【BERT】BERT 是如何分词的
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2021-01-15 16:34
来自 | 知乎
地址 | https://zhuanlan.zhihu.com/p/132361501
作者 | Alan Lee
BERT 表示 Bidirectional Encoder Representations from Transformers，是 Google 于 2018 年发布的一种语言表示模型。该模型一经发布便成为争相效仿的对象，相信大家也都多少听说过研究过了。本文主要聚焦于 BERT 的分词方法，后续再谈模型实现细节。
BERT 源码中 tokenization.py 就是预处理进行分词的程序，主要有两个分词器：BasicTokenizer 和 WordpieceTokenizer，另外一个 FullTokenizer 是这两个的结合：先进行 BasicTokenizer 得到一个分得比较粗的 token 列表，然后再对每个 token 进行一次WordpieceTokenizer，得到最终的分词结果。
为了能直观看到每一步处理效果，我会用下面这个贯穿始终的例子来说明，该句修改自 Keras 的维基百科介绍：
example = "Keras是ONEIROS（Open-ended Neuro-Electronic Intelligent Robot Operating System，开放式神经电子智能机器人操作系统）项目研究工作的部分产物[3]，主要作者和维护者是Google工程师François Chollet。\r\n"对于中文来说，一句话概括：BERT 采取的是「分字」，即每一个汉字都切开。
BasicTokenizer
BasicTokenizer（以下简称 BT）是一个初步的分词器。对于一个待分词字符串，流程大致就是转成 unicode -> 去除各种奇怪字符 -> 处理中文 -> 空格分词 -> 去除多余字符和标点分词 -> 再次空格分词，结束。
大致流程就是这样，还有很多细节，下面我依次说下。
转成 unicode
转成 unicode 这步对应于 convert_to_unicode(text) 函数，很好理解，就是将输入转成 unicode 字符串，如果你用的 Python 3 而且输入是 str 类型，那么这点无需担心，输入和输出一样；如果是 Python 3 而且输入类型是 bytes，那么该函数会使用 text.decode("utf-8", "ignore") 来转成 unicode 类型。如果你用的是 Python 2，那么请看 Sunsetting Python 2 support 和 Python 2.7 Countdown ，Just drop it。
经过这步后，example 和原来相同：
>>> example = convert_to_unicode(example)
>>> example
'Keras是ONEIROS（Open-ended Neuro-Electronic Intelligent Robot Operating System，开放式神经电子智能机器人操作系统）项目研究工作的部分产物[3]，主要作者和维护者是Google工程师François Chollet。\r\n'去除各种奇怪字符
去除各种奇怪字符对应于 BT 类的 _clean_text(text) 方法，通过 Unicode 码位（Unicode code point，以下码位均指 Unicode 码位）来去除各种不合法字符和多余空格，包括：
Python 中可以通过ord(c)来获取字符c的码位，使用chr(i)来获取码位为i的 Unicode 字符，$0 \leq i \leq \text{0x10ffff}$，即十进制的 $[0, 1114111]$。
码位为 0 的
\x00，即空字符（Null character），或叫结束符，肉眼不可见，属于控制字符，一般在字符串末尾。注意不是空格，空格的码位是 32码位为 0xfffd（十进制 65533）的
�，即替换字符（REPLACEMENT CHARACTER），通常用来替换未知、无法识别或者无法表示的字符除
\t、\r和\n以外的控制字符（Control character），即 Unicode 类别是Cc和Cf的字符。可以使用unicodedata.category(c)来查看c的 Unicode 类别。代码中用_is_control(char)来判断char是不是控制字符将所有空白字符转换为一个空格，包括标准空格、
\t、\r、\n以及 Unicode 类别为Zs的字符。代码中用_is_whitespace(char)来判断char是不是空白字符
经过这步后，example 中的 \r\n 被替换成两个空格：
>>> example = _clean_text(example)
>>> example
'Keras是ONEIROS（Open-ended Neuro-Electronic Intelligent Robot Operating System，开放式神经电子智能机器人操作系统）项目研究工作的部分产物[3]，主要作者和维护者是Google工程师François Chollet。'处理中文
处理中文对应于 BT 类的 _tokenize_chinese_chars(text) 方法。对于 text 中的字符，首先判断其是不是「中文字符」（关于中文字符的说明见下方引用块说明），是的话在其前后加上一个空格，否则原样输出。那么有一个问题，如何判断一个字符是不是「中文」呢？
_is_chinese_char(cp) 方法，cp 就是刚才说的码位，通过码位来判断，总共有 81520 个字，详细的码位范围如下（都是闭区间）：
[0x4E00, 0x9FFF]：十进制 [19968, 40959]
[0x3400, 0x4DBF]：十进制 [13312, 19903]
[0x20000, 0x2A6DF]：十进制 [131072, 173791]
[0x2A700, 0x2B73F]：十进制 [173824, 177983]
[0x2B740, 0x2B81F]：十进制 [177984, 178207]
[0x2B820, 0x2CEAF]：十进制 [178208, 183983]
[0xF900, 0xFAFF]：十进制 [63744, 64255]
