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AI大模型探索之路-训练篇10：大语言模型Transformer库-Tokenizer组件实践

系列篇章💥

AI大模型探索之路-训练篇1：大语言模型微调基础认知
AI大模型探索之路-训练篇2：大语言模型预训练基础认知
AI大模型探索之路-训练篇3：大语言模型全景解读
AI大模型探索之路-训练篇4：大语言模型训练数据集概览
AI大模型探索之路-训练篇5：大语言模型预训练数据准备-词元化
AI大模型探索之路-训练篇6：大语言模型预训练数据准备-预处理
AI大模型探索之路-训练篇7：大语言模型Transformer库之HuggingFace介绍
AI大模型探索之路-训练篇8：大语言模型Transformer库-预训练流程编码体验
AI大模型探索之路-训练篇9：大语言模型Transformer库-Pipeline组件实践

前言

在自然语言处理（NLP）的世界里，文本数据的处理和理解是至关重要的一环。为了使得计算机能够理解和处理人类的自然语言，我们需要将原始的、对人类可读的文本转化为机器可以理解的格式。这就是Tokenizer，或者我们常说的分词器，发挥作用的地方。

一、Tokenizer概览

官网API地址：https://huggingface.co/docs/transformers/main_classes/tokenizer
Tokenizer是自然语言处理中的一个核心组件，它的主要功能是将原始文本转换为机器学习模型能够处理的格式。这一过程看似简单，实则包含了许多复杂且精细的步骤。在深度学习中的Transformer架构及其衍生模型中，Tokenizer的工作流程通常包括两个关键步骤：
1）首先，是文本分解。这一步的目的是将原始的、连续的文本分割成更细的粒度单元，这些单元可以是单词级别，也可以是子词级别，甚至是字符级别。这一步骤的目标是将文本分解为可以被模型理解并处理的基本单元。
2）其次，是编码映射。这一步的目标是将这些基本单元转换为模型可以理解的数值形式，最常见的形式是整数序列。这样，我们就可以将这些数值输入到模型中，让模型进行学习和预测。
在接下来的内容中，我们将详细探讨Tokenizer的工作原理，以及如何在实际的自然语言处理任务中使用Tokenizer。

二、Tokenizer的工作原理

Tokenizer的工作原理涉及：
1）文本分解：将文本分解为更小的单元。
2）词汇表：使用词汇表将文本单元映射到数值ID。
3）特殊标记：添加如[CLS]、[SEP]等特殊标记，以适应模型的特定需求。
在序列标注任务中，特殊标记帮助模型识别序列的开始和结束。

# 展示特殊标记的添加
sequence = "Here is an example sequence."
encoded_sequence = tokenizer(sequence, add_special_tokens=True)
print(encoded_sequence)

三、Tokenizer的使用方法

Tokenizer的使用流程一般遵循以下步骤：
1）导入Tokenizer库：从NLP库（例如Hugging Face的transformers）导入Tokenizer类。
2）加载预训练Tokenizer：通过指定模型名称加载预训练的Tokenizer实例。
3）文本转换：将文本数据输入Tokenizer进行编码转换。
4）获取编码输出：Tokenizer输出编码后的数据，通常包括：
-输入ID：转换后的整数序列，用于模型输入。
-注意力掩码（Attention Mask）：标识哪些输入ID是有效内容，哪些是填充（padding）。
-类别ID（Token Type IDs）：在某些任务中区分句子对的两个不同句子。
代码示例：

下面是一个使用Tokenizer的代码示例：

from transformers import AutoTokenizer

# 加载预训练的Tokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("bert-base-uncased")

# 待处理的文本
text = "Transformers are the core of modern NLP tasks."

# 使用Tokenizer进行编码
encoded_input = tokenizer(text, return_tensors='pt')

# 访问编码结果
input_ids = encoded_input['input_ids']
attention_mask = encoded_input['attention_mask']

Tokenizer的基本使用

from transformers import AutoTokenizer
sen = "吃葡萄不吐葡萄皮!"

1、加载与保存

1）加载模型

# 从HuggingFace加载，输入模型名称，即可加载对于的分词器
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese")
tokenizer

输出结果：

BertTokenizerFast(name_or_path='uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese', vocab_size=21128, model_max_length=1000000000000000019884624838656, is_fast=True, 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),
}

2）保存模型

# tokenizer 保存到本地
tokenizer.save_pretrained("./roberta_tokenizer")
('./roberta_tokenizer/tokenizer_config.json',
 './roberta_tokenizer/special_tokens_map.json',
 './roberta_tokenizer/vocab.txt',
 './roberta_tokenizer/added_tokens.json',
 './roberta_tokenizer/tokenizer.json')

会自动在同层级目录roberta_tokenizer中存放下载下来的模型
3）从本地加载模型

# 从本地加载tokenizer
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("./roberta_tokenizer/")
tokenizer

输出结果：

BertTokenizerFast(name_or_path='./roberta_tokenizer/', vocab_size=21128, model_max_length=1000000000000000019884624838656, is_fast=True, 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),
}

2、句子分词

tokens = tokenizer.tokenize(sen)
tokens

输出：

['吃', '葡', '萄', '不', '吐', '葡', '萄', '皮', '!']

