GPT2从放弃到入门(三)

引言

上篇文章我们看到了如何从零训练一个聊天机器人，本文在此基础上介绍各种生成策略的原理和实现。最后通过Gradio构建一个聊天机器人应用。

体验地址提前放出： https://huggingface.co/spaces/greyfoss/gpt2-chatbot

效果如上图所示。

定义生成框架

def generate(
    model,
    tokenizer,
    prompt,
    max_length=255,
    temperature=1.0,
    top_k=50,
    top_p=1.0,
    repetition_penalty=1.0,
    no_repeat_ngram_size=0,
    device="cuda",
):
    """

    Args:
        model : the model.
        tokenizer : the tokenizer.
        prompt : the input or instruction given to the model.
        max_length : max generate length. Defaults to 255.
        temperature : the value used to modulate the next token probabilities. Defaults to 1.0.
        top_k : the number of highest probability vocabulary tokens to keep for top-k-filtering. Defaults to 50.
        top_p : if set to float < 1, only the smallest set of most probable tokens with probabilities that add up to
            `top_p` or higher are kept for generation. Defaults to 1.0.
        repetition_penalty : The parameter for repetition penalty. 1.0 means no penalty. Defaults to 1.0.
        no_repeat_ngram_size : If set to int > 0, all ngrams of that size can only occur once. Defaults to 0.
        device : the device. Defaults to "cuda".

    """
    # 返回一个int列表
    input_ids = tokenizer.encode(prompt, add_special_tokens=False)
    # add a dim as [batch_size, seq_len]
    input_ids = torch.tensor(input_ids).long().to(device).unsqueeze(0)

    generated = []
    for _ in range(max_length):
        outputs = model(input_ids=input_ids)
        logits = outputs.logits
        next_token_logits = logits[0, -1, :]
        next_token_id = torch.argmax(next_token_logits, dim=-1, keepdim=True)
        generated.append(next_token_id.item())
        if next_token_id.item() == tokenizer.eos_token_id:
            break
        input_ids = torch.cat((input_ids, next_token_id.unsqueeze(0)), dim=1)

    return generated

首先，定义了生成函数generate，它有一些参数，model和tokenizer分别是我们训练的模型和使用的分词器。prompt是给模型的输入，如果期望模型有多轮对话能力，则需要把多轮对话拼接起来给模型。max_length是模型一次最多生成的长度。

剩下的几个参数是本文的核心内容，暂且按下。

该函数的作用是按照一定的策略迭代地生成内容。这里分为几步，第一步编码用户的输入，当然这里的输入有一定的格式化要求。

第二步将输入转换成Tensor，并且增加批次维度，虽然我们的批大小一定为1。

第三步是迭代的生成内容：

• 传入输入
• 获取模型预测的标记分布；
• 通过取概率最大的标记作为生成的标记。
• 如果预测的是结束标记，则退出。
• 否则和输入拼接到一起，继续喂给模型预测下一个标记。

然后我们编码生成框架的内容：

if __name__ == "__main__":
    device = "cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"

    tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("greyfoss/gpt2-chatbot-chinese")
    model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("greyfoss/gpt2-chatbot-chinese")
    model = model.to(device)
    model.eval()

    history = []

    while True:
        try:
            user_input = input("User: ")

            history.append(user_input)

            prompt = format(history)
            output = generate(model, tokenizer, prompt, device=device)
            output_text = tokenizer.decode(
                output,
                skip_special_tokens=True,
                clean_up_tokenization_spaces=True,
            )

            history.append(output_text)

            print(f"\033[32mAssistant \033[31m{output_text}\033[0m")
        except KeyboardInterrupt:
            break

首先下载训练好的模型；然后获取用户的输入并转换成一定的格式；接着调用generate函数获取模型生成的内容，即AI助手的回复；调用tokenizer进行解码；最后输出助手的回复。