[0x2F800, 0x2FA1F]：十进制 [194560, 195103]
其实我觉得这个范文可以再精简下，因为有几个区间是相邻的，下面三个区间：
[0x2A700, 0x2B73F]：十进制 [173824, 177983]
[0x2B740, 0x2B81F]：十进制 [177984, 178207]
[0x2B820, 0x2CEAF]：十进制 [178208, 183983]
可以精简成一个：
[0x2A700, 0x2CEAF]：十进制 [173824, 183983]
原来的 8 个区间精简成 6 个，至于原来为什么写成 8 个，I don't know 啊
关于「中文字符」的说明：按照代码中的定义，这里说的「中文字符」指的是 CJK Unicode block 中的字符，包括现代汉语、部分日语、部分韩语和越南语。但是根据 CJK Unicode block 中的定义，这些字符只包括第一个码位区间（[0x4E00, 0x9FFF]）内的字符，也就是说代码中的字符要远远多于 CJK Unicode block 中包括的字符，这一点暂时有些疑问。我把源码关于这块的注释引用过来如下：
def _is_chinese_char(self, cp):
"""Checks whether CP is the codepoint of a CJK character."""
# This defines a "chinese character" as anything in the CJK Unicode block:
# https://en.wikipedia.org/wiki/CJK_Unified_Ideographs_(Unicode_block)
#
# Note that the CJK Unicode block is NOT all Japanese and Korean characters,
# despite its name. The modern Korean Hangul alphabet is a different block,
# as is Japanese Hiragana and Katakana. Those alphabets are used to write
# space-separated words, so they are not treated specially and handled
# like the all of the other languages.
pass经过这步后，中文被按字分开，用空格分隔，但英文数字等仍然保持原状：
>>> example = _tokenize_chinese_chars(example)
>>> example
'Keras 是 ONEIROS（Open-ended Neuro-Electronic Intelligent Robot Operating System， 开 放 式 神 经 电 子 智 能 机 器 人 操 作 系 统 ） 项 目 研 究 工 作 的 部 分 产 物 [3]， 主 要 作 者 和 维 护 者 是 Google 工 程 师 François Chollet。'空格分词
空格分词对应于 whitespace_tokenize(text) 函数。首先对 text 进行 strip() 操作，去掉两边多余空白字符，然后如果剩下的是一个空字符串，则直接返回空列表，否则进行 split() 操作，得到最初的分词结果 orig_tokens。
经过这步后，example 变成一个列表：
>>> example = whitespace_tokenize(example)
>>> example
['Keras', '是', 'ONEIROS（Open-ended', 'Neuro-Electronic', 'Intelligent', 'Robot', 'Operating', 'System，', '开', '放', '式', '神', '经', '电', '子', '智', '能', '机', '器', '人', '操', '作', '系', '统', '）', '项', '目', '研', '究', '工', '作', '的', '部', '分', '产', '物', '[3]，', '主', '要', '作', '者', '和', '维', '护', '者', '是', 'Google', '工', '程', '师', 'François', 'Chollet。']去除多余字符和标点分词
接下来是针对 orig_tokens 的分词结果进一步处理，代码如下：
for token in orig_tokens:
if self.do_lower_case:
token = token.lower()
token = self._run_strip_accents(token)
split_tokens.extend(self._run_split_on_punc(token))逻辑不复杂，我在这里主要说下 _run_strip_accents 和 _run_split_on_punc。
_run_strip_accents(text) 方法用于去除 accents，即变音符号，那么什么是变音符号呢？像 Keras 作者 François Chollet 名字中些许奇怪的字符 ç、简历的英文 résumé 中的 é 和中文拼音声调 á 等，这些都是变音符号 accents，维基百科中描述如下：
附加符号或称变音符号（diacritic、diacritical mark、diacritical point、diacritical sign），是指添加在字母上面的符号，以更改字母的发音或者以区分拼写相似词语。例如汉语拼音字母“ü”上面的两个小点，或“á”、“à”字母上面的标调符。
常见 accents 可参见 Common accented characters。
_run_strip_accents(text) 方法就是要把这些 accents 去掉，例如 François Chollet 变成Francois Chollet，résumé 变成 resume，á 变成 a。该方法代码不长，如下：
def _run_strip_accents(self, text):
"""Strips accents from a piece of text."""
