理解 logits_to_keep = logits_to_keep + 1 在 _get_per_token

理解 `logits_to_keep = logits_to_keep + 1` 在 `_get_per_token_logps` 中的作用

source: anaconda3/envs/xxx/lib/python3.10/site-packages/trl/trainer/grpo_trainer.py

 def _get_per_token_logps(self, model, input_ids, attention_mask, logits_to_keep):
        # We add 1 to `logits_to_keep` because the last logits of the sequence is later excluded
        logits = model(
            input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, logits_to_keep=logits_to_keep + 1
        ).logits  # (B, L, V)
        logits = logits[:, :-1, :]  # (B, L-1, V), exclude the last logit: it corresponds to the next token pred

        input_ids = input_ids[:, -logits_to_keep:]
        # For transformers<=4.48, logits_to_keep argument isn't supported, so here we drop logits ourselves.
        # See https://github.com/huggingface/trl/issues/2770
        logits = logits[:, -logits_to_keep:]

        # Compute the log probabilities for the input tokens.
        token_logits = logits.gather(dim=-1, index=input_ids.unsqueeze(-1)).squeeze(-1)
        # use a loop to reduce memory peak
        logsumexp_values = torch.stack([torch.logsumexp(lg, dim=-1) for lg in logits])
        token_log_probs = token_logits - logsumexp_values  # log_softmax = logits - log(sum(exp(logits)))
        return token_log_probs

在 _get_per_token_logps 这个函数中，logits_to_keep 控制了要保留的 logits 数量，用于计算每个 token 的对数概率。
但这里有一个关键点：

logits_to_keep = logits_to_keep + 1

为什么需要加 1？
因为在 Transformer 语言模型（如 GPT）中，模型的 logits 预测的是下一个 token，所以如果我们只保留 logits_to_keep 个 logits，数量是不够的。
为了确保对齐，我们先多取一个 logits，然后再手动丢弃最后一个 logits，这样 logits 和 input_ids 就能正确对齐。

1. 为什么需要 `logits_to_keep + 1`？

1.1 自回归模型的 `logits` 预测的是下一个 token

在 Transformer 语言模型中，模型的 logits 形状通常是：

logits.shape = (B, L, V)

其中：

B：batch_size
L：序列长度
V：词表大小（vocab size）

模型在生成 logits 时，每个 logits[i] 实际上是用于预测下一个 token，而不是当前 token：

logits[:, 0, :]  ->  用于预测 input_ids[:, 1]
logits[:, 1, :]  ->  用于预测 input_ids[:, 2]
...
logits[:, L-1, :]  ->  用于预测 input_ids[:, L]（即下一个 token）

但 input_ids 只包含当前 token，并不包含 “下一个 token” 的真实值，因此我们需要手动去掉最后一个 logits，让它和 input_ids 对齐。

2. 代码执行步骤

2.1 假设 `input_ids.shape = (1, 5)`

假设 logits_to_keep = 3，那么：

logits_to_keep + 1 = 4，即多取一个 logits。
模型返回的 logits.shape = (1, 6, V)，因为 logits_to_keep+1=4，再加上可能的 padding，会得到 6 个 logits。

2.2 关键代码

步骤 1：调用模型

logits = model(
    input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, logits_to_keep=logits_to_keep + 1
).logits

此时 logits.shape = (B, L, Vocab)，其中 L = logits_to_keep + 1。

步骤 2：删除最后一个 `logits`

logits = logits[:, :-1, :]

这样 logits 的形状就变成 (B, L-1, V)，让它正确对应 input_ids[:, -logits_to_keep:]。

步骤 3：对齐 `input_ids`

input_ids = input_ids[:, -logits_to_keep:]

这里 input_ids[:, -logits_to_keep:] 取的是最后 logits_to_keep 个 token，确保 logits 和 input_ids 一一对应。

3. 示例代码

3.1 假设 `input_ids = [5, 8, 2, 3, 9]`，`logits_to_keep = 3`

① `logits_to_keep + 1` 让模型生成 `4` 个 `logits`

logits.shape = (1, 5, V)  # 5 个 token，分别预测下一个 token

Token	真实 `input_ids`	`logits` 预测
1	5	用于预测 8
2	8	用于预测 2
3	2	用于预测 3
4	3	用于预测 9
5	9	(无用，预测下一个 token)