整个过程包裹在循环中。由于使用的是BERT的分词器，它没有处理空格，我们会发现生成的汉字之间还有空格。这里不处理这个问题。

其中调用了format函数对输入进行转换，并且会把用户和AI助手的输出保存到历史列表中。

def format(history):
    prompt = train_args.bos_token

    for idx, txt in enumerate(history):
        if idx % 2 == 0:
            prompt += f"{train_args.user_token}{txt}{train_args.eos_token}"
        else:
            prompt += f"{train_args.bot_token}{txt}{train_args.eos_token}"
    prompt += train_args.bot_token
    return prompt

format做的事情很简单，就是拼接成训练时模型看到的格式，最后通过<Assistant>告诉模型该它说话了：

<BOS><User>utter 1<EOS><Assistant>utter 2<EOS><User>utter 3<EOS><Assistant>

以上就是本文用到的生成框架，下面我们来看一下生成效果如何：

这里可以看到一些问题：

• 你好的回复多了一个博；
• 生成一篇小说，关于冒险主义的只理解了生成一篇小说；
• 再次生成的小说内容有很大的重复；

同时也有一些值得欣慰的地方：

• 模型生成的内容流畅度还可以；
• 它能理解再生成一个，说明具备多轮对话的能力；

下面我们修改它的生成策略，从贪心策略(每次选择概率最大的)到随机生成。

随机生成

改成随机生成只需要修改generate()中一行代码：

next_token_id = torch.multinomial(
    torch.softmax(next_token_logits, dim=-1), num_samples=1
)
# next_token_id = torch.argmax(next_token_logits, dim=-1, keepdim=True)

随机性是有了，但是生成的内容变得不通顺了。

因为现在相当于是从整个词表中随机采样一个标记，不管概率多低都是有可能被选中的，低概率的标记会影响生产文本的质量。因此，一种解决方法是只选择概率最高的那些标记。我们需要避免选择这些不太可能的标记，这就是top-k和top-p做的事情。我们先来看top-k。

Top-K

top-k很简单，仅采样概率最高的k个标记。

for _ in range(max_length):
    outputs = model(input_ids=input_ids)
    logits = outputs.logits
    next_token_logits = logits[0, -1, :]

    if top_k > 0:
        indices_to_remove = (
            next_token_logits
            < torch.topk(next_token_logits, top_k)[0][..., -1, None]
        )
        next_token_logits[indices_to_remove] = -float("Inf")

    next_token_id = torch.multinomial(
        torch.softmax(next_token_logits, dim=-1), num_samples=1
    )
    generated.append(next_token_id.item())
    if next_token_id.item() == tokenizer.eos_token_id:
        break
    input_ids = torch.cat((input_ids, next_token_id.unsqueeze(0)), dim=1)

return generated

实现起来也不难，首先判断一下top_k大于0才启用。

torch.topk(next_token_logits, top_k)返回next_token_logits中 top_k个最大的元素，实际返回的是一个数组，包含元素值和对应的索引。

x = torch.arange(1., 6.) # tensor([ 1.,  2.,  3.,  4.,  5.])
torch.topk(x, 3) # torch.return_types.topk(values=tensor([5., 4., 3.]), indices=tensor([4, 3, 2]))

默认会进行排序，torch.topk(next_token_logits, top_k)[0][..., -1, None]获取返回元组中的values，取最小的那个，最后的None是为了增加维度。

next_token_logits < torch.topk(next_token_logits, top_k)[0][..., -1, None]这段代码的意思是返回一个Tensor，其中的对应着一个bool列表，列表中每个元素表示对应位置的logits是否小于topk中最小的logits。

然后通过next_token_logits[indices_to_remove] = -float("Inf")将这些较小的logits设成负无穷大，这样在torch.softmax(next_token_logits, dim=-1)转换成概率的时候它们就会变成0，也就不会被选中。

上面是top_k=10的生成结果，可以看到流畅性好多了，但有时生成一些无意义的东西。比如 这 只 野 兽 正 在 追 逐 他 ， 为 了 追 逐 这 只 野 兽 而 追 赶 。

