从零构建TransformerP1-了解设计

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引言

AI使用声明：在内容整理、结构优化和语言表达的过程中，我使用了人工智能（AI）工具作为辅助。

在之前的《Transformer：从入门到放弃》一篇中，我们已经对Transformer架构有了基本的了解。

本篇，让我们基于PyTorch，一步一步实现一个简化但完整、可运行的 Transformer 模型，手写一些核心组件，包括：

• 注意力提示（Attention Cue）
• 注意力评分函数（Attention Scoring Functions）
• 自注意力（Self-Attention）和多头注意力（Multi-Head Attention）
• 位置编码（Positional Encoding）
• 编码器（Encoder）和解码器（Decoder）
  最终将它们组装成一个完整的Encoder-Decoder架构的Transformer。

开始阅读前，让我们思考一个问题：“设计一个Transformer需要什么？”

并且思考"给一段新闻文本，判断属于哪个类别（体育、科技、娱乐…）"，即一个文本分类任务用的Transformer模型要怎么设计？

补充资料：《happy-llm》第二章（强烈推荐）

1 概念回顾

1.1 序列任务

输入或输出是“有序元素组成的序列”的任务。 这里的“序列”就像一条有顺序的链条，每个位置上是一个元素（比如一个词、一个音素、一个动作）。

序列任务 = 输入或输出是一个“有顺序的元素链”，且顺序影响语义的任务。

任务类型	输入序列	输出序列	说明
文本分类	"这部电影真好看！"→[电影, 是, 好看, ...]	"正面"	输入是序列，输出是单个标签
机器翻译	"Hello world"→[Hello, world]	"你好 世界"	输入和输出都是序列
文本生成	"从前有一只"	"从前有一只小猫..."	输出是逐步生成的序列
语音识别	音频波形 → 帧序列	"今天天气很好"	声音是时间序列
时间序列预测	[1, 2, 3, 4, 5]	[6]	数值型序列预测未来值
命名实体识别（NER）	"小明在北京上班"	[人名, 地点, 组织]	每个词都有一个标签
对话系统	用户说：“你好” → 模型回复：“你好呀！”	多轮对话历史	输入输出都是对话序列
👉 这些任务的共同点：数据是有“时间”或“顺序”维度的

Transformer 特别适合序列任务，其核心优势是能并行处理序列 + 能用 自注意力机制 直接建模序列中任意两个元素的关系（无论多远）。

1.1.1 将序列变成模型能处理的形式

原始文本不能直接输入神经网络，要转换成“向量序列”。

• 步骤 1：分词（Tokenization）

句子："I love Transformers"
分词 → ["I", "love", "Transformers"]

• 步骤 2：转为词 ID

词表：{"I": 1, "love": 2, "Transformers": 3}
→ [1, 2, 3]

• 步骤 3：嵌入 + 位置编码

# 每个 ID 映射为向量
embeddings = nn.Embedding(vocab_size, d_model)  # (3,) → (3, d_model)# 加上位置信息
x = embeddings + positional_encoding
# 最终输入：(seq_len, d_model) 的向量序列

我们知道，模型处理向量时，需要保证向量维度的一致，也就是序列长度的一致。
不同句子长度不同，怎么批量训练呢？

解决方案：Padding + Mask

句子1: "Hello"           → [Hello, <pad>, <pad>]
句子2: "I love you"      → [I, love, you]
句子3: "OK"              → [OK, <pad>, <pad>]

• 统一补到最长长度
• 使用 attention mask 告诉模型：“忽略 <pad> 位置”

👉 这样就能批量处理变长序列了。

• seq_len与d_model

维度	是否可变	如何处理	作用
序列长度（seq_len）	batch 间可变，batch 内必须一致	padding + mask	控制上下文长度
向量维度（d_model）	全程必须一致	模型设计时固定	控制表示能力

🔁 它们的关系是：

• seq_len 决定了“时间/顺序维度”的大小
• d_model 决定了“特征维度”的大小
• 一起构成输入张量：(batch_size, seq_len, d_model)
• 向量就是1D的张量

1.1.2 其他类型的序列

序列类型	示例	是否适合 Transformer
文本序列	句子、文档	✅ 最经典应用
时间序列	股价、气温	✅ 可以（如 TimeSformer）
音频序列	语音波形、MFCC 特征	✅ Whisper 就是 Transformer
视频序列	一连串图像帧	✅ VideoBERT、TimeSformer
DNA 序列	ATCG…	✅ 生物信息学中使用
用户行为序列	点击、浏览、购买	✅ 推荐系统中常用
程序代码	函数、语句	✅ CodeBERT、Codex

🌟 所以 Transformer 不只是“NLP 模型”，而是“序列建模通用架构”

