False, normalized=False, special=True),
100: AddedToken(“[UNK]”, rstrip=False, lstrip=False, single_word=False, normalized=False, special=True),
101: AddedToken(“[CLS]”, rstrip=False, lstrip=False, single_word=False, normalized=False, special=True),
102: AddedToken(“[SEP]”, rstrip=False, lstrip=False, single_word=False, normalized=False, special=True),
103: AddedToken(“[MASK]”, rstrip=False, lstrip=False, single_word=False, normalized=False, special=True),
}

由上可知bert-base-chinese模型的字典中共有21128个词，编码器编码句子的最大长度为512个词，并且能够看到bert-base-chinese模型所使用的一些特殊符号，例如SEK,PAD等。

这里使用的编码工具是bert-base-chinese，编码工具和预训练模型往往是成对使用的，后续将使用同名的预训练语言模型作为backbone。

编码工具的试算

加载完成编码工具之后可以进行一次试算，观察编码工具的输入和输出，代码如下：

data = token.batch_encode_plus(batch_text_or_text_pairs=['关注博主，不迷路。','俺要带你上高速。'], truncation=True,
                                   padding='max_length',
                                   max_length=12,
                                   return_tensors='pt',
                                   return_length=True)
# 查看编码输出
for k,v in out.items():
	print(k,v.shape)
# 把编码还原成句子
print(token.decode(out['input_ids'][0]))

out:
input_ids torch.Size([2, 17])
token_type_ids torch.Size([2, 17])
length torch.Size([2])
attention_mask torch.Size([2, 17])
[CLS] 关注博主，不迷路。 [SEP] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD]
[CLS] 俺要带你上高速。 [SEP] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD] [PAD]

编码工具的参数说明

对于编码工具的使用，特别是参数值的含义可以参考下面的两段代码：

"""使用简单的编码"""
# 编码两个句子
out = tokenizer.encode(
    # 句子1
    text = sents[0],
    text_pair = sents[1],

    # 当句子长度大于max_length时进行截断
    truncation=True,

    # 一律补充pad到max_length长度
    padding = 'max_length',
    add_special_tokens = True,
    # 许多大模型的阶段也是使用512作为最终的max_length
    max_length=30,
    return_tensors=None,
)

"""增强的编码函数"""
# 增强的编码函数
out = tokenizer.encode_plus(
    text = sents[0],
    text_pair = sents[1],

    #当句子长度大于max_length时进行截断操作
    truncation = True,

    #一律补零到max_length长度
    padding='max_length',
    max_length=30,
    add_special_tokens=True,

    #可以取值tf,pt,np,默认返回list--->tensorflow,pytorch,numpy
    return_tensors=None,

    #返回token_type_ids
    return_token_type_ids=True,

    #返回attention_mask
    return_attention_mask=True,

    #返回special_tokens_mask 特殊符号标识
    return_special_tokens_mask=True,

    #返回offset_mapping标识每个词的起始和结束位置---》这个参数只能BertTokenizerFast使用
    #return_offsets_mapping=True,

    #返回length 标识长度
    return_length=True
)

从上面的代码中的参数max_length=500可以看出经过编码后的句子的长度一定是12个词的长度。如果源句子超出则会进行截断，如果源句子不足则会进行填充PAD，其运行结果如下：

{'input_ids': tensor([[ 101, 1068, 3800, 1300,  712, 8024,  679, 6837, 6662,  511,  102,    0],
        [ 101,  939, 6206, 2372,  872,  677, 7770, 6862,  511,  102,    0,    0]]), 'token_type_ids': tensor([[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],
        [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]]), 'length': tensor([11, 10]), 'attention_mask': tensor([[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0],
        [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0]])}
input_ids torch.Size([2, 12])
token_type_ids torch.Size([2, 12])
length torch.Size([2])
attention_mask torch.Size([2, 12])
[CLS] 关 注 博 主 ， 不 迷 路 。 [SEP] [PAD]
[CLS] 俺 要 带 你 上 高 速 。 [SEP] [PAD] [PAD]