以及生成了一些重复的内容： 他 必 须 通 过 各 种 困 难 和 挑 战 ， 例 如 迷 宫 、 沼 泽 、 山 脉 和 沼 泽 。

其实只是词语级别上的重复还好，更糟糕的是句子级别上的重复。

我们可以增加重复惩罚来抑制重复内容的生成，避免重复的问题我们后面再说，现在我们来看另一种避免低概率标记的方式：top-p。

Top-P

top-p也是在限制可采样的标记数量，但要注意的是这里的p指的是累计概率，也称为核采样(nucleus sampling)，如下图：

首先将预测标记的概率分布进行降序排序，然后计算概率的累积值。上图通过以下代码生成：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

probs = np.array([0.6, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.015, 0.005, 0.004, 0.003, 0.002, 0.001])
cumulative_probs = np.cumsum(probs) # [0.6   0.8   0.9   0.95  0.97  0.985 0.99  0.994 0.997 0.999 1.   ]

plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.plot(np.arange(len(cumulative_probs)), cumulative_probs, color='r')
plt.axhline(y=0.9, color='orange', linestyle='--', label='nucleus threshold(p=0.9)')
plt.xlabel('Token Index')
plt.ylabel('Probability')
plt.title('Cumulative Probability')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()

为了便于理解，这里假设只有10个标记，概率排序后为：[0.6, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.015, 0.005, 0.004, 0.003, 0.002, 0.001]。

它的累积值就是：[0.6 0.8 0.9 0.95 0.97 0.985 0.99 0.994 0.997 0.999 1. ]。

上图p=0.9意思只从前三个标记中采样，显然这个值越小采样的标记数也越少。

实现top p要复杂一点：

input_ids = tokenizer.encode(prompt, add_special_tokens=False)
input_ids = torch.tensor(input_ids).long().to(device).unsqueeze(0)

generated = []
for _ in range(max_length):
    outputs = model(input_ids=input_ids)
    logits = outputs.logits
    next_token_logits = logits[0, -1, :]

    if top_k > 0:
        indices_to_remove = (
            next_token_logits
            < torch.topk(next_token_logits, top_k)[0][..., -1, None]
        )
        next_token_logits[indices_to_remove] = -float("Inf")

    if top_p > 0:
        # 根据logits值排序
        sorted_logits, sorted_indices = torch.sort(
            next_token_logits, descending=True
        )
        # 转换排序后的logits为概率并计算累积值
        cumulative_probs = torch.cumsum(
            torch.softmax(sorted_logits, dim=-1), dim=-1
        )
        # 要移除的是累积值超过top_p的
        sorted_indices_to_remove = cumulative_probs > top_p
        # 通过将索引向右移，可以确保第一个超过阈值的token不会被移除
        sorted_indices_to_remove[..., 1:] = sorted_indices_to_remove[
            ..., :-1
        ].clone()
        sorted_indices_to_remove[..., 0] = 0
        # 根据sorted_indices_to_remove找到要移除的token索引
        indices_to_remove = sorted_indices[sorted_indices_to_remove]
        next_token_logits[indices_to_remove] = -float("Inf")

    next_token_id = torch.multinomial(
        torch.softmax(next_token_logits, dim=-1), num_samples=1
    )
    generated.append(next_token_id.item())
    if next_token_id.item() == tokenizer.eos_token_id:
        break
    input_ids = torch.cat((input_ids, next_token_id.unsqueeze(0)), dim=1)

生成时的设定如下：

output = generate(
    model, tokenizer, prompt, top_p=0.9, top_k=0, device=device
)

可以看到这次生成的内容还不错。

可能上面的代码有一个问题，为什么要将索引右移？下面通过代码来解释：

import torch
top_p = 0.9
# 设计一个排好序的概率列表
probs = torch.Tensor([0.6, 0.2, 0.1, 0.06, 0.04])
cumulative_probs = torch.cumsum(probs, dim=0) # tensor([0.6000, 0.8000, 0.9000, 0.9600, 1.0000])
sorted_indices_to_remove = cumulative_probs > top_p # tensor([False, False,  True,  True,  True])

