Bert Encoder和Transformer Encoder有什么不同

前言：本篇文章主要从代码实现角度研究 Bert Encoder和Transformer Encoder 有什么不同？应该可以帮助你：

深入了解Bert Encoder 的结构实现
深入了解Transformer Encoder的结构实现

本篇文章不涉及对注意力机制实现的代码研究。

注：本篇文章所得出的结论和其它文章略有不同，有可能是本人代码理解上存在问题，但是又没有找到更多的文章加以验证，并且代码也检查过多遍。

观点不太一致的文章：bert-pytorch版源码详细解读_bert pytorch源码-CSDN博客这篇文章中，存在 “这个和我之前看的transformers的残差连接层差别还挺大的，所以并不完全和transformers的encoder部分结构一致。” 但是我的分析是：代码实现上不太一样，但是本质上没啥不同，只是Bert Encoder在Attention之后多了一层Linear。具体分析过程和结论可以阅读如下文章。

如有错误或问题，请在评论区回复。

1、研究目标

这里主要的观察对象是BertModel中Bert Encoder是如何构造的？从Bert Tensorflow源码，以及transformers库中源码去看。

然后再看TransformerEncoder是如何构造的？从pytorch内置的transformer模块去看。

最后再对比不同。

2、tensorflow中BertModel主要代码如下

class BertModel(object):def __init__(...):...得到了self.embedding_output以及attention_mask# transformer_model就代表了Bert Encoder层的所有操作self.all_encoder_layers = transformer_model(input_tensor=self.embedding_output, attention_mask=attention_mask,...)# 这里all_encoder_layers[-1]是取最后一层encoder的输出self.sequence_output = self.all_encoder_layers[-1]...pooler层，对 sequence_output中的first_token_tensor，即CLS对应的表示向量，进行dense+tanh操作with tf.variable_scope("pooler"):first_token_tensor = tf.squeeze(self.sequence_output[:, 0:1, :], axis=1)self.pooled_output = tf.layers.dense(first_token_tensor,config.hidden_size,activation=tf.tanh,kernel_initializer=create_initializer(config.initializer_range))def transformer_model(input_tensor, attention_mask=None,...):...for layer_idx in range(num_hidden_layers):# 如下（1）（2）（3）就是每一层Bert Encoder包含的结构和操作with tf.variable_scope("layer_%d" % layer_idx):# （1）attention层：主要包含两个操作，获取attention_output，对attention_output进行dense + dropout + layer_normwith tf.variable_scope("attention"):# （1.1）通过attention_layer获得 attention_outputattention_output# （1.2）output层：attention_output需要经过dense + dropout + layer_norm操作with tf.variable_scope("output"):attention_output = tf.layers.dense(attention_output,hidden_size,...)attention_output = dropout(attention_output, hidden_dropout_prob)# “attention_output + layer_input” 表示 残差连接操作attention_output = layer_norm(attention_output + layer_input)# （2）intermediate中间层：对attention_output进行dense+激活(GELU)with tf.variable_scope("intermediate"):intermediate_output = tf.layers.dense(attention_output,intermediate_size,activation=intermediate_act_fn,)# （3）output层：对intermediater_out进行dense + dropout + layer_normwith tf.variable_scope("output"):layer_output = tf.layers.dense(intermediate_output,hidden_size,kernel_initializer=create_initializer(initializer_range))layer_output = dropout(layer_output, hidden_dropout_prob)# "layer_output + attention_output"是残差连接操作layer_output = layer_norm(layer_output + attention_output)all_layer_outputs.append(layer_output)

3、pytorch的transformers库中的BertModel主要代码；

其中BertEncoder对应要研究的目标

class BertModel(BertPreTrainedModel):def __init__(self, config, add_pooling_layer=True):self.embeddings = BertEmbeddings(config)self.encoder = BertEncoder(config)self.pooler = BertPooler(config) if add_pooling_layer else Nonedef forward(...):# 这是嵌入层操作embedding_output = self.embeddings(input_ids=input_ids,position_ids=position_ids,token_type_ids=token_type_ids,...)# 这是BertEncoder层的操作encoder_outputs = self.encoder(embedding_output,attention_mask=extended_attention_mask,...)# 这里encoder_outputs是一个对象，encoder_outputs[0]是指最后一层Encoder(BertLayer)输出sequence_output = encoder_outputs[0]# self.pooler操作是BertPooler层操作，是先取first_token_tensor（即CLS对应的表示向量），然后进行dense+tanh操作# 通常pooled_output用于做下游分类任务pooled_output = self.pooler(sequence_output) if self.pooler is not None else Noneclass BertEncoder(nn.Module):def __init__(self, config):...self.layer = nn.ModuleList([BertLayer(config) for _ in range(config.num_hidden_layers)])...def forward(...):for i, layer_module in enumerate(self.layer):# 元组的append做法，将每一层的hidden_states保存到all_hidden_states；# 第一个hidden_states是BertEncoder的输入，后面的都是每一个BertLayer的输出if output_hidden_states:all_hidden_states = all_hidden_states + (hidden_states,)...# 执行BertLayer的forward方法，包含BertAttention层 + BertIntermediate中间层 + BertOutput层layer_outputs = layer_module(...)# 当前BertLayer的输出hidden_states = layer_outputs[0]# 添加到all_hidden_states元组中if output_hidden_states:all_hidden_states = all_hidden_states + (hidden_states,)class BertLayer(nn.Module):def __init__(self, config):self.attention = BertAttention(config)self.intermediate = BertIntermediate(config)self.output = BertOutput(config)def forward(...):# （1）Attention是指BertAttention# BertAttention包含：BertSelfAttention + BertSelfOutput# BertSelfAttention包括计算Attention+Dropout# BertSelfOutput包含：dense+dropout+LayerNorm，LayerNorm之前会进行残差连接self_attention_outputs = self.attention(...)# self_attention_outputs是一个元组，取[0]获取当前BertLayer中的Attention层的输出attention_output = self_attention_outputs[0]# （2）BertIntermediate中间层包含：dense+gelu激活# （3）BertOutput层包含：dense+dropout+LayerNorm，LayerNorm之前会进行残差连接# feed_forward_chunk的操作是：BertIntermediate(attention_output) + BertOutput(intermediate_output, attention_output)# BertIntermediate(attention_output)是：dense+gelu激活# BertOutput(intermediate_output, attention_output)是：dense+dropout+LayerNorm；# 其中LayerNorm(intermediate_output + attention_output)中的“intermediate_output + attention_output”是残差连接操作layer_output = apply_chunking_to_forward(self.feed_forward_chunk, ..., attention_output)

