NLP中Subword算法：WordPiece、BPE、BBPE、SentencePiece详解以及代码实现

本文将介绍以下内容：

• 1. Subword与传统tokenization技术的对比
• 2. WordPiece
• 3. Byte Pair Encoding (BPE)
• 4. Byte-level BPE(BBPE)
• 5. SentencePiece 以及各Subword算法代码实现

一、Subword与传统tokenization技术的对比

1. 传统tokenization技术

传统tokenization技术一般有两种方法：word（词）粒度、char（字符）粒度

1.1 word（词）粒度

传统构造词表的方法，是先对各个句子进行分词，然后再统计并选出频数最高的前N个词组成词表。通常训练集中包含了大量的词汇，以英语为例，总的单词数量在17万到100万左右。对于英文来说，word级别分词实现很简单，因为本身就有分隔符号。在中文里面word粒度，需要使用一些分词工具比如jieba、ltp等。该方案优劣势如下：

• 优点：

  • 语义明确： 以词为粒度进行分词可以更好地保留每个词的语义，使得文本在后续处理中能够更准确地表达含义。
  • 上下文理解： 以词为粒度进行分词有助于保留词语之间的关联性和上下文信息，从而在语义分析和理解时能够更好地捕捉句子的意图。

• 缺点：

  • OOV（Out-of-Vocabulary）： 分词模型只能够使用词表中的词进行处理，无法处理词表之外的词汇。
  • 长尾效应和稀有词问题： 词表可能变的巨大，包含很多不常见的词汇，增加存储和训练成本，稀有词的训练数据有限，无法得到充分训练，进而模型不能充分理解这些词的语义。
  • 形态关系和词缀关系： 无法捕捉同一词的不同形态，也无法学习词缀在不同词汇之间的共通性，限制了模型的语言理解能力。比如look和looks在词表中将会是两个词。一方面增加了训练冗余，另一方面也造成了大词汇量问题。

1.2 char（字符）粒度

以字符为单位进行分词，就是把文本拆分成一个个单独的字符作为最小的基本单元，这种对多种语言都比较适用，比如英文、中文、印尼语等。英文就是26个字母以及其他的一些符号，中文常见、次常用字大约共有 6000多个。该方案优劣势如下：

• 优点：
  • 通用性： 字符粒度的分词方法使用与不同的语言，不需要设计不同的规则和工具。
  • 避免OOV问题： 这种粒度的分词能够处理任何字符，无需维护词表，因此可以很好地处理一些新的词汇、专有名词等。
• 缺点：
  • 语义信息不明确： 这种粒度的分词无法直接表达词的语义，可能在一些语义分析任务中效果比较差。
  • 效率极低： 由于文本被拆分成字符，处理粒度较小，增加了后续处理的计算成本和时间。

2. Subword（子词）粒度

目前有三种主流的Subword算法，它们分别是：Byte Pair Encoding (BPE), WordPiece和Unigram Language Model。

针对上述问题，Subword(子词)模型方法横空出世。它的划分粒度介于词与字符之间，比如可以将”looking”划分为”look”和”ing”两个子词，而划分出来的"look"，”ing”又能够用来构造其它词，如"look"和"ed"子词可组成单词"looked"，因而Subword方法能够大大降低词典的大小，同时对相近词能更好地处理。

接下来将分别详细介绍：WordPiece、BPE、BBPE、ULM。

二、WordPiece

请见笔者之前文章：NLP Subword 之 WordPiece 算法原理

三、Byte Pair Encoding (BPE)

请见笔者之前文章：NLP Subword 之 BPE(Byte Pair Encoding) 算法原理

四、Byte-level BPE(BBPE)

请见笔者之前文章：NLP Subword 之 BBPE(Byte-level BPE) 算法原理

五、SentencePiece 以及各Subword算法代码实现

1. 什么是 SentencePiece?

在自然语言处理（NLP）中，分词（tokenization） 是一个极为关键的步骤。传统的分词方法往往依赖语言特定的规则（比如英文依靠空格，中文依靠分词工具），而在多语言任务或需要统一处理的场景下，这种方式就显得繁琐且不够通用。

SentencePiece 是 Google 开源的一个 语言无关（language-agnostic）子词建模工具。它的“工具属性”主要体现在：

• 端到端训练：直接基于原始语料，无需预分词或去掉空格，输出模型文件（.model）和词表（.vocab）。
• 多算法统一接口：同一套命令/接口支持 Unigram（ULM）、BPE、Char、Word 等模型类型。
• 推理一致性：同一模型可用于编码（encode）与解码（decode），避免预处理不一致的问题。
• OOV 友好：支持 --byte_fallback，可以在词表未登录时回退为字节级 token，实现 Byte-level BPE（BBPE） 的效果。