3、查看词典

tokenizer.vocab

输出如下
AI大模型探索之路-训练篇10：大语言模型Transformer库-Tokenizer组件实践-LMLPHP

查看词典大小

tokenizer.vocab_size

21128

4、索引转换

1）将词序列转换为id序列

ids = tokenizer.convert_tokens_to_ids(tokens)
ids

输出：

[1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106]

2）将id序列转换为token序列

tokens = tokenizer.convert_ids_to_tokens(ids)
tokens

输出：

['吃', '葡', '萄', '不', '吐', '葡', '萄', '皮', '!']

3）将token序列转换为string

str_sen = tokenizer.convert_tokens_to_string(tokens)
str_sen

输出：

'吃 葡 萄 不 吐 葡 萄 皮!'

4）更便捷的实现方式
将字符串转换为id序列，又称之为编码

ids = tokenizer.encode(sen, add_special_tokens=True)
ids

输出：

[101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102]

将id序列转换为字符串，又称之为解码

str_sen = tokenizer.decode(ids, skip_special_tokens=False)
str_sen

输出：

'[CLS] 吃 葡 萄 不 吐 葡 萄 皮! [SEP]'

5、填充与截断

1）填充

ids = tokenizer.encode(sen, padding="max_length", max_length=15)
ids

输出：

[101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102, 0, 0, 0, 0]

2）截断

ids = tokenizer.encode(sen, max_length=5, truncation=True)
ids

输出：

[101, 1391, 5868, 5843, 102]

6、其他输入部分

ids = tokenizer.encode(sen, padding="max_length", max_length=15)
ids

输出：

[101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102, 0, 0, 0, 0]

查看其他部分内容

attention_mask = [1 if idx != 0 else 0 for idx in ids]
token_type_ids = [0] * len(ids)
ids, attention_mask, token_type_ids

输出：

([101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102, 0, 0, 0, 0],
 [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0],
 [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0])

7、快速调用方式

1）简化调用
简化调用：这是Tokenizer对象的直接调用，它通常是一个简化的方法，提供了基本的编码功能。
参数限制：此方法的参数选项可能较少，只包括一些常用的参数，如padding和max_length。
适用场景：适用于大多数标准情况，当需要执行常规的编码任务时，可以使用此方法。

inputs = tokenizer.encode_plus(sen, padding="max_length", max_length=15)
inputs

输出：

{'input_ids': [101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102, 0, 0, 0, 0], 'token_type_ids': [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 'attention_mask': [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0]}

2）增强调用
增强功能：encode_plus方法提供了更多的功能和更细粒度的控制，包括对分词、编码、填充、截断等过程的额外配置。
返回值：encode_plus方法通常返回一个字典，包含了一系列的输出，如输入ID、注意力掩码、标记类型ID等，这些输出可以直接用于模型的输入。
参数丰富：此方法允许用户指定更多的参数，如return_tensors（指定返回张量类型）、return_token_type_ids（返回标记类型ID）、return_attention_mask（返回注意力掩码）等。
适用场景：当你需要更细致地控制文本编码过程，或者需要额外的信息（如注意力掩码或标记类型ID）时，使用encode_plus方法。

inputs = tokenizer(sen, padding="max_length", max_length=15)
inputs

输出：

{'input_ids': [101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 106, 102, 0, 0, 0, 0], 'token_type_ids': [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], 'attention_mask': [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0]}

8、处理batch数据

sens = ["吃葡萄不吐葡萄皮",
        "不吃葡萄到吐葡萄皮",
        "顺势而为"]
res = tokenizer(sens)
res

输出：

{'input_ids': [[101, 1391, 5868, 5843, 679, 1402, 5868, 5843, 4649, 102], [101, 679, 1391, 5868, 5843, 1168, 1402, 5868, 5843, 4649, 102], [101, 7556, 1232, 5445, 711, 102]], 'token_type_ids': [[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0], [0, 0, 0, 0, 0, 0]], 'attention_mask': [[1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1, 1, 1]]}

批处理可以很大层度提升我们的处理性能

%%time
# 单条循环处理
for i in range(1000):
    tokenizer(sen)

CPU times: user 45.3 ms, sys: 0 ns, total: 45.3 ms
Wall time: 44.6 ms

%%time
# 处理batch数据
res = tokenizer([sen] * 1000)

