一、自注意力机制：Transformer的核心突破

核心思想：让每个位置都能关注序列中所有位置的信息

1.1 Query-Key-Value 抽象模型

import torch
import torch.nn as nn
import math

class SelfAttention(nn.Module):
    def __init__(self, embed_size):
        super().__init__()
        self.embed_size = embed_size
        
        # 创建Q、K、V的线性变换
        self.Wq = nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.Wk = nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.Wv = nn.Linear(embed_size, embed_size)
    
    def forward(self, x):
        # x: [batch_size, seq_len, embed_size]
        Q = self.Wq(x)  # 查询向量
        K = self.Wk(x)  # 键向量
        V = self.Wv(x)  # 值向量
        
        # 注意力分数计算
        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1)) / math.sqrt(self.embed_size)
        attn_weights = torch.softmax(scores, dim=-1)
        
        # 上下文向量
        context = torch.matmul(attn_weights, V)
        return context

QKV角色解析：

• Query（查询）：当前关注的位置（"我在寻找什么？"）
• Key（键）：序列中每个位置的特征（"我能提供什么？"）
• Value（值）：实际传递的信息（"我的真实内容是什么？"）

类比解释：

想象在图书馆查找资料：

Query：你的研究问题 Key：书籍目录的关键词 Value：书籍的实际内容 注意力机制就是根据问题(Q)与关键词(K)的匹配程度，决定从哪些书籍(V)中获取信息

二、Scaled Dot-Product Attention：数学原理与优化

计算公式：

2.1 缩放因子的重要性

# 未缩放的注意力分数问题演示
d_k = 256  # 键向量维度
Q = torch.randn(1, 10, d_k)  # [batch, seq_len, d_k]
K = torch.randn(1, 10, d_k)

# 计算原始分数
scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1))
print("原始分数标准差:", scores.std().item())  # 约500-1000

# 缩放后
scaled_scores = scores / math.sqrt(d_k)
print("缩放后标准差:", scaled_scores.std().item())  # 约1-2

缩放原因：

1. 当 dk 较大时，点积结果方差增大
2. softmax函数对较大输入敏感，容易饱和
3. 缩放保持方差稳定，避免梯度消失

计算过程可视化：

三、Multi-Head Attention：并行化特征学习

核心思想：在不同子空间学习不同模式的注意力

3.1 完整多头注意力实现

class MultiHeadAttention(nn.Module):
    def __init__(self, embed_size, num_heads):
        super().__init__()
        self.embed_size = embed_size
        self.num_heads = num_heads
        self.head_dim = embed_size // num_heads
        
        assert self.head_dim * num_heads == embed_size, "embed_size必须能被num_heads整除"
        
        # 多头线性变换
        self.Wq = nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.Wk = nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.Wv = nn.Linear(embed_size, embed_size)
        self.fc_out = nn.Linear(embed_size, embed_size)
    
    def split_heads(self, x):
        # 重塑张量: [batch, seq_len, embed] -> [batch, num_heads, seq_len, head_dim]
        batch_size = x.size(0)
        return x.view(batch_size, -1, self.num_heads, self.head_dim).transpose(1, 2)
    
    def forward(self, Q, K, V, mask=None):
        batch_size = Q.size(0)
        
        # 线性变换 + 分头
        Q = self.split_heads(self.Wq(Q))
        K = self.split_heads(self.Wk(K))
        V = self.split_heads(self.Wv(V))
        
        # 缩放点积注意力
        scores = torch.matmul(Q, K.transpose(-2, -1)) / math.sqrt(self.head_dim)
        
        # 掩码处理（可选）
        if mask is not None:
            scores = scores.masked_fill(mask == 0, -1e9)
        
        attn_weights = torch.softmax(scores, dim=-1)
        
        # 上下文向量
        context = torch.matmul(attn_weights, V)
        context = context.transpose(1, 2).contiguous().view(
            batch_size, -1, self.embed_size
        )
        
        # 合并多头输出
        return self.fc_out(context)

多头机制解析：

# 示例：8头注意力在512维嵌入空间
embed_size = 512
num_heads = 8

# 每个头的维度
head_dim = embed_size // num_heads  # 64

# 输入序列: [batch, seq_len, 512]
input_tensor = torch.randn(4, 32, 512)

# 分头后: [4, 8, 32, 64] (batch, num_heads, seq_len, head_dim)

多头注意力优势：

1. 并行学习不同关系模式（如近距离依赖、远距离依赖）
2. 扩展模型表达能力而不增加计算复杂度
3. 提供类似卷积的多通道学习能力

四、Transformer完整实现

4.1 编码器层（Encoder Layer）

class TransformerEncoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self, embed_size, num_heads, ff_dim, dropout=0.1):
        super().__init__()
        self.self_attn = MultiHeadAttention(embed_size, num_heads)
        self.feed_forward = nn.Sequential(
            nn.Linear(embed_size, ff_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(ff_dim, embed_size)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(embed_size)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(embed_size)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
    
    def forward(self, x, mask=None):
        # 自注意力子层
        attn_output = self.self_attn(x, x, x, mask)
        x = x + self.dropout(attn_output)  # 残差连接
        x = self.norm1(x)  # 层归一化
        