text = unicodedata.normalize("NFD", text)
output = []
for char in text:
cat = unicodedata.category(char)
if cat == "Mn":
continue
output.append(char)
return "".join(output)使用列表推导式代码还可以进一步精简为：
def _run_strip_accents(self, text):
"""Strips accents from a piece of text."""
text = unicodedata.normalize("NFD", text)
output = [char for char in text if unicodedata.category(char) != 'Mn']
return "".join(output)这段代码核心就是 unicodedata.normalize 和 unicodedata.category 两个函数。前者返回输入字符串 text 的规范分解形式（Unicode 字符有多种规范形式，本文默认指 NFD 形式，即规范分解），后者返回输入字符 char 的 Unicode 类别。下面我举例说明一下两个函数的作用。
假如我们要处理 āóǔè，其中含有变音符号，这种字符其实是由两个字符组成的，比如 ā（码位 0x101）是由 a（码位 0x61）和 上面那一横（码位 0x304）组成的，通过unicodedata.normalize 就可以把这两者拆分出来：
>>> import unicodedata # unicodedata 是内置库
>>> s = 'āóǔè'
>>> s_norm = unicodedata.normalize('NFD', s)
>>> s_norm, len(s_norm)('āóǔè', 8) # 看起来和原来的一摸一样，但是长度已经变了
unicodedata.category
用来返回各个字符的类别：
>>> ' '.join(unicodedata.category(c) for c in s_norm)
'Ll Mn Ll Mn Ll Mn Ll Mn'
href="https://www.compart.com/en/unicode/category/Ll">Ll 类别 表示 Lowercase Letter，小写字母。href="https://www.compart.com/en/unicode/category/Mn">Mn 类别 表示的是 Nonspacing Mark，非间距标记，变音字符就属于这类，所以我们可以根据类别直接去掉变音字符：
>>> ''.join(c for c in s_norm if unicodedata.category(c) != 'Mn')
'aoue'_run_split_on_punc(text) 是标点分词，按照标点符号分词。
_run_split_on_punc(text)方法是针对上一步空格分词后的每个 token 的。
在说这个方法之前，先说一下判断一个字符是否是标点符号的函数：_is_punctuation(char)。该函数代码不长，我放到下面：
def _is_punctuation(char):
"""Checks whether `chars` is a punctuation character."""
cp = ord(char)
if ((cp >= 33 and cp <= 47) or (cp >= 58 and cp <= 64) or
(cp >= 91 and cp <= 96) or (cp >= 123 and cp <= 126)):
return True
cat = unicodedata.category(char)
if cat.startswith("P"):
return True
return False通常我们会用一个类似词库的文件来存放所有的标点符号，而 _is_punctuation 函数是通过码位来判断的，这样更灵活，也不必保留一个额外的词库文件。具体是有两种情况会视为标点：ASCII中除了字母和数字意外的字符和以 P 开头的 Unicode 类别中的字符。第一种情况总共有 32 个字符，如下：
!"#$%&'()*+,-./:;<=>?@[\]^_`{|}~_run_split_on_punc 的总体过程就是：
1. 首先设置
start_new_word=True和output=[]，output就是最终的输出2. 对
text中每个字符进行判断，如果该字符是标点，则output.append([char])，并设置start_new_word=True3. 如果不是标点且
start_new_word=True，那么意味着这是新一段的开始，直接output.append([])，然后再设置start_new_word = False，并在刚才 append 的空列表上加上当前字符：output[-1].append(char)
现在得到的 output 是一个嵌套列表，其中每一个列表都是被标点分开的一段，最后把每个列表 join 拼接一下，拉平 output 即可。
经过这步后，原先没有被分开的字词标点（例如 ONEIROS（Open-ended）、没有去掉的变音符号（例如 ç）都被相应处理：
>>> example
['keras', '是', 'oneiros', '（', 'open', '-', 'ended', 'neuro', '-', 'electronic', 'intelligent', 'robot', 'operating', 'system', '，', '开', '放', '式', '神', '经', '电', '子', '智', '能', '机', '器', '人', '操', '作', '系', '统', '）', '项', '目', '研', '究', '工', '作', '的', '部', '分', '产', '物', '[', '3', ']', '，', '主', '要', '作', '者', '和', '维', '护', '者', '是', 'google', '工', '程', '师', 'francois', 'chollet', '。']再次空格分词
这句对应于如下代码：
