【古诗生成AI实战】之四——模型包装器与模型的训练

  在上一篇博客中，我们已经利用任务加载器task成功地从数据集文件中加载了文本数据，并通过预处理器processor构建了词典和编码器。在这一过程中，我们还完成了词向量的提取。

  接下来的步骤涉及到定义模型、加载数据，并开始训练过程。

  为了确保项目代码能够快速切换到不同的模型，并且能够有效地支持transformers库中的预训练模型，我们不仅仅是定义模型那么简单。为此，我们采取了进一步的措施：在模型外面再套上一个额外的层，我称之为模型包装器NNModelWrapper。此外，为了提高配置的灵活性和可维护性，我们将所有的配置项（如批量大小、数据集地址、训练周期数、学习率等）抽取出来，统一放置在一个名为WrapperConfig的配置容器中。通过这种方式，我们就可以避免直接在代码中修改配置参数，而是通过更改配置文件来实现，从而使得整个项目更加模块化和易于管理。

  本章内容属于模型训练阶段，将分别介绍包装器配置WrapperConfig、模型包装器NNModelWrapper和模型Model。

在这里插入图片描述

[1] 包装器配置WrapperConfig

  我们把配置全部放在yaml文件里，然后读取里面的配置，赋值给WrapperConfig类。定义如下：

class WrapperConfig(object):
    """A configuration for a :class:`NNModelWrapper`."""

    def __init__(
            self,
            tokenizer,
            max_seq_len: int,
            vocab_num: int,
            word2vec_path: str,
            batch_size: int = 1,
            epoch_num: int = 1,
            learning_rate: float = 0.001
    ):
        self.tokenizer = tokenizer
        self.max_seq_len = max_seq_len
        self.batch_size = batch_size
        self.epoch_num = epoch_num
        self.learning_rate = learning_rate
        self.word2vec_path = word2vec_path
        self.vocab_num = vocab_num

   WrapperConfig 类用于配置神经网络模型包装器（NNModelWrapper）。类的构造函数接受多个参数来初始化配置：

  tokenizer: 分词器对象，用于文本处理或文本转换为模型可理解的格式。其实就是预处理器processor提供的tokenizer。

  max_seq_len (int): 模型可以处理的最大序列长度。

  vocab_num (int): 词汇表的大小。

  word2vec_path (str):预训练的词向量模型的文件路径。即上文提取的词向量。

  batch_size (int): 每个批次处理的数据样本数量。

  epoch_num (int): 训练轮次。

  learning_rate (float): 学习率。

[2] 模型包装器NNModelWrapper

  模型包装器NNModelWrapper接受2个参数，一个是包装器配置WrapperConfig，另外一个是自定义模型Model。代码如下：

class NNModelWrapper:
    """A wrapper around a Transformer-based language model."""

    def __init__(self, config: WrapperConfig, model):
        """Create a new wrapper from the given config."""
        self.config = config
        self.model = model(self.config)

    def generate_dataset(self, data, labeled=True):
        """Generate a dataset from the given examples."""
        features = self._convert_examples_to_features(data)

        feature_dict = {
            'input_ids': torch.tensor([f.input_ids for f in features], dtype=torch.long),
            'labels': torch.tensor([f.labels for f in features], dtype=torch.long),
        }

        if not labeled:
            del feature_dict['labels']

        return DictDataset(**feature_dict)

    def _convert_examples_to_features(self, examples) -> List[InputFeatures]:
        """Convert a set of examples into a list of input features."""
        features = []
        for (ex_index, example) in tqdm(enumerate(examples)):
            if ex_index % 5000 == 0:
                logging.info("Writing example {}".format(ex_index))
            input_features = self.get_input_features(example)
            features.append(input_features)
        # logging.info(f"最终数据构造形式：{features[0]}")
        return features

    def get_input_features(self, example) -> InputFeatures:
        """Convert the given example into a set of input features"""
        text = example.text
        input_ids = self.config.tokenizer(text)
        labels = np.copy(input_ids)
        labels[:-1] = input_ids[1:]

        assert len(input_ids) == self.config.max_seq_len

        return InputFeatures(input_ids=input_ids, attention_mask=None, token_type_ids=None, labels=labels)