在这里插入图片描述
编码工具首先是对一条完整的句子进行了tokenizer，把句子分成了一个个token。同时，对于不同的编码工具，分词的结果也不一定一致。这里采用的bert-base-chinese编码工具中，它是以字为词，即把每个字当做一个词进行处理。
这些编码的结果对于预训练模型的计算十分重要，在后面将会使用编码器将所有的句子进行编码，用于输入到预训练模型中进行计算。

定义数据集

这里使用的数据集为ChnSentiCorp数据集，Dataset类如下：

# import torch
from datasets import load_dataset
class Dataset(torch.utils.data.Dataset):
    def __init__(self, split):
        self.dataset = load_dataset(path='lansinuote/ChnSentiCorp', split=split)
    def __len__(self):
        return len(self.dataset)
    def __getitem__(self, i):
        text = self.dataset[i]['text']
        label = self.dataset[i]['label']
        return text, label
dataset = Dataset('train')
print(len(dataset))
print(dataset[0])

在上述代码中加载了ChnSentiCorp数据集，并使用Pytorch中的Dataset对象进行封装，利用__getitem__()得到每一条数据，每条数据中包含text和labels两个字段，最后初始化训练数据集并查看训练数据集的长度和第一条数据样例。

out: 9600
('选择珠江花园的原因就是方便，有电动扶梯直接到达海边，周围餐馆、食廊、商场、超市、摊位一应俱全。酒店装修一般，但还算整洁。 泳池在大堂的屋顶，因此很小，不过女儿倒是喜欢。 包的早餐是西式的，还算丰富。 服务吗，一般', 1)

由上面的输出可知训练数据集包括9600条数据，每条数据包含一条评论文本和一个标识，表明这一条评论是好评还是差评。注意：这里的数据集是单纯的原始文本数据，并没有进行编码。

定义计算设备

这里将使用CUDA作为计算设备，这样可以极大加速模型的训练和测试的过程，代码如下：

device = 'cpu'
if torch.cuda.is_available():
  device = 'CUDA'
print('选用的计算设备：',device)

在该段代码中默认使用CPU进行计算，如果存在CUDA的话则选用CUDA作为计算设备。

定义数据整理函数

正如上面所述的那样，ChnSentiCorp数据集中的每一条数据是抽象的文本数据，并没有进行任何的编码操作，而预训练模型是需要编码之后的数据才能进行计算，所以需要一个将文本句子转成编码的过程。
另外，在训练模型时数据集往往很大，如果一条一条地处理则效率会太低，在现实中我们往往一批一批地处理数据，这样可以快速地处理数据集，同时从梯度下降的角度来讲，批数据的梯度方差相较于一条条数据的梯度小，可以让模型更加稳定地更新参数。

# 定义批处理函数
def collate_fn(data):
    sents = [i[0] for i in data]
    labels = [i[1] for i in data]
    # 编码
    data = token.batch_encode_plus(batch_text_or_text_pairs=sents, truncation=True,
                                   padding='max_length',
                                   max_length=500,
                                   return_tensors='pt',
                                   return_length=True)
    # input_ids:编码之后的数字
    # attention_masks:补0的位置都是0，其他位置都是1
    input_ids = data['input_ids']
    attention_mask = data['attention_mask']
    token_type_ids = data['token_type_ids']
    labels = torch.LongTensor(labels)
    # print(data['length'],data['length'].max())
    return input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels

在这段代码中，参数data表示一批数据，取出其中的句子和标识，它们都是list类型，在上述代码中会将两者分别赋给sents和labels，然后是使用编码器编码该批句子，在参数中将编码后的结果指定为固定的500个词的大小，与上面的例子同理超出500个词的部分会被截断（这里是通过truncation=True控制），同时少于500个词的句子会被[PAD]填充（这里主要是通过 padding='max_length'控制）。另外，在编码过程中通过 return_tensors='pt'参数，将编码后的结果返回torch中的tensor类型，免去了后面转换数据格式的麻烦（也就是说后面可以通过数据格式转换可以将‘tf’转成‘pt’格式）。
之后取出编码后的结果，并将labels也转成Pytorch中的Tensor格式，再把它们移动到之前已经定义好的计算设备device上，最后把这些数据全部返回，到这里数据整理函数的工作已经全部完成。