在这种情况下，令top_p=0.9会发现它会移除概率0.1对应的标记。实际上我们可能想把0.1也包进去，因为仅是0.6+0.2的话累计概率才0.8。

sorted_indices_to_remove[..., 1:] = sorted_indices_to_remove[..., :-1].clone()
sorted_indices_to_remove[..., 0] = 0 # False 
sorted_indices_to_remove

tensor([False, False, False,  True,  True])

然后将为True的设成负无穷：

probs[sorted_indices_to_remove] = -float("Inf") 
probs

# tensor([0.6000, 0.2000, 0.1000,   -inf,   -inf])

接下来看如何进行重复惩罚。

重复惩罚

重复惩罚通过减少最近生成过的标记的概率来达到惩罚的目的，鼓励模型生成新的和不同的内容而不是重复自己，有助于促进多样化的输出。

本文介绍三种重复惩罚的方式：

• 温度缩放：通过温度参数(temperature)来调整标记的概率分布。较高的温度会增加多样性，而较低的温度会导致更确定的输出。
• 基于标记的惩罚：通过参数repetition_penalty根据最近生成的输出中标记的出现频率对其进行惩罚，出现频率更高的标记会受到更高的惩罚从而减少它再次生成的概率。
• N-gram惩罚：参数no_repeat_ngram_size的值对应n-gram中的n，对出现频率较高的n-gram进行更严厉的惩罚。

我们依次来探讨。

温度缩放

使用基于温度缩放的随机采样方法来从训练好的语言模型生成文本，$w_i\in {\mathbb{R}}^d$是词表中的第$i$个标记，生成这个标记的概率为：
$$p_i=\frac{\exp (w_i/T)}{{\sum }_j\exp (x_j/T)}$$
这里的$T$就是温度值。较高的温度值（例如大于1.0）会增加生成文本的随机性和多样性。它使得模型更有可能选择概率较低的标记，从而产生更多样化和创造性的输出。然而，较高的温度值也会增加生成不合理或不连贯文本的可能性。

相反，较低的温度值（例如接近0.0）会减少随机性，使生成的文本更加确定和一致。模型更倾向于选择概率较高的标记，因此生成的文本通常会更加可靠和一致。

从这个公式也很好理解，当$T$超过$1$时，相当于除了一个惩罚，值越大的惩罚越多；反之，当$T$低于$1$时，相当于乘了一个增强，值越大的增强越多。

如上图所示，蓝色代表原来的概率；红色代表$T=2$；绿色代表$T=0.5$；可以比较它们的概率值之间温度参数变化之后的改变幅度。比如绿色极大地增强了原来Token index 8的值，实际上是从别的Token上匀了一些概率上去了，所以相比较之下别的Token概率取值还降低了。

在应用温度控制的随机抽样方法时，可以根据需要调整温度值，以在生成文本的随机性和可控性之间取得平衡。实现起来非常简单：

next_token_logits = logits[0, -1, :]
# temperature scaling
next_token_logits = next_token_logits / temperature

设置温度和其他参数如下：

output = generate(
    model,
    tokenizer,
    prompt,
    top_k=50,
    top_p=0.9,
    temperature=1.2,
    device=device,
)

可以看到，虽然温度缩放能增加多样性，但还不能防止重复生成。比如生成的5个英文名字中有两个是重复的。

下面我们来看一个更严格的，基于标记的惩罚。

基于标记的惩罚

基于标记的惩罚很简单，就是某个标记被生成过的话，下一次对它的概率进行惩罚：

if repetition_penalty != 1.0:
    for i in set(generated):
        next_token_logits[i] /= repetition_penalty

所以要惩罚的话，这个repetition_penalty需要大于1。

下面是在取值1.2情况下的例子：

output = generate(
    model,
    tokenizer,
    prompt,
    top_k=50,
    top_p=0.9,
    repetition_penalty=1.2,
    device=device,
)