   NNModelWrapper 类是围绕一个神经网络语言模型的封装器，提供了模型的初始化和数据处理的方法。

  · 类初始化 (init):
  config: 接收一个 WrapperConfig 类的实例，包含模型的配置信息。
  model: 接收一个模型构造函数，该函数使用配置信息来初始化模型。

  · 生成数据集 (generate_dataset):从给定的数据样本中生成一个数据集。首先把数据样本转换为特征（通过 _convert_examples_to_features 方法），然后根据这些特征创建一个 DictDataset 对象。如果数据未标记（labeled=False），则从特征字典中删除 labels 键。

  · 转换样本为特征 (_convert_examples_to_features):这是个私有方法，把数据样本转换为模型可以理解的输入特征。对于每个样本，使用 get_input_features 方法来生成输入特征。使用 tqdm 显示处理进度，并利用 logging 记录处理信息。

  · 获取输入特征 (get_input_features):此方法将单个数据样本转换为输入特征。首先获取文本内容，然后使用配置中的分词器（tokenizer）将文本转换为 input_ids。标签（labels）是 input_ids 的一个变体，其中每个元素都向右移动一个位置。用断言确保 input_ids 的长度与配置中的 max_seq_len 相等。

[3] 模型Model

  模型包装器NNModelWrapper里面的第二个参数Model才是我们真正的模型。

  在古诗生成AI任务中，RNN是比较适配任务的模型，我们定义的RNN模型如下：

class Model(nn.Module):

    def __init__(self, config):
        super(Model, self).__init__()

        V = config.vocab_num  # vocab_num
        E = 300  # embed_dim
        H = 256  # hidden_size

        embedding_pretrained = torch.tensor(np.load(config.word2vec_path)["embeddings"].astype('float32'))
        self.embedding = nn.Embedding.from_pretrained(embedding_pretrained, freeze=False)
        self.lstm = nn.LSTM(E, H, 1, bidirectional=False, batch_first=True, dropout=0.1)
        self.fc = nn.Linear(H, V)
        self.loss = nn.CrossEntropyLoss()

    def forward(self, input_ids, labels=None):
        embed = self.embedding(input_ids)  # [batch_size, seq_len, embed_dim]
        out, _ = self.lstm(embed)  # [batch_size, seq_len, hidden_size]
        logit = self.fc(out)  # [batch_size, seq_len, vocab_num]

        if labels is not None:
            loss = self.loss(logit.view(-1, logit.shape[-1]), labels.view(-1))
            return loss, logit
        else:
            return logit[None, :]

  在我们的模型中，特别值得一提的是嵌入层（embedding layer）。在初始化这一层时，我们使用的是之前提取出的词向量。这种做法有助于模型更好地理解和处理文本数据。

  此次我们定义的模型是一个基于RNN的结构，它包括三个主要部分：embedding层、lstm层和fc（全连接）层。

  在模型的前向传播（forward）过程中，输入input_ids的形状为[batch_size, seq_len]，即每个批次有多少文本，每个文本的序列长度是多少。输入数据首先通过嵌入层处理，输出的embed的形状为[batch_size, seq_len, embed_dim]，即每个单词都被转换成了对应的嵌入向量。接着，数据通过一个单层的lstm网络，得到输出out，最后经过全连接层fc，得到最终的概率分布logit。

  这个概率分布logit的含义是：对于每个批次中的文本，每个文本在序列的每个位置上，都有vocab_num个可能的词可以填入，而logit中存储的正是这些词的概率。为了生成文本，我们提取每个位置上概率最高的词的索引，然后根据这些索引在词典中查找对应的词。这就是我们通过模型运行文本生成得到的结果。