需要特别说明的是：

• SentencePiece 并没有直接提供 WordPiece 类型；
• 在实践中，通常使用 Unigram 模型 来 近似/替代 WordPiece。

---

2. 使用 Python SentencePiece 库分别实现 ULM、BPE、BBPE

下面通过 3 个独立的 Demo，完整展示 训练 + 推理 全流程。每个 Demo 都会：

1. 生成一份 demo 语料；
2. 调用 sentencepiece 训练模型；
3. 加载模型进行推理（encode/decode）；

---

2.1 Unigram Language Model（ULM）

Unigram 是 SentencePiece 默认与推荐的算法之一，常作为 WordPiece 的替代实现。

# demo_ulm.py
import os
import sentencepiece as spm# 0) 准备语料
workdir = "./sp_ulm_work"
os.makedirs(workdir, exist_ok=True)
corpus = os.path.join(workdir, "corpus.txt")lines = ["我爱自然语言处理。","自然语言处理是人工智能的重要分支。","Hello world! This is a tiny corpus for subword training.","Emoji 测试：🙂🚀🌍，以及混合文本 NLP。",
]
with open(corpus, "w", encoding="utf-8") as f:f.write("\n".join(lines))# 1) 训练 Unigram 模型
model_prefix = os.path.join(workdir, "uni")
spm.SentencePieceTrainer.Train(input=corpus,model_prefix=model_prefix,vocab_size=800,          # demo 用小词表model_type="unigram",    # ★ 关键：Unigramcharacter_coverage=1.0
)# 2) 推理
sp = spm.SentencePieceProcessor(model_file=f"{model_prefix}.model")
test_text = "我爱NLP🚀！"
pieces = sp.encode(test_text, out_type=str)
ids = sp.encode(test_text, out_type=int)
back = sp.decode(ids)print("INPUT :", test_text)
print("PIECES:", pieces)
print("IDS   :", ids)
print("DECODE:", back)

---

2.2 Byte Pair Encoding（BPE）

BPE 是另一种常见的子词算法，原理是迭代合并语料中频率最高的相邻 token 对。

# demo_bpe.py
import os
import sentencepiece as spm# 0) 准备语料
workdir = "./sp_bpe_work"
os.makedirs(workdir, exist_ok=True)
corpus = os.path.join(workdir, "corpus.txt")lines = ["BPE merges rules are learned from frequent pairs.","Hello world! Byte Pair Encoding is simple and effective.","中文测试：分词、子词建模。",
]
with open(corpus, "w", encoding="utf-8") as f:f.write("\n".join(lines))# 1) 训练 BPE 模型
model_prefix = os.path.join(workdir, "bpe")
spm.SentencePieceTrainer.Train(input=corpus,model_prefix=model_prefix,vocab_size=800,model_type="bpe",        # ★ 关键：BPEcharacter_coverage=1.0
)# 2) 推理
sp = spm.SentencePieceProcessor(model_file=f"{model_prefix}.model")
test_text = "BPE 的分词效果如何？😊"
pieces = sp.encode(test_text, out_type=str)
ids = sp.encode(test_text, out_type=int)
back = sp.decode(ids)print("INPUT :", test_text)
print("PIECES:", pieces)
print("IDS   :", ids)
print("DECODE:", back)

---

2.3 Byte-level BPE（BBPE）

BBPE 的核心思想是 在 BPE 上增加字节级回退（byte fallback），保证任何输入都能被编码。

# demo_bbpe.py
import os
import sentencepiece as spm# 0) 准备语料
workdir = "./sp_bbpe_work"
os.makedirs(workdir, exist_ok=True)
corpus = os.path.join(workdir, "corpus.txt")lines = ["Byte-level BPE ensures any input is representable.","Emoji 测试：🙂🚀🌍。","混合语言测试：NLP 和 数据。",
]
with open(corpus, "w", encoding="utf-8") as f:f.write("\n".join(lines))# 1) 训练 BBPE 模型（本质是 BPE + byte_fallback）
model_prefix = os.path.join(workdir, "bbpe")
spm.SentencePieceTrainer.Train(input=corpus,model_prefix=model_prefix,vocab_size=800,model_type="bpe",          # 仍然是 BPEcharacter_coverage=1.0,byte_fallback=True         # ★ 关键：开启字节回退
)# 2) 推理
sp = spm.SentencePieceProcessor(model_file=f"{model_prefix}.model")
test_text = "未登录字符𝔘𝔫𝔦𝔠𝔬𝔡𝔢😊"
pieces = sp.encode(test_text, out_type=str)
ids = sp.encode(test_text, out_type=int)
back = sp.decode(ids)print("INPUT :", test_text)
print("PIECES:", pieces)
print("IDS   :", ids)
print("DECODE:", back)

---

3. 小结

1. SentencePiece 是一个通用的子词建模工具，它屏蔽了语言差异，让我们直接在原始语料上训练子词模型。
2. 它支持 Unigram（ULM）、BPE、Char、Word 等模型类型，但 没有直接的 WordPiece；通常用 Unigram 来近似/替代 WordPiece。
3. 通过 byte_fallback 参数，SentencePiece 可以在 BPE 模型上实现 BBPE 的能力，从而覆盖任意输入字符（如 emoji、稀有符号）。