模型回复的时候出了点问题，应该是不重复的英文名。不过这里模型能理解5和10的区别。

第一次回复中不包含重复的名字，第二次回复中存在一个noah。注意我们这里的实现仅考虑单轮AI生成的对话不重复，即没有考虑历史对话中的标记。由于是采样的方式，所以哪怕增加了一点惩罚还是生成重复的也不奇怪，除非将它的概率设成0。

我们尝试增大惩罚后(repetition_penalty=1.5)看看效果：

这次它的数字理解上出了点问题，但是单轮回复中不在包含重复的英文名，不错。

N-gram惩罚

本节介绍最严厉的惩罚方式，如果某个N-gram(即连续N个标记)出现在之前生成的内容中，那么这个N-gram的最后一个标记的概率会被降维打击到零。

我们先来看一下实现的效果，这是令N=2的结果。可以看到由于城市之前出现过，下文中模型用各种城x来替代城市。所以N-gram的设定一定要小心，不能设得太小。

下面来看是如何实现的(参考了Transformer源码)：

if no_repeat_ngram_size > 0:
 
    # 禁掉的标记 input_ids[0] 表示我们只考虑批大小为1的情况
    # input_ids.shape[-1]是当前上下文的长度
    banned_tokens = _calc_banned_ngram_tokens(
        no_repeat_ngram_size, input_ids[0], input_ids.shape[-1]
    )
    for banned_token in banned_tokens:
        # 将禁用标记的logits设为无穷大，经过Exp后变成概率为0
        next_token_logits[banned_token] = -float("Inf")

上面的代码 计算本次预测中是否存在和之前内容重复的n-gram，如果存在，则让n-gram中最后一个标记的概率设成0。其中调用了_calc_banned_ngram_tokens，实现如下：

def _calc_banned_ngram_tokens(ngram_size, prev_input_ids, cur_len):
    # 边界处理
    if cur_len + 1 < ngram_size:
        return []
    # 得到所有的n-gram
    generated_ngrams = _get_ngrams(ngram_size, prev_input_ids)
    # 得到所有要禁止生成的token
    banned_tokens = _get_generated_ngrams(
        generated_ngrams, prev_input_ids, ngram_size, cur_len
    )

    return banned_tokens

它调用了两函数，prev_input_ids是之前生成token id列表。

_get_ngrams的实现：

def _get_ngrams(ngram_size, prev_input_ids):
    # 保存之前生成过的n-gram
    generated_ngram = defaultdict(list)
    # 转换为python列表
    gen_tokens = prev_input_ids.tolist()  
    # 遍历所有的n-gram
    for ngram in zip(*[gen_tokens[i:] for i in range(ngram_size)]):
        # 以n-gram中前n-1个token id作为key
        prev_ngram_tuple = tuple(ngram[:-1])
		# 最后一个token作为value
        # 存入generated_ngram
        generated_ngram[prev_ngram_tuple] += [ngram[-1]]
    return generated_ngram

其中最复杂的是zip(*[gen_tokens[i:] for i in range(ngram_size)])。

这段代码通过使用 zip 函数将多个列表中的元素分组，创建了一个 n 元组列表。

gen_tokens 是之前生成过的token id列表。

for i in range(ngram_size) 循环创建一个范围，从 0 到 ngram_size - 1。

[gen_tokens[i:] for i in range(ngram_size)] 创建一个列表，列表中的元素是 gen_tokens 的子列表，每个子列表从 i 开始，其中 i 是范围中的当前值。

假设当前gen_tokens = [21130, 4495, 2768, 671, 5063, 1068, 754, 1088, 7372, 4638, 2207, 6432, 21129, 21131]。

那么[gen_tokens[i:] for i in range(ngram_size)]得到了列表为(假设n=3)：

[[21130, 4495, 2768, 671, 5063, 1068, 754, 1088, 7372, 4638, 2207, 6432, 21129, 21131], [4495, 2768, 671, 5063, 1068, 754, 1088, 7372, 4638, 2207, 6432, 21129, 21131], [2768, 671, 5063, 1068, 754, 1088, 7372, 4638, 2207, 6432, 21129, 21131]]

zip(*[gen_tokens[i:] for i in range(ngram_size)]) 使用 zip 函数将这些子列表中的元素分组，创建 n 元组列表。这里得到的会是：

