import tensorflow as tf
# 1.参数设置。
# 假设输入数据已经转换成了单词编号的格式。
SRC_TRAIN_DATA = "F:\\TensorFlowGoogle\\201806-github\\TensorFlowGoogleCode\\Chapter09\\train.en" # 源语言输入文件。
TRG_TRAIN_DATA = "F:\\TensorFlowGoogle\\201806-github\\TensorFlowGoogleCode\\Chapter09\\train.zh" # 目标语言输入文件。
CHECKPOINT_PATH = "F:\\temp\\attention_ckpt" # checkpoint保存路径。
HIDDEN_SIZE = 1024 # LSTM的隐藏层规模。
DECODER_LAYERS = 2 # 解码器中LSTM结构的层数。这个例子中编码器固定使用单层的双向LSTM。
SRC_VOCAB_SIZE = 10000 # 源语言词汇表大小。
TRG_VOCAB_SIZE = 4000 # 目标语言词汇表大小。
BATCH_SIZE = 100 # 训练数据batch的大小。
NUM_EPOCH = 5 # 使用训练数据的轮数。
KEEP_PROB = 0.8 # 节点不被dropout的概率。
MAX_GRAD_NORM = 5 # 用于控制梯度膨胀的梯度大小上限。
SHARE_EMB_AND_SOFTMAX = True # 在Softmax层和词向量层之间共享参数。
MAX_LEN = 50 # 限定句子的最大单词数量。
SOS_ID = 1 # 目标语言词汇表中<sos>的ID。
# 2.读取训练数据并创建Dataset。
# 使用Dataset从一个文件中读取一个语言的数据。
# 数据的格式为每行一句话，单词已经转化为单词编号。
def MakeDataset(file_path):
dataset = tf.data.TextLineDataset(file_path)
# 根据空格将单词编号切分开并放入一个一维向量。
dataset = dataset.map(lambda string: tf.string_split([string]).values)
# 将字符串形式的单词编号转化为整数。
dataset = dataset.map(lambda string: tf.string_to_number(string, tf.int32))
# 统计每个句子的单词数量，并与句子内容一起放入Dataset中。
dataset = dataset.map(lambda x: (x, tf.size(x)))
return dataset
# 从源语言文件src_path和目标语言文件trg_path中分别读取数据，并进行填充和
# batching操作。
def MakeSrcTrgDataset(src_path, trg_path, batch_size):
# 首先分别读取源语言数据和目标语言数据。
src_data = MakeDataset(src_path)
trg_data = MakeDataset(trg_path)
# 通过zip操作将两个Dataset合并为一个Dataset。现在每个Dataset中每一项数据ds
# 由4个张量组成：
# ds[0][0]是源句子
# ds[0][1]是源句子长度
# ds[1][0]是目标句子
# ds[1][1]是目标句子长度
dataset = tf.data.Dataset.zip((src_data, trg_data))
# 删除内容为空（只包含<EOS>）的句子和长度过长的句子。
def FilterLength(src_tuple, trg_tuple):
((src_input, src_len), (trg_label, trg_len)) = (src_tuple, trg_tuple)
src_len_ok = tf.logical_and(tf.greater(src_len, 1), tf.less_equal(src_len, MAX_LEN))
trg_len_ok = tf.logical_and(tf.greater(trg_len, 1), tf.less_equal(trg_len, MAX_LEN))
return tf.logical_and(src_len_ok, trg_len_ok)
dataset = dataset.filter(FilterLength)
# 解码器需要两种格式的目标句子：
# 1.解码器的输入(trg_input)，形式如同"<sos> X Y Z"
# 2.解码器的目标输出(trg_label)，形式如同"X Y Z <eos>"
# 上面从文件中读到的目标句子是"X Y Z <eos>"的形式，我们需要从中生成"<sos> X Y Z"
# 形式并加入到Dataset中。
def MakeTrgInput(src_tuple, trg_tuple):
((src_input, src_len), (trg_label, trg_len)) = (src_tuple, trg_tuple)
trg_input = tf.concat([[SOS_ID], trg_label[:-1]], axis=0)
return ((src_input, src_len), (trg_input, trg_label, trg_len))
dataset = dataset.map(MakeTrgInput)
# 随机打乱训练数据。
dataset = dataset.shuffle(10000)
# 规定填充后输出的数据维度。
padded_shapes = (
(tf.TensorShape([None]), # 源句子是长度未知的向量
tf.TensorShape([])), # 源句子长度是单个数字
(tf.TensorShape([None]), # 目标句子（解码器输入）是长度未知的向量
tf.TensorShape([None]), # 目标句子（解码器目标输出）是长度未知的向量