[4] 训练

  所有的工作都准备好了，下面我们正式开始模型的训练。

  对于神经网络的训练、验证、测试、优化等等操作，我采用了transformers的Trainer极大的简化了项目操作。

  第一步，加载yaml配置文件，读取所有配置项：

    with open('config.yaml', 'r', encoding='utf-8') as f:
        conf = yaml.load(f.read(),Loader=yaml.FullLoader)
        conf_train = conf['train']
        conf_sys = conf['sys']

  第二步，初始化任务加载器，加载数据集：

	Task = TASKS[conf_train['task_name']]()

    data = Task.get_train_examples(conf_train['dataset_url'])
    index = int(len(data) * conf_train['rate'])
    train_data, dev_data = data[:index], data[index:]

  第三步，初始化数据预处理器，并向外提供tokenizer：

	Processor = PROCESSORS[conf_train['task_name']](data, conf_train['max_seq_len'], conf_train['vocab_path'])
    tokenizer = lambda text: Processor.tokenizer(text)

  第四步，初始化模型包装配置：

	wrapper_config = WrapperConfig(
        tokenizer=tokenizer,
        max_seq_len=conf_train['max_seq_len'],
        batch_size=conf_train['batch_size'],
        epoch_num=conf_train['epoch_num'],
        learning_rate=conf_train['learning_rate'],
        word2vec_path=conf_train['word2vec_path'],
        vocab_num=len(Processor.vocab)
    )

  第五步，加载模型，初始化模型包装器：

	x = import_module(f'main.model.{conf_train["model_name"]}')
    wrapper = NNModelWrapper(wrapper_config, x.Model)

    print(f'模型有 {sum(p.numel() for p in wrapper.model.parameters() if p.requires_grad):,} 个训练参数')

  第六步，使用模型包装器生成数据集向量：

train_dataset = wrapper.generate_dataset(train_data)
    val_dataset = wrapper.generate_dataset(dev_data)

  第七步，创建训练器：

# 构建trainer
def create_trainer(wrapper, train_dataset, val_dataset):
    # 模型
    model = wrapper.model

    args = TrainingArguments(
        './checkpoints',  # 模型保存的输出目录
        save_strategy=IntervalStrategy.STEPS,  # 模型保存策略
        save_steps=50,  # 每n步保存一次模型  1步表示一个batch训练结束
        evaluation_strategy=IntervalStrategy.STEPS,
        eval_steps=50,
        overwrite_output_dir=True,  # 设置overwrite_output_dir参数为True，表示覆盖输出目录中已有的模型文件
        logging_dir='./logs',  # 可视化数据文件存储地址
        log_level="warning",
        logging_steps=50,  # 每n步保存一次评价指标  1步表示一个batch训练结束 | 还控制着控制台的打印频率 每n步打印一下评价指标 | n过大时，只会保存最后一次的评价指标
        disable_tqdm=True,  # 是否不显示数据训练进度条
        learning_rate=wrapper.config.learning_rate,
        per_device_train_batch_size=wrapper.config.batch_size,
        per_device_eval_batch_size=wrapper.config.batch_size,
        num_train_epochs=wrapper.config.epoch_num,
        dataloader_num_workers=2,  # 数据加载的子进程数
        weight_decay=0.01,
        save_total_limit=2,
        load_best_model_at_end=True
    )

    # 早停设置
    early_stopping = EarlyStoppingCallback(
        early_stopping_patience=3,  # 如果8次验证集性能没有提升，则停止训练
        early_stopping_threshold=0,  # 验证集的性能提高不到0时也停止训练
    )

    trainer = Trainer(
        model,
        args,
        train_dataset=train_dataset,
        eval_dataset=val_dataset,
        callbacks=[early_stopping],  # 添加EarlyStoppingCallback回调函数
    )
    return trainer
    
trainer = create_trainer(wrapper, train_dataset, val_dataset)

  第八步，开始训练并设置保存模型：

	trainer.train()
    trainer.save_model(conf_train['model_save_dir'] + conf_train['task_name'] + '/' + conf_train['model_name'])