数据处理函数的例子

上述定义了数据处理函数，为了实验其效果也可使用下面的例子：（本用例已加狗头保命~）在这里插入图片描述

data = [
    ('选择新大的原因当然不是为了延毕。',1),
    ('笔记本的内存确实小。',0),
    ('宿舍没有风扇。其他都很好。',1),
    ('今天才知道这本书还有第10000卷,真是太屌了。',1),
    ('机器的背面似乎被撕了张什么标签，残胶还在。',0),
    ('为什么有人在校园里尖叫，是疯了还是giao。',0)
]

# 狗头保命版试算
input_ids,attention_mask,token_type_ids,labels = collate_fn(data)
print('input_ids.shape',input_ids.shape)
print('attention_mask.shape',attention_mask.shape)
print('token_type_ids.shape',token_type_ids.shape)
print('labels:',labels)

在该段代码中首先是模拟了一批数据，这批数据中包含4个句子，通过将该批数据输入到整理函数以后，运行结果如下：

input_ids.shape torch.Size([6, 500])
attention_mask.shape torch.Size([6, 500])
token_type_ids.shape torch.Size([6, 500])
labels: tensor([1, 0, 1, 1, 0, 0])

可见编码之后的结果都是确定的500个词的长度，并且每个结果都会被移动到可用的计算设备上，这样可以方便后续的计算。

定义数据加载器

上述代码中定义了数据集和数据整理函数以后，下面我们将定义一个数据加载器DataLoader，它可以使用数据整理函数来完成成批地处理数据集中的数据，通俗来讲每一批的数据我们可以称为batch。

# 定义数据加载器并查看数据样例
loader = torch.utils.data.DataLoader(dataset=dataset, batch_size=16,
                                     collate_fn=collate_fn,
                                     shuffle=True,
                                     drop_last=True)

对于上述代码，我们使用了Pytorch提供的工具类定义数据集加载器，其参数说明可参考下图：
在这里插入图片描述

数据加载器的例子

为了更好地使用数据加载器，这里我们查看一批数据样例，将这批数据输入到数据加载器中，可以发现其结果会与数据整理函数的运行结果相似，只不过是句子的数量增多了。

上述代码依次打印了加载器中批次数目、加载器中输入数据的input_ids和掩蔽注意力的形状
attention_mask_shape、词元的ids类型形状token_type_ids_shape以及标签labels

for i, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(loader):
    break
print(len(loader))
print('input_ids', input_ids)
print('attention_mask_shape', attention_mask.shape)
print('token_type_ids_shape', token_type_ids.shape)
print('labels', labels)

input_ids 就是编码后的词
token_type_ids 第一个句子和特殊符号的位置是0，第二个句子的位置是1
attention_mask pad的位置是0，其他位置都是1
special_tokens_mask 特殊符号的位置是1，其他位置都是0

定义模型

因为我们是要利用Huggingface的预训练语言模型，所以需要做两件事情：加载预训练模型PLM以及定义下游任务模型。

加载预训练模型

这里使用的BERT预训练模型，模型名称为bert-base-chinese，这里的名称和编码器的名称是一致的，因为往往模型和其编码工具配套使用。另外，BERT模型不是必须的模型，进行中文情感分类也可以使用其他支持中文的模型，例如BART等。

from transformers import BertModel
# 加载预训练模型
pretrained = BertModel.from_pretrained('bert-base-chinese')
# 统计参数量
sum(i.numel() for i in pretrained.parameters()) / 10000

out:10226.7648

由上可知bert-base-chinese模型的参数量超过1亿个，这个模型的体量还是比较大的。由于它的体量比较大，所以如果要训练它，对计算资源的要求较高，而对于本次的二分类任务则可以选择不训练它，只是作为一个特征提取器。这样就可以避免训练这个笨重的模型，不需要计算它的梯度，进而不更新它的参数，所以需要冻结它的参数：

