随机分词与tokenizer(BPE-＞BBPE-＞Wordpiece-＞Unigram-＞sentencepiece-＞bytepiece)

0 tokenizer综述

• 根据不同的切分粒度可以把tokenizer分为: 基于词的切分，基于字的切分和基于subword的切分。 基于subword的切分是目前的主流切分方式。
• subword的切分包括: BPE(/BBPE), WordPiece 和 Unigram三种分词模型。其中WordPiece可以认为是一种特殊的BPE。
• 完整的分词流程包括：文本归一化，预切分，基于分词模型的切分，后处理。
• SentencePiece是一个分词工具，内置BEP等多种分词方法，基于Unicode编码并且将空格视为特殊的token。这是当前大模型的主流分词方案。

BPE：GPT, GPT-2, GPT-J, GPT-Neo, RoBERTa, BART, LLaMA, ChatGLM-6B, Baichuan
WordPiece：BERT, DistilBERT，MobileBERT
Unigram：AlBERT, T5, mBART, XLNet

中文分词&新词发现

1 基于subword的切分

基于词和字的切分都会存在一定的问题，直接应用的效果比较差。
基于词的切分，会造成:

词表规模过大
一定会存在UNK，造成信息丢失
不能学习到词缀之间的关系，例如：dog与dogs，happy与unhappy

基于字的切分，会造成:

每个token的信息密度低
序列过长，解码效率很低

所以基于词和基于字的切分方式是两个极端，其优缺点也是互补的。而折中的subword就是一种相对平衡的方案。

基于subword的切分能很好平衡基于词切分和基于字切分的优缺点，也是目前主流最主流的切分方式。
subword的基本切分原则是：

高频词依旧切分成完整的整词
低频词被切分成有意义的子词，例如 dogs => [dog, ##s]

基于subword的切分可以实现：

词表规模适中，解码效率较高
不存在UNK，信息不丢失
能学习到词缀之间的关系

基于subword的切分包括：BPE，WordPiece 和 Unigram 三种分词模型。

1.1 处理流程概述

• 归一化:最基础的文本清洗，包括删除多余的换行和空格，转小写，移除音调等。
  HuggingFace tokenizer的实现： https://huggingface.co/docs/tokenizers/api/normalizers
• 预分词:把句子切分成更小的“词”单元。可以基于空格或者标点进行切分。 不同的tokenizer的实现细节不一样。例如:
  pre-tokenize:
  [BERT]: [(‘Hello’, (0, 5)), (‘,’, (5, 6)), (‘how’, (7, 10)), (‘are’, (11, 14)), (‘you’, (16, 19)), (‘?’, (19, 20))]
  [GPT2]: [(‘Hello’, (0, 5)), (‘,’, (5, 6)), (‘?how’, (6, 10)), (‘?are’, (10, 14)), (‘?’, (14, 15)), (‘?you’, (15, 19)), (‘?’, (19, 20))]
  [t5]: [(‘▁Hello,’, (0, 6)), (‘▁how’, (7, 10)), (‘▁are’, (11, 14)), (‘▁you?’, (16, 20))]
  可以看到BERT的tokenizer就是直接基于空格和标点进行切分。
  GPT2也是基于空格和标签，但是空格会保留成特殊字符“?”。
  T5则只基于空格进行切分，标点不会切分。并且空格会保留成特殊字符"▁"，并且句子开头也会添加特殊字符"▁"。
  预分词的实现： https://huggingface.co/docs/tokenizers/api/pre-tokenizers
• 基于分词模型的切分:不同分词模型具体的切分方式。分词模型包括：BPE，WordPiece 和 Unigram 三种分词模型。
  分词模型的实现： https://huggingface.co/docs/tokenizers/api/models
• 后处理:后处理阶段会包括一些特殊的分词逻辑，例如添加sepcial token：[CLS],[SEP]等。
  后处理的实现： https://huggingface.co/docs/tok

1.2 BPE

Byte-Pair Encoding(BPE)是最广泛采用的subword分词器。

训练方法：从字符级的小词表出发，训练产生合并规则以及一个词表
编码方法：将文本切分成字符，再应用训练阶段获得的合并规则
经典模型：GPT, GPT-2, RoBERTa, BART, LLaMA, ChatGLM等