[(21130, 4495, 2768), (4495, 2768, 671), (2768, 671, 5063), (671, 5063, 1068), (5063, 1068, 754), (1068, 754, 1088), (754, 1088, 7372), (1088, 7372, 4638), (7372, 4638, 2207), (4638, 2207, 6432), (2207, 6432, 21129), (6432, 21129, 21131)]

就是所有的n-gram组合。

最后的_get_generated_ngrams简单一些：

def _get_generated_ngrams(banned_ngrams, prev_input_ids, ngram_size, cur_len):
    # before decoding the next token, prevent decoding of ngrams that have already appeared
    start_idx = cur_len + 1 - ngram_size
    ngram_idx = tuple(prev_input_ids[start_idx:cur_len].tolist())
    return banned_ngrams[ngram_idx]

主要看是否最后一个生成的n-gram会和前面生成的重复。

下面来看如何快速实现一个带界面的聊天机器人。

Gradio

用的是gradio这个库，版本是4.21.0。最终实现出来的效果如下图所示：

由于篇幅的关系，不会详细介绍这个库的使用，只会给出一些注释：

# 创建一个集成了聊天功能的接口
gr.ChatInterface(
        response, # 处理多轮对话和回复用户的消息
        chatbot=bot, # 显示用户的输入和模型的回复
        additional_inputs=[ # 额外的参数
            top_k,
            top_p,
            temperature,
            repetition_penalty,
            no_repeat_ngram_size,
        ],
    )

我们重点来看response方法的实现：

def response(
    user_input,
    chat_history,
    top_k,
    top_p,
    temperature,
    repetition_penalty,
    no_repeat_ngram_size,
):
    # chat_history是list的list，每个子list是用户和AI回复元组
    # 所以先拉平成一个列表
    history = list(itertools.chain(*chat_history))
    history.append(user_input)
	# 就可以使用我们之前编写的格式化函数了
    prompt = format(history)
    print(prompt) # <User>如何养成良好的生活习惯？<EOS><Assistant>

    output = generate(
        model,
        tokenizer,
        prompt,
        temperature=temperature,
        top_k=top_k,
        top_p=top_p,
        repetition_penalty=repetition_penalty,
        no_repeat_ngram_size=no_repeat_ngram_size,
    )
	# 处理中文和英文之间空格的不同
    tokens = tokenizer.convert_ids_to_tokens(output)
    for i, token in enumerate(tokens[:-1]):
        if is_english_word(token) and is_english_word(tokens[i + 1]):
            tokens[i] = token + " "
    text = "".join(tokens).replace("##", "").strip()
	# 只需要返回模型的回复，
    return text

通过执行launch()方法会输出一个链接：

Running on local URL:  http://127.0.0.1:7860

To create a public link, set `share=True` in `launch()`.
<User>如何养成良好的生活习惯？<EOS><Assistant>
<User>如何养成良好的生活习惯？<EOS><BOS>了解，每个人都有不同的生活习惯。但是一般来说，规律的作息时间、适量的运动和饮食健康等都是重要因素。您可以根据自己的情况选择合适的方法进行生活习惯养成。<EOS><EOS><User>能具体一点吗？<EOS><Assistant>

⚠️ 上面的代码有Bug，从输出格式化后的内容可以看出来，这个Bug读者朋友们知道如何解决吗？

打开这个链接就可以看到上面的界面。

核心代码只有这么点，剩下的诸如聊天历史的维护、响应函数的调用、前端的渲染都是Gradio帮我们完成的。

参考

1. https://gist.github.com/thomwolf/1a5a29f6962089e871b94cbd09daf317
2. https://www.gradio.app/guides/creating-a-chatbot-fast