【现代深度学习技术】注意力机制05：多头注意力

【作者主页】Francek Chen
【专栏介绍】$\lceil$PyTorch深度学习$\rfloor$ 深度学习 (DL, Deep Learning) 特指基于深层神经网络模型和方法的机器学习。它是在统计机器学习、人工神经网络等算法模型基础上，结合当代大数据和大算力的发展而发展出来的。深度学习最重要的技术特征是具有自动提取特征的能力。神经网络算法、算力和数据是开展深度学习的三要素。深度学习在计算机视觉、自然语言处理、多模态数据分析、科学探索等领域都取得了很多成果。本专栏介绍基于PyTorch的深度学习算法实现。
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  在实践中，当给定相同的查询、键和值的集合时，我们希望模型可以基于相同的注意力机制学习到不同的行为，然后将不同的行为作为知识组合起来，捕获序列内各种范围的依赖关系（例如，短距离依赖和长距离依赖关系）。因此，允许注意力机制组合使用查询、键和值的不同子空间表示（representation subspaces）可能是有益的。

  为此，与其只使用单独一个注意力汇聚，我们可以用独立学习得到的$h$组不同的线性投影（linear projections）来变换查询、键和值。然后，这$h$组变换后的查询、键和值将并行地送到注意力汇聚中。最后，将这$h$个注意力汇聚的输出拼接在一起，并且通过另一个可以学习的线性投影进行变换，以产生最终输出。这种设计被称为多头注意力（multihead attention）。对于$h$个注意力汇聚输出，每一个注意力汇聚都被称作一个头（head）。图1展示了使用全连接层来实现可学习的线性变换的多头注意力。

图1 多头注意力：多个头连结然后线性变换

一、模型

  在实现多头注意力之前，让我们用数学语言将这个模型形式化地描述出来。给定查询$\mathbf{q}\in {\mathbb{R}}^{d_q}$、键$\mathbf{k}\in {\mathbb{R}}^{d_k}$和值$\mathbf{v}\in {\mathbb{R}}^{d_v}$，每个注意力头${\mathbf{h}}_i$（$i=1,\dots ,h$）的计算方法为：
$${\mathbf{h}}_i=f({\mathbf{W}}_i^{(q)}\mathbf{q},{\mathbf{W}}_i^{(k)}\mathbf{k},{\mathbf{W}}_i^{(v)}\mathbf{v})\in {\mathbb{R}}^{p_v}\text{\hspace{1em}(1)}$$ 其中，可学习的参数包括${\mathbf{W}}_i^{(q)}\in {\mathbb{R}}^{p_q\times d_q}$、${\mathbf{W}}_i^{(k)}\in {\mathbb{R}}^{p_k\times d_k}$和${\mathbf{W}}_i^{(v)}\in {\mathbb{R}}^{p_v\times d_v}$，以及代表注意力汇聚的函数$f$。$f$可以是注意力评分函数中的加性注意力和缩放点积注意力。多头注意力的输出需要经过另一个线性转换，它对应着$h$个头连结后的结果，因此其可学习参数是${\mathbf{W}}_o\in {\mathbb{R}}^{p_o\times h{p}_v}$：
$${\mathbf{W}}_o\left[\begin{array}{c}{\mathbf{h}}_1\\ ⋮\\ {\mathbf{h}}_h\end{array}\right]\in {\mathbb{R}}^{p_o}\text{\hspace{1em}(2)}$$

  基于这种设计，每个头都可能会关注输入的不同部分，可以表示比简单加权平均值更复杂的函数。

import math
import torch
from torch import nn
from d2l import torch as d2l

二、实现

  在实现过程中通常选择缩放点积注意力作为每一个注意力头。为了避免计算代价和参数代价的大幅增长，我们设定$p_q=p_k=p_v=p_o/h$。值得注意的是，如果将查询、键和值的线性变换的输出数量设置为$p_{q}h=p_{k}h=p_{v}h=p_o$，则可以并行计算$h$个头。在下面的实现中，$p_o$是通过参数num_hiddens指定的。

#@save
class MultiHeadAttention(nn.Module):"""多头注意力"""def __init__(self, key_size, query_size, value_size, num_hiddens, num_heads, dropout, bias=False, **kwargs):super(MultiHeadAttention, self).__init__(**kwargs)self.num_heads = num_headsself.attention = d2l.DotProductAttention(dropout)self.W_q = nn.Linear(query_size, num_hiddens, bias=bias)self.W_k = nn.Linear(key_size, num_hiddens, bias=bias)self.W_v = nn.Linear(value_size, num_hiddens, bias=bias)self.W_o = nn.Linear(num_hiddens, num_hiddens, bias=bias)def forward(self, queries, keys, values, valid_lens):# queries，keys，values的形状:# (batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_hiddens)# valid_lens　的形状:# (batch_size，)或(batch_size，查询的个数)# 经过变换后，输出的queries，keys，values　的形状:# (batch_size*num_heads，查询或者“键－值”对的个数，# num_hiddens/num_heads)queries = transpose_qkv(self.W_q(queries), self.num_heads)keys = transpose_qkv(self.W_k(keys), self.num_heads)values = transpose_qkv(self.W_v(values), self.num_heads)if valid_lens is not None:# 在轴0，将第一项（标量或者矢量）复制num_heads次，# 然后如此复制第二项，然后诸如此类。valid_lens = torch.repeat_interleave(valid_lens, repeats=self.num_heads, dim=0)# output的形状:(batch_size*num_heads，查询的个数，# num_hiddens/num_heads)output = self.attention(queries, keys, values, valid_lens)# output_concat的形状:(batch_size，查询的个数，num_hiddens)output_concat = transpose_output(output, self.num_heads)return self.W_o(output_concat)

  为了能够使多个头并行计算，上面的MultiHeadAttention类将使用下面定义的两个转置函数。具体来说，transpose_output函数反转了transpose_qkv函数的操作。

#@save
def transpose_qkv(X, num_heads):"""为了多注意力头的并行计算而变换形状"""# 输入X的形状:(batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_hiddens)# 输出X的形状:(batch_size，查询或者“键－值”对的个数，num_heads，# num_hiddens/num_heads)X = X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], num_heads, -1)# 输出X的形状:(batch_size，num_heads，查询或者“键－值”对的个数,# num_hiddens/num_heads)X = X.permute(0, 2, 1, 3)# 最终输出的形状:(batch_size*num_heads,查询或者“键－值”对的个数,# num_hiddens/num_heads)return X.reshape(-1, X.shape[2], X.shape[3])#@save
def transpose_output(X, num_heads):"""逆转transpose_qkv函数的操作"""X = X.reshape(-1, num_heads, X.shape[1], X.shape[2])X = X.permute(0, 2, 1, 3)return X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], -1)

  下面使用键和值相同的小例子来测试我们编写的MultiHeadAttention类。多头注意力输出的形状是（batch_size，num_queries，num_hiddens）。

num_hiddens, num_heads = 100, 5
attention = MultiHeadAttention(num_hiddens, num_hiddens, num_hiddens, num_hiddens, num_heads, 0.5)
attention.eval()

batch_size, num_queries = 2, 4
num_kvpairs, valid_lens =  6, torch.tensor([3, 2])
X = torch.ones((batch_size, num_queries, num_hiddens))
Y = torch.ones((batch_size, num_kvpairs, num_hiddens))
attention(X, Y, Y, valid_lens).shape

小结

• 多头注意力融合了来自于多个注意力汇聚的不同知识，这些知识的不同来源于相同的查询、键和值的不同的子空间表示。
• 基于适当的张量操作，可以实现多头注意力的并行计算。