4、pytorch中内置的transformer的TransformerEncoderLayer主要代码

torch.nn.modules.transformer.TransformerEncoderLayer

class TransformerEncoderLayer(Module):'''Args:d_model: the number of expected features in the input (required).nhead: the number of heads in the multiheadattention models (required).dim_feedforward: the dimension of the feedforward network model (default=2048).dropout: the dropout value (default=0.1).activation: the activation function of intermediate layer, relu or gelu (default=relu).Examples::>>> encoder_layer = nn.TransformerEncoderLayer(d_model=512, nhead=8)>>> src = torch.rand(10, 32, 512)>>> out = encoder_layer(src)'''def __init__(self, d_model, nhead, dim_feedforward=2048, dropout=0.1, activation="relu"):super(TransformerEncoderLayer, self).__init__()self.self_attn = MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)# Implementation of Feedforward modelself.linear1 = Linear(d_model, dim_feedforward)self.dropout = Dropout(dropout)self.linear2 = Linear(dim_feedforward, d_model)self.norm1 = LayerNorm(d_model)self.norm2 = LayerNorm(d_model)self.dropout1 = Dropout(dropout)self.dropout2 = Dropout(dropout)self.activation = _get_activation_fn(activation)def forward(...):# 过程：# （1）MultiheadAttention操作：src2 = self.self_attn# （2）Dropout操作：self.dropout1(src2)# （3）残差连接：src = src + self.dropout1(src2)# （4）LayerNorm操作：src = self.norm1(src)# 如下是FeedForword：做两次线性变换，为了更深入的提取特征# （5）Linear操作：src = self.linear1(src)# （6）RELU激活（默认RELU）操作：self.activation(self.linear1(src))# （7）Dropout操作：self.dropout(self.activation(self.linear1(src)))# （8）Linear操作：src2 = self.linear2(...)# （9）Dropout操作：self.dropout2(src2)# （10）残差连接：src = src + self.dropout2(src2)# （11）LayerNorm操作：src = self.norm2(src)src2 = self.self_attn(src, src, src, attn_mask=src_mask,key_padding_mask=src_key_padding_mask)[0]src = src + self.dropout1(src2)src = self.norm1(src)src2 = self.linear2(self.dropout(self.activation(self.linear1(src))))src = src + self.dropout2(src2)src = self.norm2(src)return src

5、区别总结

Transformer Encoder的结构如上图所示，代码也基本和上图描述的一致，不过代码中在Multi-Head Attention和Feed Forward之后都存在一个Dropout操作。（可以认为每层网络之后都会接一个Dropout层，是作为网络模块的一部分）

可以将Transformer Encoder过程表述为：

（1）MultiheadAttention + Dropout + 残差连接 + LayerNorm

（2）FeedForword（Linear + RELU + Dropout + Linear + Dropout） + 残差连接 + LayerNorm；Transformer默认的隐含层激活函数是RELU；

可以将 Bert Encoder过程表述为：

（1）BertSelfAttention： MultiheadAttention + Dropout

（2）BertSelfOutput：Linear+ Dropout + 残差连接 + LayerNorm；注意：这里的残差连接是作用在BertSelfAttention的输入上，不是Linear的输入。

（3）BertIntermediate：Linear + GELU激活

（4）BertOutput：Linear + Dropout + 残差连接 + LayerNorm；注意：这里的残差连接是作用在BertIntermediate的输入上，不是Linear的输入；

进一步，把（1）（2）合并，（3）（4）合并：

（1）MultiheadAttention + Dropout + Linear + Dropout + 残差连接 + LayerNorm

（2）FeedForword（Linear + GELU激活 + Linear + Dropout） + 残差连接 + LayerNorm；Bert默认的隐含层激活函数是GELU；

所以，Bert Encoder和Transformer Encoder最大的区别是，Bert Encoder在做完Attention计算后，还会用一个线性层去提取特征，然后才进行残差连接。其次，是FeedForword中的默认激活函数不同。Bert Encoder图结构如下：