什么是XLNet中的双流自注意力

作者：Xu LIANG 编译：ronghuaiyang

导读

理解XLNet中的双流自注意力机制。

在我之前的文章什么是XLNet，它为什么比BERT效果好？中，我主要讨论了XLNet (AR语言模型)和BERT (AE语言模型)之间的区别以及重排列语言建模。

我相信对XLNet有一个直观的理解远比实现细节重要，所以我只解释了重排列语言建模，而没有提到另一个重要的部分，双流自注意力架构。但正如陈家明在评论中提到的，双流自注意力是XLNet论文的另一个亮点，所以我写这篇文章是为了尽可能清楚地解释双流自注意力。

内容结构如下。

• 重排列语言建模的快速回顾
• 重排列带来了什么问题？
• BERT有这样的问题吗?
• XLNet如何解决这个问题?
• 注意力mask：XLNet如何实现重排列？

重排列建模的快速回顾

特殊的术语：

• AR语言模型：自回归语言建模
• AE语言模型：自动编码器语言建模

为了使这篇文章更加独立，我在这里做一个简短的总结：什么是XLNet，为什么它的性能优于BERT。

XLNet提出使用重排列语言建模，使AR语言模型学习双向上下文。这样可以避免AE语言模型中MASK方法带来的弊端。

重排列方法是获取一个序列的重排列，并使用之前的t-1个tokens作为上下文来预测第t个位置的token。例如，我们有一个句子[x1, x2, x3, x4]，而x3是我们要预测的第t个位置的token。首先，我们得到句子的排列。

[('x1', 'x2', 'x3', 'x4'),
 ('x1', 'x2', 'x4', 'x3'),
 ('x1', 'x3', 'x2', 'x4'),
 ('x1', 'x3', 'x4', 'x2'),
 ('x1', 'x4', 'x2', 'x3'),
 ('x1', 'x4', 'x3', 'x2'),
 ('x2', 'x1', 'x3', 'x4'),
 ('x2', 'x1', 'x4', 'x3'),
 ('x2', 'x3', 'x1', 'x4'),
 ('x2', 'x3', 'x4', 'x1'),
 ('x2', 'x4', 'x1', 'x3'),
 ('x2', 'x4', 'x3', 'x1'),
 ('x3', 'x1', 'x2', 'x4'),
 ('x3', 'x1', 'x4', 'x2'),
 ('x3', 'x2', 'x1', 'x4'),
 ('x3', 'x2', 'x4', 'x1'),
 ('x3', 'x4', 'x1', 'x2'),
 ('x3', 'x4', 'x2', 'x1'),
 ('x4', 'x1', 'x2', 'x3'),
 ('x4', 'x1', 'x3', 'x2'),
 ('x4', 'x2', 'x1', 'x3'),
 ('x4', 'x2', 'x3', 'x1'),
 ('x4', 'x3', 'x1', 'x2'),
 ('x4', 'x3', 'x2', 'x1')]

然后选取一些样本作为训练数据。(本文从排列中随机抽取样本)

('x1', 'x2', 'x4', 'x3'),
('x1', 'x4', 'x3', 'x2'),
('x2', 'x3', 'x4', 'x1'),
('x4', 'x2', 'x3', 'x1'),
('x3', 'x2', 'x4', 'x1'),

我们可以看到每个token都有机会出现在x3之前。因此，AR模型可以从这些上下文tokens中学习双向信息。如果你仍然不清楚重排列，你可以阅读前面的文章。

重排列带来了什么问题？

这种重排列可以使AR模型从两个方向看到上下文，但也带来了原transformer 无法解决的问题.

重排列语言建模目标：

• Z：一种分解顺序
• p_θ：似然函数
• x_zt：分解顺序中的第t个token
• x_z<t：第t个token之前的所有tokens

这是重排列语言建模的目标函数，即以t-1个tokens为上下文，预测第t个token。

有两个标准Transformer不能满足的要求：

1. 为了预测token x_t，模型应该只看到x_t的位置，而不是x_t的content(我将在下一节解释什么是content)
2. 为了预测token x_t，模型应该将x_t之前的所有token编码为content

特别是第一个要求，transformer将位置编码合并到token嵌入中。因此，它不能将位置信息与token嵌入分离开来。

BERT有这样的问题吗？

BERT是一个AE语言模型，它不像AR语言模型那样需要单独的位置信息。与XLNet需要位置信息来预测第t个token不同，BERT使用[MASK]来表示要预测哪个token(我们可以认为[MASK]只是一个占位符)。例如，如果BERT使用x2, x1, x4来预测x3，那么x2, x1, x4的嵌入包含了位置信息和其他与[MASK]相关的信息。因此，该模型很有可能预测[MASK]是x3。

在这里我将对信息做更详细的说明。BERT embedded (BERT所学的信息)包含两种信息：位置信息和内容信息(为简单起见，我将其分为两部分)。

位置信息很容易理解，因为它告诉模型当前token的位置。内容信息(语义和语法)包含当前标记的“意义”。一个直观的例子是kind — man + woman = queen。