② 手动删除最后一个 `logits`

logits = logits[:, :-1, :]  # 丢弃最后一个预测

最终 logits 形状：

logits.shape = (1, 4, V)  # 只保留前 4 个 logits

这样 logits 和 input_ids[:, -logits_to_keep:] 对齐：

logits  对应 input_ids = [8, 2, 3]

4. 如果不加 `+1` 会发生什么？

如果 logits_to_keep 不加 1，那么：

logits 数量比 input_ids 少 1 个，导致维度对不上。
计算 log_probs 时 logits.gather(dim=-1, index=input_ids.unsqueeze(-1)) 会报错，或者索引到错误的 logits。

5. 结论

步骤	目的
`logits_to_keep + 1`	获取一个额外的 `logits`，避免数据对不齐
`logits[:, :-1, :]`	删除最后一个 `logits`，确保与 `input_ids` 对齐
`input_ids[:, -logits_to_keep:]`	选取最后 `logits_to_keep` 个 token 计算 log_probs

核心逻辑

✅ 因为 logits 预测的是下一个 token，所以要多取 1 个，然后手动删除最后一个。
✅ 这样 logits 和 input_ids 维度对齐，确保计算正确的 log_probs。

🚀 理解这个逻辑对于实现 Transformer 语言模型的 loss 计算至关重要！ 🚀

如果 `logits_to_keep` 不加 `+1` 会发生什么？

假设：

input_ids = [5, 8, 2, 3, 9]
logits_to_keep = 3
logits.shape = (B, L, V), 其中 L=5，表示 5 个 token，每个 token 的 logits 是一个 Vocab 大小的概率分布。

1. 正确做法（`logits_to_keep + 1`）

如果 logits_to_keep + 1：

logits_to_keep = 3 + 1 = 4
让模型输出 4 个 logits，即：
```
logits.shape = (1, 4, V)
```

然后 删除最后一个 logits（logits[:, :-1, :]），得到：

logits.shape = (1, 3, V)  # 3 个 logits，对应 input_ids 的最后 3 个 token

此时 logits 和 input_ids[:, -3:] = [8, 2, 3] 维度匹配，可以正确计算 log_probs。

2. 错误示例（如果不加 `+1`）

如果不加 +1，直接 logits_to_keep = 3，那么：

模型只会返回 3 个 logits：

logits.shape = (1, 3, V)  # 只保留 3 个 logits

然后 logits[:, :-1, :] 会让 logits 变成：

logits.shape = (1, 2, V)  # 只有 2 个 logits

但 input_ids[:, -logits_to_keep:] 仍然是：

input_ids[:, -3:] = [8, 2, 3]  # 3 个 token

这样，gather 操作：
```
token_logits = logits.gather(dim=-1, index=input_ids.unsqueeze(-1)).squeeze(-1)
```
将会报错，因为 logits.shape = (1, 2, V)，但 input_ids.shape = (1, 3)，维度不匹配！

错误示例代码

import torch

# 模拟 logits (batch_size=1, sequence_length=2, vocab_size=5)
logits = torch.tensor([
    [[2.0, 1.0, 0.5, -1.0, 0.2],  # logit for token 8
     [0.1, -0.5, 2.2, 1.5, 0.0]]  # logit for token 2
])  # shape = (1, 2, 5)

# input_ids 仍然有 3 个 token
input_ids = torch.tensor([[8, 2, 3]])  # shape = (1, 3)

# 错误的 gather 操作
token_logits = logits.gather(dim=-1, index=input_ids.unsqueeze(-1)).squeeze(-1)

错误信息：

RuntimeError: Expected index with dimension 3, but got dimension 4 for input tensor.

这个错误表明 logits 只有 2 个 token，而 input_ids 仍然有 3 个 token，导致 gather 操作失败！

3. 错误情况总结

情况	logits.shape (B, L, V)	input_ids.shape (B, L)	是否匹配？
正确：`logits_to_keep + 1` 后删掉最后一个 logits	`(1, 3, V)`	`(1, 3)`	✅ 匹配
错误：不加 `+1`	`(1, 2, V)`	`(1, 3)`	❌ 不匹配，报错

🔴 结论：
如果不加 +1，最终 logits 会比 input_ids 少 1 个 token，导致 gather 操作失败，无法正确计算 log_probs。

4. 关键结论

logits_to_keep + 1 确保 logits 先比 input_ids 多一个，然后删掉最后一个 logits，使两者对齐。
不加 +1，最终 logits 比 input_ids 少 1 个，导致 gather 维度错误，代码会报错。
在自回归模型中，logits 预测的是下一个 token，所以要手动调整，以确保 logits 和 input_ids 一一对应。