# 当不进行训练时不需要计算梯度
for param in pretrained.parameters():
    param.requires_grad_(False)

定义好PLM后，需要进行一次试算，观察模型的输入和输出结果：

# 设定计算设备
pretrained.to(device)
# 模型试算
out = pretrained(input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, token_type_ids=token_type_ids)
print(out.last_hidden_state.shape)

这里可能会报错：

RuntimeError: Expected all tensors to be on the same device, but found at least two devices, cuda:0 and cpu! (when checking argument for argument index in method wrapper_CUDA__index_select)

这是因为之前我们忘了将input_ids等参数放到cuda上，所以需要改一下代码：

for i, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(loader):
    break
input_ids = input_ids.to(device)
attention_mask = attention_mask.to(device)
token_type_ids = token_type_ids.to(device)
labels = labels.to(device)
print(len(loader))
print('input_ids', input_ids)
print('attention_mask_shape', attention_mask.shape)
print('token_type_ids_shape', token_type_ids.shape)
print('labels', labels)
print(input_ids.is_cuda)

这里如果有显卡的话会输出True，然后上面的程序报错也会消除，同时输出：

torch.Size([16, 500, 768])

上述代码中将我们的16个样例数据（在定义数据加载器部分）输入到预训练模型中，得到的计算结果和我们预想的是一致的。首先从第一个维度16可以看出是和我们的样例输入的句子数量有关的，随后的500是指每句话中包含了500个单词，因为max_length=500(在数据整理函数中定义)，这就把之前所有的内容都串起来了。最后的768表示将每一个词抽成一个768维的向量。到此为止，我们已经通过预训练模型成功地把16句话转换成为了一个特征向量矩阵，这样就可以接入下面的下游任务模型做分类或者回归任务。

定义下游任务模型

下游任务模型的任务是对backbone抽取的特征进行进一步的计算，得到符合业务需求的计算结果，这里做的是一个二分类的结果，因为我们数据集中的labels只有两种。

# 定义下游任务模型
class Model(torch.nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Model, self).__init__()
        self.fc = torch.nn.Linear(768, 2).to(device)

    def forward(self, input_ids, attention_mask, token_type_ids):
        with torch.no_grad():
            out = pretrained(input_ids=input_ids,
                             attention_mask=attention_mask,
                             token_type_ids=token_type_ids)
        out = self.fc(out.last_hidden_state[:, 0])
        out = out.softmax(dim=1)
        return out


model = Model()
# 设置计算设备
model.to(device)

在这段代码中，定义了一个下游任务模型，该模型包括一个全连接的LinearModel，权重矩阵是768x2，所以它能够将一个768维度的向量转换成一个二维空间中。
上述的下游任务模型的计算流程为：

在这里插入图片描述
这里之所以丢弃后面466个词的特征，是因为BERT模型所致，具体的内容可以参考BERT模型的论文：BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding

下游任务模型试算

在最后我们使用刚才使用的batch=16的数据进行试算：

# 试算
print(model(input_ids=input_ids,
            attention_mask=attention_mask,
            token_type_ids=token_type_ids).shape)

其输出结果为：

torch.Size([16, 2])