XLNet怎么解决这个问题？

XLNet提出了双流自注意力来解决这个问题。

顾名思义，它包含两种自注意力。一个是content stream attention，它是Transformer中的标准自注意力。另一个是query stream attention。XLNet引入它来替换BERT中的[MASK] token。

例如，如果BERT想用上下文单词x1和x2的知识来预测x3，它可以使用[MASK]来表示x3 token。[MASK]只是一个占位符。x1和x2的嵌入包含位置信息，帮助模型“知道”[MASK]的是x3。

XLNet的情况有所不同。一个token x3将服务两种角色。当它被用作内容来预测其他标记时，我们可以使用内容表示(通过内容流注意力来学习)来表示x3。但是如果我们想要预测x3，我们应该只知道它的位置而不是它的内容。这就是为什么XLNet使用查询表示(通过查询流注意力来学习)来保留x3之前的上下文信息，只保存x3的位置信息。

为了直观地理解双流自注意力，我们可以认为XLNet用查询表示代替了BERT中的[MASK]。他们只是选择不同的方法做同一件事。

注意力mask：XLNet如何实现重排列？

当我第一次读到这篇文章的时候，我不禁对训练中重排列的实现细节产生了疑惑。如果你们感兴趣，我就简单讲一下。

在第一部分“重排排列语言建模的快速回顾”中，我给出了一个句子[x1, x2, x3, x4] 的排列示例，如下所示。

[('x1', 'x2', 'x3', 'x4'),
 ('x1', 'x2', 'x4', 'x3'),
 ('x1', 'x3', 'x2', 'x4'),
 ('x1', 'x3', 'x4', 'x2'),
 ('x1', 'x4', 'x2', 'x3'),
 ('x1', 'x4', 'x3', 'x2'),
 ('x2', 'x1', 'x3', 'x4'),
 ('x2', 'x1', 'x4', 'x3'),
 ('x2', 'x3', 'x1', 'x4'),
 ('x2', 'x3', 'x4', 'x1'),
 ('x2', 'x4', 'x1', 'x3'),
 ('x2', 'x4', 'x3', 'x1'),
 ('x3', 'x1', 'x2', 'x4'),
 ('x3', 'x1', 'x4', 'x2'),
 ('x3', 'x2', 'x1', 'x4'),
 ('x3', 'x2', 'x4', 'x1'),
 ('x3', 'x4', 'x1', 'x2'),
 ('x3', 'x4', 'x2', 'x1'),
 ('x4', 'x1', 'x2', 'x3'),
 ('x4', 'x1', 'x3', 'x2'),
 ('x4', 'x2', 'x1', 'x3'),
 ('x4', 'x2', 'x3', 'x1'),
 ('x4', 'x3', 'x1', 'x2'),
 ('x4', 'x3', 'x2', 'x1')]

我们很容易误解，我们需要获得一个句子的随机顺序并将其输入到模型中。但事实并非如此。输入语句的顺序是[x1, x2, x3, x4]，XLNet使用注意力掩码来重排列分解因子的顺序。

这个句子的原始顺序是[x1, x2, x3, x4]。我们随机得到一个分解的顺序为[x3, x2, x4, x1]。

左上角是内容表示的计算。如果我们想要预测x1的内容表示，我们应该拥有所有4个token内容信息。KV = [h1, h2, h3, h4]和Q = h1。

左下角是查询表示的计算。如果我们想要预测x1的查询表示，我们不能看到x1本身的内容表示。KV = [h2, h3, h4]，Q = g1。

右下角是整个计算过程。我把它从头到尾解释了一遍。首先，h和g被初始化为e(xi)和w。在内容掩码和查询掩码之后，双流注意力将输出第一层输出h^(1)和g^(1)，然后计算第二层。

注意右边的内容掩码和查询掩码。它们都是矩阵。在内容mask中，第一行有4个红点。这意味着第一个token (x1)可以看到(注意到)所有其他tokens，包括它自己(x3->x2->x4->x1)。第二行有两个红点。这意味着第二个token (x2)可以看到(注意到)两个token(x3->x2)。等等。

内容掩码和查询掩码之间惟一的区别是，查询掩码中的对角元素为0，这意味着token不能看到它们自己。

让我们总结一下。输入的句子只有一个顺序。但是我们可以使用不同的注意力mask来实现不同的分解顺序。

总结

在这篇文章中，我主要解释了XLNet面临的问题是什么，以及如何使用双流自注意力来解决它。我还提到了有关排列注意里mask的一些实现细节。对于结果的比较，你可以从XLNet team中找到最新的发布，它比论文的比较更加公平。

—END—

英文原文：https://towardsdatascience.com/what-is-two-stream-self-attention-in-xlnet-ebfe013a0cf3