1.1.3 判断一个任务是不是序列任务的 checklist

✅ 如果你回答“是”，那它很可能是序列任务：

问题	是？
输入是一段文字、一句话、一段语音吗？	✅
输出要生成一段文本或翻译结果吗？	✅
数据有时间顺序（如股价、日志）吗？	✅
元素之间的顺序会影响含义吗？	✅
不同样本的长度不一样吗？	✅

1.2 长距离依赖

一段新闻文本，如"苹果公司发布了新款iPhone，搭载A17芯片..."
开头提到“苹果”，结尾提到“发布会”，中间隔了很多词，但这两个信息共同决定这是“科技”新闻。

关键信息可能相隔很远，但需要两个相隔很远的信息共同决定语义，这就是长距离依赖。

• 模型对比

模型	处理长距离依赖能力	原因
RNN/LSTM	⚠️ 有限（随距离衰减）	信息需逐步传递，梯度消失
CNN	⚠️ 有限（需多层堆叠）	感受野有限，n层CNN只能看到2ⁿ距离
Transformer	✅ 优秀	自注意力直接建模任意距离关系

1.3 元素间关系

一段新闻文本，如"苹果公司发布了新款iPhone，搭载A17芯片..."
“苹果”是公司还是水果？需要结合上下文（如“发布”、“芯片”）判断语义 → 必须建模词与词之间的关系。

这样词与词的关系就是元素间关系。

是否需要建模“元素间关系”是 NLP 的本质问题。

例子	问题	需要关系建模吗？
"苹果很好吃"	“苹果”是水果还是公司？	✅ 需要看上下文（“好吃” → 水果）
"苹果发布了新手机"	同上	✅ “发布” → 公司
👉 这些都依赖词与词之间的语义关系，而 Transformer 的自注意力机制正是为此设计的：

$$\text{Attention}(Q,K,V)=\text{softmax}\left(\frac{Q{K}^T}{\sqrt{d_k}}\right)V$$
它允许每个词（Query）去“查询”其他所有词（Key），根据相关性加权聚合信息（Value）。直接连接任意距离元素。

伪代码：Transformer的自注意力机制如何解决歧义，建立元素间关系

  def resolve_ambiguity(word, context):# word作为Query，context作为Key-Valueattention_weights = softmax(word @ context.T / sqrt(d_k))# 权重反映相关性："苹果"对"发布"的权重高，对"好吃"的权重低resolved_meaning = attention_weights @ contextreturn resolved_meaning

2 Transformer设计流程

首先，从“问题”出发 → 决定“是否用 Transformer”和“怎么设计”？

你的问题↓
输入是什么？输出是什么？（数据结构）↓
是序列任务吗？有长距离依赖吗？↓
是否需要建模“元素间关系”？↓
→ 是：考虑 Transformer
→ 否：可能 CNN/RNN/MLP 更合适↓
选择架构：Encoder-only？Decoder-only？Encoder-Decoder？↓
定义组件：Embedding、Attention、FFN、Head...↓
训练循环：Loss、Optimization、Evaluation

文本分类任务分析如下：

你的问题：新闻分类↓
输入：文本序列 → 是序列任务 ✅↓
是否有长距离依赖？ → 是（如首尾关键词呼应）✅↓
是否需要建模词间关系？ → 是（如歧义消解）✅↓
→ 推荐使用 Transformer（而非 MLP/RNN/CNN）↓
输出是单个类别 → 不需要生成 → 用 Encoder-only 架构↓
选择 [CLS] 或 平均池化 获取句向量↓
接分类头（Linear + Softmax）

3 第一步：分析你的“问题”——输入输出结构

✅ Transformer 最擅长处理“序列”或“结构化关系”问题

任务类型	输入	输出	是否适合Transformer
文本分类	句子[I love you]	类别positive	✅ 是（Encoder-only）
机器翻译	源语言句子[Hello world]	目标语言句子[你好世界]	✅ 是（Encoder-Decoder）
文本生成	提示[Once upon a time]	续写故事	✅ 是（Decoder-only）
图像分类	图像像素	类别标签	✅ 可以（ViT：把图切成 patch）
时间序列预测	历史数据[1,2,3,4]	未来值[5]	✅ 是（类似 seq2seq）
表格数据分类	特征列[age, income, ...]	标签	❌ 通常不用（MLP 更好）

4 第二步：选择 Transformer 的哪种“模式”？

Transformer 不只有一种结构！根据任务不同，有三种主流变体：

架构	结构	典型任务	列子
Encoder-only	只保留编码器	分类、NER、句向量	BERT、RoBERTa
Decoder-only	只保留解码器（带掩码）	文本生成	GPT 系列
Encoder-Decoder	编码器 + 解码器	机器翻译、摘要	T5、BART