  训练的整体代码如下：

# 构建trainer
def create_trainer(wrapper, train_dataset, val_dataset):
    # 模型
    model = wrapper.model

    args = TrainingArguments(
        './checkpoints',  # 模型保存的输出目录
        save_strategy=IntervalStrategy.STEPS,  # 模型保存策略
        save_steps=50,  # 每n步保存一次模型  1步表示一个batch训练结束
        evaluation_strategy=IntervalStrategy.STEPS,
        eval_steps=50,
        overwrite_output_dir=True,  # 设置overwrite_output_dir参数为True，表示覆盖输出目录中已有的模型文件
        logging_dir='./logs',  # 可视化数据文件存储地址
        log_level="warning",
        logging_steps=50,  # 每n步保存一次评价指标  1步表示一个batch训练结束 | 还控制着控制台的打印频率 每n步打印一下评价指标 | n过大时，只会保存最后一次的评价指标
        disable_tqdm=True,  # 是否不显示数据训练进度条
        learning_rate=wrapper.config.learning_rate,
        per_device_train_batch_size=wrapper.config.batch_size,
        per_device_eval_batch_size=wrapper.config.batch_size,
        num_train_epochs=wrapper.config.epoch_num,
        dataloader_num_workers=2,  # 数据加载的子进程数
        weight_decay=0.01,
        save_total_limit=2,
        load_best_model_at_end=True
    )

    # 早停设置
    early_stopping = EarlyStoppingCallback(
        early_stopping_patience=3,  # 如果8次验证集性能没有提升，则停止训练
        early_stopping_threshold=0,  # 验证集的性能提高不到0时也停止训练
    )

    trainer = Trainer(
        model,
        args,
        train_dataset=train_dataset,
        eval_dataset=val_dataset,
        callbacks=[early_stopping],  # 添加EarlyStoppingCallback回调函数
    )
    return trainer



def main():
    # ##
    # @通用配置
    # ##
    with open('config.yaml', 'r', encoding='utf-8') as f:
        conf = yaml.load(f.read(),Loader=yaml.FullLoader)
        conf_train = conf['train']
        conf_sys = conf['sys']

    # 系统设置初始化
    System(conf_sys).init_system()

    # 初始化任务加载器
    Task = TASKS[conf_train['task_name']]()

    data = Task.get_train_examples(conf_train['dataset_url'])
    index = int(len(data) * conf_train['rate'])
    train_data, dev_data = data[:index], data[index:]

    # 初始化数据预处理器
    Processor = PROCESSORS[conf_train['task_name']](data, conf_train['max_seq_len'], conf_train['vocab_path'])
    tokenizer = lambda text: Processor.tokenizer(text)

    # 初始化模型包装配置
    wrapper_config = WrapperConfig(
        tokenizer=tokenizer,
        max_seq_len=conf_train['max_seq_len'],
        batch_size=conf_train['batch_size'],
        epoch_num=conf_train['epoch_num'],
        learning_rate=conf_train['learning_rate'],
        word2vec_path=conf_train['word2vec_path'],
        vocab_num=len(Processor.vocab)
    )

    x = import_module(f'main.model.{conf_train["model_name"]}')
    wrapper = NNModelWrapper(wrapper_config, x.Model)

    print(f'模型有 {sum(p.numel() for p in wrapper.model.parameters() if p.requires_grad):,} 个训练参数')

    # 生成数据集
    train_dataset = wrapper.generate_dataset(train_data)
    val_dataset = wrapper.generate_dataset(dev_data)

    # 训练与保存
    trainer = create_trainer(wrapper, train_dataset, val_dataset)
    trainer.train()
    trainer.save_model(conf_train['model_save_dir'] + conf_train['task_name'] + '/' + conf_train['model_name'])

if __name__ == '__main__':
    main()

  运行之后，看到下面输出代表项目成功运行：

在这里插入图片描述

[5] 进行下一篇实战

  【古诗生成AI实战】之五——加载模型进行古诗生成

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