output_tokens = whitespace_tokenize(" ".join(split_tokens))很简单，就是先用标准空格拼接上一步的处理结果，再执行空格分词。（But WHY?）
经过这步后，和上步结果一样：
>>> example
['keras', '是', 'oneiros', '（', 'open', '-', 'ended', 'neuro', '-', 'electronic', 'intelligent', 'robot', 'operating', 'system', '，', '开', '放', '式', '神', '经', '电', '子', '智', '能', '机', '器', '人', '操', '作', '系', '统', '）', '项', '目', '研', '究', '工', '作', '的', '部', '分', '产', '物', '[', '3', ']', '，', '主', '要', '作', '者', '和', '维', '护', '者', '是', 'google', '工', '程', '师', 'francois', 'chollet', '。']这就是 BT 最终的输出了。
WordpieceTokenizer
WordpieceTokenizer（以下简称 WPT）是在 BT 结果的基础上进行再一次切分，得到子词（subword，以 ## 开头），词汇表就是在此时引入的。该类只有两个方法：一个初始化方法__init__(self, vocab, unk_token="[UNK]", max_input_chars_per_word=200)，一个分词方法tokenize(self, text)。
对于中文来说，使不使用 WPT 都一样，因为中文经过 BasicTokenizer 后已经变成一个字一个字了，没法再「子」了
__init__(self, vocab, unk_token="[UNK]", max_input_chars_per_word=200)：vocab 就是词汇表，collections.OrderedDict() 类型，由 load_vocab(vocab_file) 读入，key 为词汇，value 为对应索引，顺序依照 vocab_file 中的顺序。有一点需要注意的是，词汇表中已包含所有可能的子词。unk_token 为未登录词的标记，默认为 [UNK]。max_input_chars_per_word 为单个词的最大长度，如果一个词的长度超过这个最大长度，那么直接将其设为 unk_token。
tokenize(self, text)：该方法就是主要的分词方法了，大致分词思路是按照从左到右的顺序，将一个词拆分成多个子词，每个子词尽可能长。按照源码中的说法，该方法称之为 greedy longest-match-first algorithm，贪婪最长优先匹配算法。
开始时首先将 text 转成 unicode，并进行空格分词，然后依次遍历每个词。为了能够清楚直观地理解遍历流程，我特地制作了一个 GIF 来解释，以 unaffable 为例：
注：
蓝色底色表示当前子字符串，对应于代码中的
cur_substr当从第一个位置开始遍历时，不需要在当前字串前面加
##，否则需要
大致流程说明（虽然我相信上面那个 GIF 够清楚了）：
1. 从第一个位置开始，由于是最长匹配，结束位置需要从最右端依次递减，所以遍历的第一个子词是其本身
unaffable，该子词不在词汇表中2. 结束位置左移一位得到子词
unaffabl，同样不在词汇表中3. 重复这个操作，直到
un，该子词在词汇表中，将其加入output_tokens，以第一个位置开始的遍历结束4. 跳过
un，从其后的a开始新一轮遍历，结束位置依然是从最右端依次递减，但此时需要在前面加上##标记，得到##affable不在词汇表中5. 结束位置左移一位得到子词
##affabl，同样不在词汇表中6. 重复这个操作，直到
##aff，该字词在词汇表中，将其加入output_tokens，此轮遍历结束7. 跳过
aff，从其后的a开始新一轮遍历，结束位置依然是从最右端依次递减。##able在词汇表中，将其加入output_tokensable后没有字符了，整个遍历结束
将 BT 的结果输入给 WPT，那么 example 的最终分词结果就是
['keras', '是', 'one', '##iros', '（', 'open', '-', 'ended', 'neu', '##ro', '-', 'electronic', 'intelligent', 'robot', 'operating', 'system', '，', '开', '放', '式', '神', '经', '电', '子', '智', '能', '机', '器', '人', '操', '作', '系', '统', '）', '项', '目', '研', '究', '工', '作', '的', '部', '分', '产', '物', '[', '3', ']', '，', '主', '要', '作', '者', '和', '维', '护', '者', '是', 'google', '工', '程', '师', 'franco', '##is', 'cho', '##llet', '。']至此，BERT 分词部分结束。
Reference
[1810.04805] BERT: Pre-training of Deep Bidirectional Transformers for Language Understanding
bert/tokenization.py at master · google-research/bert
How to replace accented characters in python? - Stack Overflow
What is the best way to remove accents in a Python unicode string? - Stack Overflow
Accents & Accented Characters - Fonts.com | Fonts.com
Common accented characters | Butterick’s Practical Typography
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