由此可见这就是我们一开始所要求的16句话进行二分类的结果。

训练和测试

模型训练

模型定义完成之后，我们就可以对该模型进行训练了~代码如下：

from transformers import AdamW
from transformers.optimization import get_scheduler
def train():
  # 定义优化器
  optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=5e-4)
  # 定义损失函数
  criterion = torch.nn.CrossEntropyLoss()
  # 定义学习率调节器
  scheduler = get_scheduler(name='linear',
                num_warmup_steps=0,
                num_training_steps=len(loader),
                optimizer=optimizer)
  # 将模型切换到训练模式
  model.train()
  # 按批次进行遍历训练数据集中的数据
  for i, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(loader):
    input_ids = input_ids.to(device)
    attention_mask = attention_mask.to(device)
    token_type_ids = token_type_ids.to(device)
    labels = labels.to(device)
    # 模型计算
    out = model(input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, token_type_ids=token_type_ids).to(device)
    # 计算损失并使用梯度下降法优化模型参数
    loss = criterion(out, labels)
    loss.backward()
    optimizer.step()
    scheduler.step()
    optimizer.zero_grad()
    # 输出各项数据的情况，便于观察
    if i % 10 == 0:
        out = out.argmax(dim=1)
        accuracy = (out == labels).sum().item() / len(labels)
        lr = optimizer.state_dict()['param_groups'][0]['lr']
        print(i, loss.item(),lr, accuracy)
train()

在上述的代码中首先定义了优化器、损失函数、学习率调节器。其中优化器使用了HuggingFace提供的AdamW优化器，这是传统的Adam优化器的改进版本，在自然语言处理任务中，该优化器往往取得了比Adam优化器更加好的成绩，并且计算效率高。学习率调节器使用了HuggingFace提供的线性学习率调节器，它能够在训练过程中让学习率缓慢下降，而不是始终使用一致的学习率，因为在训练的后期阶段往往需要更小的学习率来微调参数，有利于损失函数下降到最低点。这里的损失函数采用了分类任务中常用的CrossEntropyLoss交叉熵损失函数。
然后将下游任务模型切换到训练模式即可开始训练。最后每当优化10次模型参数时，就计算一次当前模型预测结果的正确率，并输出模型的损失函数、学习率，最终训练完毕的结果如下所示：
在这里插入图片描述
由上图可见在训练到大约200个steps时，模型已经能够达到85%左右的正确率，损失函数也如同预期一样随着训练过程不断下降，学习率亦如此。

模型测试

对于已经训练好的模型进行测试，以便验证训练的有效性，其测试代码如下：

def test():
  # 定义测试数据加载器
  loader_test = torch.utils.data.DataLoader(dataset = Dataset('test'),
                        batch_size = 32,
                        collate_fn = collate_fn,
                        shuffle = True,
                        drop_last = True)
  # 将下游任务模型切换到运行模式
  model.eval()
  correct = 0
  total = 0
  for i, (input_ids, attention_mask, token_type_ids, labels) in enumerate(loader_test):
      # 计算5个批次即可，不需要全部遍历
      input_ids = input_ids.to(device)
      attention_mask = attention_mask.to(device)
      token_type_ids = token_type_ids.to(device)  
      labels = labels.to(device)    
      if i == 5:
        break
      print(i)
      # 计算
      with torch.no_grad():
        out = model(input_ids=input_ids,attention_mask=attention_mask,token_type_ids=token_type_ids).to(device)
      # 统计正确率
      out = out.argmax(dim=1)
      correct += (out==labels).sum().item()
      total += len(labels)
  print(correct/total)

test()

在上述的代码中首先定义了测试数据集及其加载器，同时取出5个批次的数据让模型进行预测，最后将统计的正确率输出，运行结果为：

最终模型取得了88.125%的正确率，这个正确率虽然不是很高，但是验证了下游任务模型即使在不训练basebone的情况下也可以达到一定的成绩。

省流版-全部代码

在这里插入图片描述

总结

本文通过一个情感分类的例子说明了使用BERT预训练模型抽取文本特征数据的方法，使用BERT作为backbone，相对于传统的RNN而言其计算量会稍稍大一些，但是BERT抽取的文本特征将更加完整，更容易被下游任务模型识别总结出数据之间的规律。所以在不对BERT预训练模型进行训练，而是简单应用于下游任务时也可以表现一个比较好的结果。
在这里插入图片描述