        # 前馈神经网络子层
        ff_output = self.feed_forward(x)
        x = x + self.dropout(ff_output)
        x = self.norm2(x)
        
        return x

4.2 解码器层（Decoder Layer）

class TransformerDecoderLayer(nn.Module):
    def __init__(self, embed_size, num_heads, ff_dim, dropout=0.1):
        super().__init__()
        self.self_attn = MultiHeadAttention(embed_size, num_heads)
        self.cross_attn = MultiHeadAttention(embed_size, num_heads)
        self.feed_forward = nn.Sequential(
            nn.Linear(embed_size, ff_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(ff_dim, embed_size)
        )
        self.norm1 = nn.LayerNorm(embed_size)
        self.norm2 = nn.LayerNorm(embed_size)
        self.norm3 = nn.LayerNorm(embed_size)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
    
    def forward(self, x, enc_output, src_mask=None, tgt_mask=None):
        # 自注意力（只关注已生成部分）
        attn1 = self.self_attn(x, x, x, tgt_mask)
        x = x + self.dropout(attn1)
        x = self.norm1(x)
        
        # 交叉注意力（关注编码器输出）
        attn2 = self.cross_attn(x, enc_output, enc_output, src_mask)
        x = x + self.dropout(attn2)
        x = self.norm2(x)
        
        # 前馈网络
        ff_output = self.feed_forward(x)
        x = x + self.dropout(ff_output)
        x = self.norm3(x)
        
        return x

五、位置编码：注入序列顺序信息

正弦位置编码公式：

代码实现：

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):
        # x: [batch, seq_len, d_model]
        return x + self.pe[:, :x.size(1), :]

位置编码可视化：

import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.pcolormesh(pe[0].numpy().T, cmap='viridis')
plt.xlabel('位置索引')
plt.ylabel('嵌入维度')
plt.title('位置编码模式')
plt.colorbar()

六、Transformer完整架构

class Transformer(nn.Module):
    def __init__(self, src_vocab_size, tgt_vocab_size, 
                 embed_size=512, num_layers=6, 
                 num_heads=8, ff_dim=2048, dropout=0.1):
        super().__init__()
        
        # 嵌入层
        self.src_embed = nn.Embedding(src_vocab_size, embed_size)
        self.tgt_embed = nn.Embedding(tgt_vocab_size, embed_size)
        self.pos_encoder = PositionalEncoding(embed_size)
        
        # 编码器堆叠
        self.encoder_layers = nn.ModuleList([
            TransformerEncoderLayer(embed_size, num_heads, ff_dim, dropout)
            for _ in range(num_layers)
        ])
        
        # 解码器堆叠
        self.decoder_layers = nn.ModuleList([
            TransformerDecoderLayer(embed_size, num_heads, ff_dim, dropout)
            for _ in range(num_layers)
        ])
        
        # 输出层
        self.fc_out = nn.Linear(embed_size, tgt_vocab_size)
    
    def encode(self, src, src_mask):
        src_embedded = self.pos_encoder(self.src_embed(src))
        for layer in self.encoder_layers:
            src_embedded = layer(src_embedded, src_mask)
        return src_embedded
    
    def decode(self, tgt, enc_output, src_mask, tgt_mask):
        tgt_embedded = self.pos_encoder(self.tgt_embed(tgt))
        for layer in self.decoder_layers:
            tgt_embedded = layer(tgt_embedded, enc_output, src_mask, tgt_mask)
        return self.fc_out(tgt_embedded)
    
    def forward(self, src, tgt, src_mask=None, tgt_mask=None):
        enc_output = self.encode(src, src_mask)
        return self.decode(tgt, enc_output, src_mask, tgt_mask)

Transformer数据流：

七、实战：机器翻译任务

7.1 数据处理

from torchtext.datasets import Multi30k
from torchtext.data import Field, BucketIterator

# 定义字段处理
SRC = Field(tokenize="spacy", tokenizer_language="de", 
            init_token="<sos>", eos_token="<eos>", lower=True)
TRG = Field(tokenize="spacy", tokenizer_language="en", 
            init_token="<sos>", eos_token="<eos>", lower=True)

# 加载数据集
train_data, valid_data, test_data = Multi30k.splits(
    exts=('.de', '.en'), fields=(SRC, TRG))

# 构建词汇表
SRC.build_vocab(train_data, min_freq=2)
TRG.build_vocab(train_data, min_freq=2)

# 创建迭代器
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
train_iterator = BucketIterator(
    train_data, batch_size=64, device=device)

7.2 模型训练

# 初始化模型
model = Transformer(
    src_vocab_size=len(SRC.vocab),
    tgt_vocab_size=len(TRG.vocab),
    embed_size=512,
    num_layers=6,
    num_heads=8,
    ff_dim=2048
).to(device)

# 优化器和损失函数
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.0001)
criterion = nn.CrossEntropyLoss(ignore_index=TRG.vocab.stoi["<pad>"])

