bert预训练实战篇-持续更新

导读

使用bert预训练会遇到很多坑，包括但不限于数据预处理的正确姿势、数据预处理的高效实现、bert单机多卡分布式训练的基本实现，以及如何debug并提升使用单机多卡来进行深度学习训练的性能瓶颈。本篇记录bert预训练遇到的坑以及排坑方法。供大家参考。

凡是涉及训练模型，总要涉及算力和数据，算力决定模型训练的速度，数据决定了训练的模型所能达到的高度。对于大多数人来说，实战平台仅仅是一台Intel CORE i7的CPU，数据只能从网上爬一些或者公开的数据集，这些数据标注量有限，因此无法引入监督训练，即使引入，训练效果也差强人意，采用经典的roberta训练方式即去除next sentence prediction任务后的masked_language_model任务。

步骤分为：训练数据处理、模型训练、模型调优。

1、训练数据处理

使用数据工程技术，对爬取的网页数据进行清洗，使用正则表达式过滤掉无用的符号（</>），一些HTML标签中包含比较复杂的css样式。可使用Beautifulshop中的html格式化方法，将style属性过滤掉，代码如下：

其中，decompose方法递归删除符合条件的所有标签。

此外，还有一些字符无法删除，可以使用规则进行过滤。

2、模型训练和调优

将数据喂给bert后，当数据量超过一定量级（百万级别），模型执行效率需要引起重视，因此，需要根据训练数据优化原始模型。可从以下几点进行：

1. 原始代码中，对于原始数据格式的要求是每个文章先分句，然后每个句子一行，文章与文章之间使用空行来分隔。而在制作训练数据时，又需要通过循环读取每行文本，将同一篇文章的句子进行聚合，代码如下：

这种方式相当于会对大数据量的列表进行循环，效率比较低。因此，我建议可以在前面做数据清洗的时候就进行分句，然后将一篇文章转换为句子列表，最后整体外面再包一层列表，中间临时保存文件可以保存成json文件。上述代码即可直接用json的load来代替。

1. 将每个文章句子列表整合后，就会对文档列表循环，执行wwm的核心逻辑。这里还是需要有大量的循环操作，效率还是非常低的。此时，要优化性能的话，可以引入python的多进程，跑并发任务。我的CPU是8核的，因此并发数可以设为8。具体多进程实现可以参考苏神的bert4keras中的实现：

   def parallel_apply( func, iterable, workers, max_queue_size, callback=None, dummy=False, random_seeds=True ): “”“多进程或多线程地将func应用到iterable的每个元素中。 注意这个apply是异步且无序的，也就是说依次输入a,b,c，但是 输出可能是func©, func(a), func(b)。 参数： callback: 处理单个输出的回调函数； dummy: False是多进程/线性，True则是多线程/线性； random_seeds: 每个进程的随机种子。 “””

   大概原理就是使用python的Pool机制，将每个样本的处理操作封装成一个work_step。另外定义两个queue，一个用于存放输入数据，一个用于存放work_step输出的结果。最后可以定义一些后处理操作比如保存到最终结果列表等。

   通过上述多进程改造后，性能提升非常明显，提升率足有200%-300%。同等情况下，处理30万篇文档，现在只要1.5小时。

2. 另外一个可以使用多进程优化的地方在write_instance_to_example_files。原始代码中，它主要是遍历每个instance，然后生成tf的Example写到tfrecord中。这里的循环也可以使用多进程来改造优化，不过有一点需要注意，即将tf.Example写到tfrecord的操作最好放在后处理的function中，如果放在work_step中，会导致并发执行的时候，写文件紊乱，最后生成tfrecord会格式错误。通过本步骤的优化，同样能够让性能提升200%。结合上述步骤，处理30万篇文档，现在只要50分钟左右
3. 原始代码使用的tokenization也是一个可以优化性能的点。我使用了huggingface的tokenizer代替了原始的tokenization，它是有ruby开发的一个高性能的切词工具，里面内置了bert的wordpiece分词模型，相对于原始python实现的分词方法，它在性能上能够带来20-30%左右的提升。
4. 中文分句工具方面也是一个可以关注的点。原本我是准备用百度的lac来做分词，但是发现它的执行效率还是比不上结巴分词。另外，我在github上还发现了结巴分词的性能提升版fast_jieba，它是用C++来重新实现的，因此效率上更加高效。最后该项改造能够为整体性能带来10%左右的提升。

当前开源的中文通用BERT模型，大多是使用谷歌的TPU训练的，这种情况下，一般是不需要考虑性能调优的工作，你尽可以将batch size设为很大的值，然后使用LAMB优化器来加速训练收敛。TPU的显存一般至少得有128G，而且针对深度学习训练有专门的优化。然而，对于我们个人以及公司场景来说，使用TPU不现实。一个是成本太高，另一个是公司的数据一般属于隐私数据，是不能随意外传的，因此只能使用传统的GPU甚至CPU来训练。以上方法目标是希望能尽量缩短bert训练的时间。

[1] 我不太懂BERT系列——BERT预训练实操总结 https://zhuanlan.zhihu.com/p/337212893

[2] BERT实战（源码分析+踩坑） https://zhuanlan.zhihu.com/p/58471554