tf.TensorShape([]))) # 目标句子长度是单个数字
# 调用padded_batch方法进行batching操作。
batched_dataset = dataset.padded_batch(batch_size, padded_shapes)
return batched_dataset
# 3.定义翻译模型。
# 定义NMTModel类来描述模型。
class NMTModel(object):
# 在模型的初始化函数中定义模型要用到的变量。
def __init__(self):
# 定义编码器和解码器所使用的LSTM结构。
self.enc_cell_fw = tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(HIDDEN_SIZE)
self.enc_cell_bw = tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(HIDDEN_SIZE)
self.dec_cell = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell([tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(HIDDEN_SIZE) for _ in range(DECODER_LAYERS)])
# 为源语言和目标语言分别定义词向量。
self.src_embedding = tf.get_variable("src_emb", [SRC_VOCAB_SIZE, HIDDEN_SIZE])
self.trg_embedding = tf.get_variable("trg_emb", [TRG_VOCAB_SIZE, HIDDEN_SIZE])
# 定义softmax层的变量
if SHARE_EMB_AND_SOFTMAX:
self.softmax_weight = tf.transpose(self.trg_embedding)
else:
self.softmax_weight = tf.get_variable("weight", [HIDDEN_SIZE, TRG_VOCAB_SIZE])
self.softmax_bias = tf.get_variable("softmax_bias", [TRG_VOCAB_SIZE])
# 在forward函数中定义模型的前向计算图。
# src_input, src_size, trg_input, trg_label, trg_size分别是上面
# MakeSrcTrgDataset函数产生的五种张量。
def forward(self, src_input, src_size, trg_input, trg_label, trg_size):
batch_size = tf.shape(src_input)[0]
# 将输入和输出单词编号转为词向量。
src_emb = tf.nn.embedding_lookup(self.src_embedding, src_input)
trg_emb = tf.nn.embedding_lookup(self.trg_embedding, trg_input)
# 在词向量上进行dropout。
src_emb = tf.nn.dropout(src_emb, KEEP_PROB)
trg_emb = tf.nn.dropout(trg_emb, KEEP_PROB)
# 使用dynamic_rnn构造编码器。
# 编码器读取源句子每个位置的词向量，输出最后一步的隐藏状态enc_state。
# 因为编码器是一个双层LSTM，因此enc_state是一个包含两个LSTMStateTuple类
# 张量的tuple，每个LSTMStateTuple对应编码器中的一层。
# 张量的维度是 [batch_size, HIDDEN_SIZE]。
# enc_outputs是顶层LSTM在每一步的输出，它的维度是[batch_size,
# max_time, HIDDEN_SIZE]。Seq2Seq模型中不需要用到enc_outputs，而
# 后面介绍的attention模型会用到它。
# 下面的代码取代了Seq2Seq样例代码中forward函数里的相应部分。
with tf.variable_scope("encoder"):
# 构造编码器时，使用bidirectional_dynamic_rnn构造双向循环网络。
# 双向循环网络的顶层输出enc_outputs是一个包含两个张量的tuple，每个张量的
# 维度都是[batch_size, max_time, HIDDEN_SIZE]，代表两个LSTM在每一步的输出。
enc_outputs, enc_state = tf.nn.bidirectional_dynamic_rnn(self.enc_cell_fw, self.enc_cell_bw, src_emb, src_size, dtype=tf.float32)
# 将两个LSTM的输出拼接为一个张量。
enc_outputs = tf.concat([enc_outputs[0], enc_outputs[1]], -1)
with tf.variable_scope("decoder"):
# 选择注意力权重的计算模型。BahdanauAttention是使用一个隐藏层的前馈神经网络。
# memory_sequence_length是一个维度为[batch_size]的张量，代表batch
# 中每个句子的长度，Attention需要根据这个信息把填充位置的注意力权重设置为0。
attention_mechanism = tf.contrib.seq2seq.BahdanauAttention(HIDDEN_SIZE, enc_outputs,memory_sequence_length=src_size)