# 训练循环
for epoch in range(20):
    model.train()
    for i, batch in enumerate(train_iterator):
        src = batch.src.transpose(0, 1)  # [seq_len, batch] -> [batch, seq_len]
        trg = batch.trg.transpose(0, 1)
        
        # 创建掩码
        src_mask = (src != SRC.vocab.stoi["<pad>"]).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
        trg_mask = (trg != TRG.vocab.stoi["<pad>"]).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
        seq_len = trg.size(1)
        nopeak_mask = torch.triu(torch.ones(1, seq_len, seq_len) == 0
        trg_mask = trg_mask & nopeak_mask.to(device)
        
        # 模型前向
        output = model(src, trg[:, :-1], src_mask, trg_mask[:, :, :-1])
        
        # 计算损失
        output_dim = output.shape[-1]
        output = output.contiguous().view(-1, output_dim)
        trg = trg[:, 1:].contiguous().view(-1)
        
        loss = criterion(output, trg)
        
        # 反向传播
        optimizer.zero_grad()
        loss.backward()
        torch.nn.utils.clip_grad_norm_(model.parameters(), 1)
        optimizer.step()
        
    print(f"Epoch {epoch}: Loss={loss.item():.4f}")

7.3 推理解码

def translate(model, sentence, src_field, trg_field, device, max_len=50):
    model.eval()
    
    # 预处理输入
    tokens = [token.lower() for token in src_field.tokenize(sentence)]
    tokens = [src_field.init_token] + tokens + [src_field.eos_token]
    src_indexes = [src_field.vocab.stoi[token] for token in tokens]
    src_tensor = torch.LongTensor(src_indexes).unsqueeze(0).to(device)
    
    # 编码器输出
    with torch.no_grad():
        src_mask = (src_tensor != src_field.vocab.stoi["<pad>"]).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
        enc_output = model.encode(src_tensor, src_mask)
    
    # 自回归解码
    trg_indexes = [trg_field.vocab.stoi[trg_field.init_token]]
    for i in range(max_len):
        trg_tensor = torch.LongTensor(trg_indexes).unsqueeze(0).to(device)
        
        with torch.no_grad():
            trg_mask = (trg_tensor != trg_field.vocab.stoi["<pad>"]).unsqueeze(1).unsqueeze(2)
            seq_len = trg_tensor.size(1)
            nopeak_mask = torch.triu(torch.ones(1, seq_len, seq_len) == 0
            trg_mask = trg_mask & nopeak_mask.to(device)
            
            output = model.decode(trg_tensor, enc_output, src_mask, trg_mask)
        
        # 获取最后一个词预测
        pred_token = output.argmax(2)[:, -1].item()
        trg_indexes.append(pred_token)
        
        if pred_token == trg_field.vocab.stoi[trg_field.eos_token]:
            break
    
    # 转换为文本
    trg_tokens = [trg_field.vocab.itos[i] for i in trg_indexes]
    return trg_tokens[1:]  # 移除<sos>

# 测试翻译
german_sentence = "Ein Mann l"auft auf einem Feld."
translation = translate(model, german_sentence, SRC, TRG, device)
print("翻译结果:", " ".join(translation))  # "A man is running in a field."

八、自注意力机制变体与优化

8.1 稀疏注意力（降低计算复杂度）

# 局部窗口注意力
def local_attention(Q, K, V, window_size):
    seq_len = Q.size(1)
    output = torch.zeros_like(V)
    
    for i in range(seq_len):
        start = max(0, i - window_size // 2)
        end = min(seq_len, i + window_size // 2 + 1)
        
        # 只计算窗口内注意力
        Q_i = Q[:, i:i+1, :]
        K_win = K[:, start:end, :]
        V_win = V[:, start:end, :]
        
        scores = torch.matmul(Q_i, K_win.transpose(-2, -1)) / math.sqrt(Q.size(-1))
        weights = torch.softmax(scores, dim=-1)
        output[:, i] = torch.matmul(weights, V_win).squeeze(1)
    
    return output

8.2 线性注意力（O(N)复杂度）

def linear_attention(Q, K, V):
    # 特征映射函数
    def phi(x):
        return torch.nn.functional.elu(x) + 1
    
    Q_mapped = phi(Q)
    K_mapped = phi(K)
    
    KV = torch.einsum('nld,nlm->nld', K_mapped, V)
    Z = 1 / (torch.einsum('nld,nl->nd', Q_mapped, K_mapped.sum(dim=1)) + 1e-6)
    return Z.unsqueeze(1) * torch.einsum('nld,ndm->nlm', Q_mapped, KV)

8.3 高效Transformer架构对比

Transformer在AI大模型中的应用：

自注意力机制的本质是动态特征路由。与传统架构相比：

1. CNN：静态局部感受野 → Transformer：动态全局感受野
2. RNN：顺序计算 → Transformer：并行计算
3. 全连接：位置无关 → Transformer：位置感知

掌握Transformer，就掌握了当代AI大模型的通用计算引擎。

大模型时代，火爆出圈的LLM大模型让程序员们开始重新评估自己的本领。

但是LLM相关的内容很多，现在网上的老课程老教材关于LLM又太少。所以现在小白入门就只能靠自学，学习成本和门槛很高。

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