🚀 正确理解 logits_to_keep + 1 是构建 Transformer 语言模型损失计算的关键！ 🚀

如果不加 `+1`，可以不执行 `logits = logits[:, :-1, :]` 吗？

不可以！如果不加 +1，并且 不执行 logits[:, :-1, :] 这个操作，最终 logits 和 input_ids 的对齐仍然会出问题，导致错误的 token 对数概率计算。

1. 代码逻辑分析

1.1 `logits_to_keep + 1` 的作用

logits = model(
    input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, logits_to_keep=logits_to_keep + 1
).logits  # (B, L, V)

logits_to_keep + 1 让模型输出比 logits_to_keep 多 1 个 logits。
这样，logits.shape = (B, L+1, V)（多 1 个 token 预测的 logits）。

1.2 `logits[:, :-1, :]` 的作用

logits = logits[:, :-1, :]  # (B, L-1, V)

这一步 删除最后一个 logits，确保 logits 只用于计算 input_ids 对应 token 的概率。
如果不执行这一步，则 logits.shape = (B, L, V)，这就会导致 logits 比 input_ids 多 1 个 token，维度不匹配。

1.3 `input_ids[:, -logits_to_keep:]` 作用

input_ids = input_ids[:, -logits_to_keep:]

这一步 只保留 logits_to_keep 个 token 的 input_ids，确保 input_ids 和 logits 维度匹配。

2. 如果不加 `+1`，但仍然执行 `logits[:, :-1, :]`，会发生什么？

如果 logits_to_keep 没有 +1，但仍然执行：

logits = logits[:, :-1, :]

logits 数量会比 input_ids 少 1 个。
logits.shape = (B, logits_to_keep - 1, V)。
input_ids.shape = (B, logits_to_keep)。

这会导致：

token_logits = logits.gather(dim=-1, index=input_ids.unsqueeze(-1)).squeeze(-1)

报错，因为 logits.shape[1] 和 input_ids.shape[1] 不匹配！

3. 如果不加 `+1`，并且不执行 `logits[:, :-1, :]`，会发生什么？

假设 logits_to_keep = 3，并且不加 +1，那么：

logits = model(input_ids=input_ids, attention_mask=attention_mask, logits_to_keep=logits_to_keep).logits

logits.shape = (B, logits_to_keep, V)。
input_ids[:, -logits_to_keep:] 仍然是 (B, logits_to_keep)。
logits 和 input_ids 维度看似匹配，但实际上错位了！

错位的原因：

logits[:, i, :] 对应的是 input_ids[:, i+1]（预测的是下一个 token），而不是 input_ids[:, i]！
这会导致 gather 取到错误的 logits，计算的 log_probs 也是错的。

示例

假设：

input_ids = [[5, 8, 2, 3, 9]]  # 长度 5
logits_to_keep = 3

如果 不加 +1，且不 logits[:, :-1, :]：

logits[:, 0, :]  # 实际预测 input_ids[:, 1] (8)
logits[:, 1, :]  # 实际预测 input_ids[:, 2] (2)
logits[:, 2, :]  # 实际预测 input_ids[:, 3] (3)  ❌ 但被错误匹配到 input_ids[:, 2]

最终 gather 取到的是错位的 logits！

4. 结论

情况	`logits.shape`	`input_ids.shape`	结果
正确：加 `+1` 并执行 `logits[:, :-1, :]`	`(B, logits_to_keep, V)`	`(B, logits_to_keep)`	✅ 匹配正确
错误：不加 `+1`，但仍然执行 `logits[:, :-1, :]`	`(B, logits_to_keep - 1, V)`	`(B, logits_to_keep)`	❌ 维度不匹配，gather 报错
错误：不加 `+1`，且不执行 `logits[:, :-1, :]`	`(B, logits_to_keep, V)`	`(B, logits_to_keep)`	❌ 错位，计算错误的 log_probs

核心总结

logits_to_keep + 1 让 logits 先多 1 个，再删掉最后 1 个，以正确对齐 input_ids。
如果不 +1，但仍然 logits[:, :-1, :]，最终 logits 比 input_ids 少 1 个，导致 gather 失败。
如果不 +1，且不 logits[:, :-1, :]，最终 logits 和 input_ids 看似匹配，但会错位，计算错误的 log_probs。