# 将解码器的循环神经网络self.dec_cell和注意力一起封装成更高层的循环神经网络。
attention_cell = tf.contrib.seq2seq.AttentionWrapper(self.dec_cell, attention_mechanism,attention_layer_size=HIDDEN_SIZE)
# 使用attention_cell和dynamic_rnn构造编码器。
# 这里没有指定init_state，也就是没有使用编码器的输出来初始化输入，而完全依赖
# 注意力作为信息来源。
dec_outputs, _ = tf.nn.dynamic_rnn(attention_cell, trg_emb, trg_size, dtype=tf.float32)
# 计算解码器每一步的log perplexity。这一步与语言模型代码相同。
output = tf.reshape(dec_outputs, [-1, HIDDEN_SIZE])
logits = tf.matmul(output, self.softmax_weight) + self.softmax_bias
loss = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(labels=tf.reshape(trg_label, [-1]), logits=logits)
# 在计算平均损失时，需要将填充位置的权重设置为0，以避免无效位置的预测干扰
# 模型的训练。
label_weights = tf.sequence_mask(trg_size, maxlen=tf.shape(trg_label)[1], dtype=tf.float32)
label_weights = tf.reshape(label_weights, [-1])
cost = tf.reduce_sum(loss * label_weights)
cost_per_token = cost / tf.reduce_sum(label_weights)
# 定义反向传播操作。反向操作的实现与语言模型代码相同。
trainable_variables = tf.trainable_variables()
# 控制梯度大小，定义优化方法和训练步骤。
grads = tf.gradients(cost / tf.to_float(batch_size),trainable_variables)
grads, _ = tf.clip_by_global_norm(grads, MAX_GRAD_NORM)
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=1.0)
train_op = optimizer.apply_gradients(zip(grads, trainable_variables))
return cost_per_token, train_op
# 4.训练过程和主函数。
# 使用给定的模型model上训练一个epoch，并返回全局步数。
# 每训练200步便保存一个checkpoint。
def run_epoch(session, cost_op, train_op, saver, step):
# 训练一个epoch。
# 重复训练步骤直至遍历完Dataset中所有数据。
while True:
try:
# 运行train_op并计算损失值。训练数据在main()函数中以Dataset方式提供。
cost, _ = session.run([cost_op, train_op])
if step % 10 == 0:
print("After %d steps, per token cost is %.3f" % (step, cost))
# 每200步保存一个checkpoint。
if step % 200 == 0:
saver.save(session, CHECKPOINT_PATH, global_step=step)
step += 1
except tf.errors.OutOfRangeError:
break
return step
def main():
# 定义初始化函数。
initializer = tf.random_uniform_initializer(-0.05, 0.05)
# 定义训练用的循环神经网络模型。
with tf.variable_scope("nmt_model", reuse=None, initializer=initializer):
train_model = NMTModel()
# 定义输入数据。
data = MakeSrcTrgDataset(SRC_TRAIN_DATA, TRG_TRAIN_DATA, BATCH_SIZE)
iterator = data.make_initializable_iterator()
(src, src_size), (trg_input, trg_label, trg_size) = iterator.get_next()
# 定义前向计算图。输入数据以张量形式提供给forward函数。
cost_op, train_op = train_model.forward(src, src_size, trg_input,trg_label, trg_size)
# 训练模型。
saver = tf.train.Saver()
step = 0
with tf.Session() as sess:
tf.global_variables_initializer().run()
for i in range(NUM_EPOCH):
print("In iteration: %d" % (i + 1))
sess.run(iterator.initializer)
step = run_epoch(sess, cost_op, train_op, saver, step)
if __name__ == "__main__":
main()
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