CPU times: user 27.7 ms, sys: 15.6 ms, total: 43.2 ms
Wall time: 7.68 ms

四、Fast/Slow Tokenizer

在Hugging Face的transformers库中，Tokenizer分为两种类型：Fast Tokenizer和Slow Tokenizer。
1)Slow Tokenizer：通常是用Python编写的，速度较慢，但在所有环境中都能保证一致性和可移植性。
2)Fast Tokenizer：使用Rust编写，并通过PyTorch的C++扩展或Python的C扩展提供，速度非常快，尤其是在处理大量数据时。Fast Tokenizers提供了与Slow Tokenizers相同的功能，但速度更快。

在transformers库中，AutoTokenizer类会自动选择Fast Tokenizer（如果可用），以提供最佳性能。如果需要显式选择Tokenizer类型，可以使用模型的特定Tokenizer类，如BertTokenizer或RobertaTokenizer。
fast_tokenizer 使用查看

sen = "吃葡萄不吐葡萄皮!"
fast_tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese")
fast_tokenizer

输出结果：

BertTokenizerFast(name_or_path='uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese', vocab_size=21128, model_max_length=1000000000000000019884624838656, is_fast=True, 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),
}

slow_tokenizer 使用查看

slow_tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained("uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese", use_fast=False)
slow_tokenizer

BertTokenizer(name_or_path='uer/roberta-base-finetuned-dianping-chinese', vocab_size=21128, model_max_length=1000000000000000019884624838656, 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),
}

fast_tokenizer 批量执行耗时

%%time
# 处理batch数据
res = fast_tokenizer([sen] * 10000)

CPU times: user 323 ms, sys: 146 ms, total: 468 ms
Wall time: 172 ms

slow_tokenizer 批量执行耗时

%%time
# 处理batch数据
res = slow_tokenizer([sen] * 10000)

CPU times: user 1.1 s, sys: 15.8 ms, total: 1.12 s
Wall time: 1.12 s

五、自定义Tokenizer

用户可以根据特定需求定制Tokenizer：
1）自定义词汇表：创建特定领域的词汇表。
2）自定义规则：添加自定义分词规则以适应特定场景。

代码样例：

from transformers import BertTokenizerFast

class CustomBertTokenizer(BertTokenizerFast):
    def __init__(self, vocab_file, **kwargs):
        super().__init__(vocab_file=vocab_file, **kwargs)
        # 自定义逻辑...

# 假设已有自定义词汇表
custom_tokenizer = CustomBertTokenizer(vocab_file="path_to_vocab.txt")
encoded_custom = custom_tokenizer("Customizing Tokenizer is flexible.", return_tensors="pt")
print(encoded_custom)

六、Tokenizer与模型训练

Tokenizer在模型训练中的作用包括：
1）数据预处理：将训练数据转换为模型可处理的格式。
2）与模型整合：确保Tokenizer与模型的输入层完全兼容。

代码样例：

# 导入必要的类：从transformers库中导入BertForSequenceClassification（用于序列分类的BERT模型），Trainer（训练器类），和TrainingArguments（训练参数类）
from transformers import BertForSequenceClassification, Trainer, TrainingArguments

#初始化模型：使用BertForSequenceClassification类创建一个序列分类模型实例。这个模型是基于BERT的，并且是预训练好的，我们通过from_pretrained方法加载它。num_labels参数指定了分类任务的标签数量。
model = BertForSequenceClassification.from_pretrained("bert-base-uncased", num_labels=2)

# 准备数据集
# ...
#定义训练参数：TrainingArguments类用于定义训练过程中的各种参数，如输出目录output_dir，训练轮数num_train_epochs，每个设备的训练批次大小per_device_train_batch_size，预热步数warmup_steps，权重衰减weight_decay，以及日志目录logging_dir。
training_args = TrainingArguments(
    output_dir="./results",
    num_train_epochs=3,
    per_device_train_batch_size=16,
    warmup_steps=500,
    weight_decay=0.01,
    logging_dir="./logs",
)
# 初始化Trainer：Trainer类负责执行模型的实际训练。我们传入模型实例、训练参数和Tokenizer。train_dataset是一个包含训练数据的PyTorch数据集对象，这里省略了其定义和准备过程。
trainer = Trainer(
    model=model,
    args=training_args,
    train_dataset=train_dataset,
    tokenizer=tokenizer
)
#执行训练：调用trainer.train()方法开始训练
trainer.train()

总结

Tokenizer是Transformer模型不可或缺的一部分，它直接影响模型输入的质量和模型的性能。正确选择和使用Tokenizer对于实现高效的NLP任务至关重要。通过上述实践，我们可以看到Tokenizer不仅需要适应特定的模型架构，还要满足特定任务的需求，并考虑到性能优化和可定制性。

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