4.1 如何选择？

有一些简单的例子。

问题	推荐模式
“这段话是正面还是负面？”	Encoder-only
“把英文翻译成中文”	Encoder-Decoder
“续写这篇文章”	Decoder-only
“回答一个问题”	Decoder-only（如 ChatGPT）
“提取实体：人名、地点”	Encoder-only

5 第三步：设计核心组件（你需要定义什么？）

"设计-实现"映射表

设计决策	PyTorch实现	代码示例
输入表示
文本任务	nn.Embedding + 位置编码	self.token_emb = nn.Embedding(vocab_size, d_model)
图像任务	Patch Embedding	x = x.unfold(2, patch_size, patch_size).reshape(...)
位置编码
固定位置编码	Sinusoidal PE	见下方完整实现
可学习位置编码	nn.Embedding(max_len, d_model)	self.pos_emb = nn.Embedding(512, d_model)
注意力类型
自注意力	nn.MultiheadAttention	self.attn = nn.MultiheadAttention(d_model, n_heads)
因果注意力	+ mask	attn_mask = torch.triu(torch.ones(seq_len, seq_len), diagonal=1).bool()

一旦确定了架构，就要设计以下模块：

5.1 Embedding层

输入表示（Input Representation），需要把原始输入变成向量序列，在深度学习中，承担这个任务的组件就是 Embedding 层。

Embedding 层其实是一个存储固定大小的词典的嵌入向量查找表。也就是说，在输入神经网络之前，我们往往会先让自然语言输入通过分词器 tokenizer，分词器的作用是把自然语言输入切分成 token 并转化成一个固定的 index。例如，如果我们将词表大小设为 4，输入“我喜欢你”，那么，分词器可以将输入转化成：

input: 我
output: 0input: 喜欢
output: 1input：你
output: 2

• 文本：词嵌入 + 位置编码
• 图像：将图像切分为 patch，每个 patch 线性投影为向量（ViT）
• 音频：频谱图切块 → 向量
• 多模态：文本向量 + 图像向量拼接或对齐

✅ 关键：所有输入都要变成 (batch_size, seq_len, d_model) 的张量

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5.2 注意力机制（Attention）

根据任务决定注意力类型：

类型	用途	是否允许查看未来
自注意力（Self-Attention）	建模序列内部关系	是（Encoder） / 否（Decoder）
交叉注意力（Cross-Attention）	解码器关注编码器输出	是
因果注意力（Causal Attention）	生成时防止泄露未来信息	❌ 不能看后面

⚠️ 解码器中的自注意力必须使用 掩码（mask） 来屏蔽未来 token

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5.2.1 位置编码（Positional Encoding）

因为 Transformer 没有顺序感知，必须采用位置编码机制来保留序列的位置信息：

• 固定位置编码：正弦函数（原论文）。适合序列长度固定的任务。
• 可学习位置编码：nn.Embedding(seq_len, d_model)。适合大多数情况，模型能自动适应数据分布
• 相对位置编码：更高级，建模相对距离

5.2.1.1 固定位置编码

Sinusoidal PE

class PositionalEncoding(nn.Module):def __init__(self, d_model, max_len=5000):super().__init__()pe = torch.zeros(max_len, d_model)position = torch.arange(0, max_len, dtype=torch.float).unsqueeze(1)div_term = torch.exp(torch.arange(0, d_model, 2).float() * (-math.log(10000.0) / d_model))pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)pe = pe.unsqueeze(0)  # (1, max_len, d_model)self.register_buffer('pe', pe)def forward(self, x):seq_len = x.size(1)return x + self.pe[:, :seq_len, :]

5.2.1.2 可学习位置编码（更常用）

self.pos_embedding = nn.Embedding(max_position_embeddings, d_model)
positions = torch.arange(0, seq_len, device=x.device).unsqueeze(0)
x = x + self.pos_embedding(positions)

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5.3 模型头（Head）——输出层设计

根据任务设计最后的输出层：

任务	输出头
分类	Linear(d_model, num_classes)+ CrossEntropy
回归	Linear(d_model, 1)+ MSE
序列生成	Linear(d_model, vocab_size)+ Softmax + CTC Loss
命名实体识别（NER）	每个 token 输出类别（seq_len × classes）
问答	输出起始和结束位置（两个线性层）

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5.4 损失函数（Loss Function）

任务	损失函数
分类	交叉熵CrossEntropyLoss
生成	语言模型损失（预测下一个词）
回归	均方误差MSELoss
多标签分类	BCEWithLogitsLoss
对比学习	InfoNCE Loss（如 CLIP）

6 第四步：训练流程（必须有的循环）

无论什么任务，训练都遵循这个循环（神经网络的训练循环）:

for epoch in epochs:for batch in dataloader:# 1. 前向传播output = model(input_ids, attention_mask=mask)# 2. 计算损失loss = loss_fn(output, labels)# 3. 反向传播loss.backward()# 4. 更新参数optimizer.step()optimizer.zero_grad()# 5. 记录日志print(f"Loss: {loss.item()}")

✅ 这个循环是通用的，但 model 和 loss_fn 要根据任务定制

7 第五步：验证与推理策略

任务	推理方式
分类	取 [CLS] 或平均池化后分类
生成	自回归生成（一次一个 token）
翻译	Beam Search 提高质量
问答	找 start 和 end 位置

8 设计一个“新闻分类”模型

给一段新闻文本，判断属于哪个类别（体育、科技、娱乐…）

8.1 设计过程

步骤	决策
1. 输入输出	输入：句子；输出：类别 → 分类任务
2. 架构选择	Encoder-only（不需要生成）
3. 输入表示	Token Embedding + Positional Encoding
4. 模型结构	6 层 Encoder，每层 Multi-Head Attention + FFN
5. 输出头	取 [CLS] 位置或平均池化 → Linear → 分类
6. 损失函数	CrossEntropyLoss
7. 优化器	AdamW
8. 推理方式	前向传播 → argmax

👉 这就是 BERT 做分类的方式！

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9 总结：设计 Transformer 的 checklist

📌 使用建议：逐行打勾 ✅ 或 ❌，根据答案组合决定是否使用 Transformer 及具体架构

类别	问题	是？	决策指引
任务性质	1. 输入或输出是序列吗？（文本、时间序列、音频等）	✅/❌	❌ 否 → 考虑 MLP/XGBoost/CNN ✅ 是 → 进入下一步
	2. 序列长度是否可变或较长？（>50）	✅/❌	✅ 是 → Transformer 优势明显 ⚠️ 否 → CNN/RNN 也可考虑
	3. 元素之间的顺序是否影响语义？	✅/❌	✅ 是 → 排除词袋模型（Bag-of-Words）
语义复杂性	4. 是否存在长距离依赖？（首尾信息关联）	✅/❌	✅ 是 → Transformer 显著优于 RNN/CNN ⚠️ 否 → 简单模型可能足够
	5. 是否需要上下文才能理解局部语义？（如歧义消解）	✅/❌	✅ 是 → 自注意力机制的核心优势 例：“苹果”是水果还是公司？
	6. 是否需要建模全局结构关系？（如句法、逻辑）	✅/❌	✅ 是 → Transformer 更适合
生成需求	7. 是否需要生成序列？（如翻译、摘要、对话）	✅/❌	✅ 是 → 必须用 Decoder-only 或 Encoder-Decoder ❌ 否 → Encoder-only 足够
	8. 是否允许模型看到未来 token？	✅/❌	❌ 否（如自回归生成）→ 必须使用 因果掩码（causal mask） ✅ 是 → 可用双向注意力（如 BERT）
输入输出设计	9. 如何表示输入？	—	文本：Token Embedding + PE 图像：Patch Embedding 音频：Spectrogram + Conv
	10. 如何表示位置？	—	固定 sinusoidal PE / 可学习 Position Embedding / 相对位置编码
	11. 输出头（Head）如何设计？	—	分类：[CLS] 或 平均池化 + Linear 序列标注：每个 token 输出 生成：LM Head（vocab_size 输出）
训练与评估	12. 使用什么损失函数？	—	分类：CrossEntropy 生成：Language Modeling Loss 回归：MSE
	13. 如何评估？	—	分类：Accuracy/F1 生成：BLEU/ROUGE/METEOR 语义相似：Cosine Similarity

• 🧠 使用示例：新闻分类任务

问题	回答	决策
1. 是序列任务？	✅	→ 考虑 Transformer
2. 序列较长？	✅	→ Transformer 优势
4. 有长距离依赖？	✅	→ 强烈推荐 Transformer
5. 需要上下文理解？	✅	→ 自注意力必要
7. 需要生成？	❌	→ 用 Encoder-only
8. 能看未来？	✅	→ 可用双向注意力（BERT-style）
11. 输出头？	—	[CLS] token + 分类头
12. 损失函数？	—	CrossEntropyLoss

👉 结论：使用 BERT-style Encoder-only 模型，最佳选择。

9.1 最后一句话：

Transformer 不是一个“万能黑箱”，而是一个“模块化工具箱”。
你要做的不是“套公式”，而是：
🔍 理解问题 → 拆解结构 → 选择组件 → 组装模型