因为BPE是从字符级别的小词表，逐步合并成大词表，所以需要先获得字符级别的小词表。
基于word2splits统计vocabs中相邻两个pair的词频pair2count
经过统计，当前频率最高的pair为: (‘?’, ‘t’)， 频率为7次。 将(‘?’, ‘t’)合并成一个词并添加到词表中。同时在合并规则中添加(‘?’, ‘t’)这条合并规则。
根据更新后的vocab重新对word2count进行切分。具体实现上，可以直接在旧的word2split上应用新的合并规则(‘?’, ‘t’)
从而获得新的word2split
重复上述循环直到整个词表的大小达到预先设定的词表大小。

在推理阶段，给定一个句子，我们需要将其切分成一个token的序列。 具体实现上需要先对句子进行预分词并切分成字符级别的序列，然后根据合并规则进行合并。

BPE 的适用范围
BPE 一般适用在欧美语言拉丁语系中，因为欧美语言大多是字符形式，涉及前缀、后缀的单词比较多。而中文的汉字一般不用 BPE 进行编码，因为中文是字无法进行拆分。对中文的处理通常只有分词和分字两种。理论上分词效果更好，更好的区别语义。分字效率高、简洁，因为常用的字不过 3000 字，词表更加简短。

1.3 BBPE

2019年提出的Byte-level BPE (BBPE)算法是上面BPE算法的进一步升级。具体参见：Neural Machine Translation with Byte-Level Subwords。 核心思想是用byte来构建最基础的词表而不是字符。首先将文本按照UTF-8进行编码，每个字符在UTF-8的表示中占据1-4个byte。 在byte序列上再使用BPE算法，进行byte level的相邻合并。编码形式如下图所示：

通过这种方式可以更好的处理跨语言和不常见字符的特殊问题(例如，颜文字)，相比传统的BPE更节省词表空间（同等词表大小效果更好），每个token也能获得更充分的训练。

但是在解码阶段，一个byte序列可能解码后不是一个合法的字符序列，这里需要采用动态规划的算法进行解码，使其能解码出尽可能多的合法字符。具体算法如下： 假定f(k)表示字符序列B(1,k)最大能解码的合法字符数量，f(k)有最优的子结构：

1.4 WordPiece

WordPiece分词与BPE非常类似，只是在训练阶段合并pair的策略不是pair的频率而是互信息。
这里的动机是一个pair的频率很高，但是其中pair的一部分的频率更高，这时候不一定需要进行该pair的合并。 而如果一个pair的频率很高，并且这个pair的两个部分都是只出现在这个pair中，就说明这个pair很值得合并。

训练方法：从字符级的小词表出发，训练产生合并规则以及一个词表
编码方法：将文本切分成词，对每个词在词表中进行最大前向匹配
经典模型：BERT及其系列DistilBERT，MobileBERT等

在训练环节，给定语料，通过训练算法，生成最终的词表。 WordPiece算法也是从一个字符级别的词表为基础，逐步扩充成大词表。合并规则为选择相邻pair互信息最大的进行合并。

def _compute_pair2score(word2splits, word2count):
    """
    计算每个pair的分数
    score=(freq_of_pair)/(freq_of_first_element×freq_of_second_element)
    :return:
    """
    vocab2count = defaultdict(int)
    pair2count = defaultdict(int)
    for word, word_count in word2count.items():
        splits = word2splits[word]
        if len(splits) == 1:
            vocab2count[splits[0]] += word_count
            continue
        for i in range(len(splits) - 1):
            pair = (splits[i], splits[i + 1])
            vocab2count[splits[i]] += word_count
            pair2count[pair] += word_count
        vocab2count[splits[-1]] += word_count
    scores = {
        pair: freq / (vocab2count[pair[0]] * vocab2count[pair[1]])
        for pair, freq in pair2count.items()
    }
    return scores

1.5 Unigram

Unigram分词与BPE和WordPiece不同，是基于一个大词表逐步裁剪成一个小词表。
通过Unigram语言模型计算删除不同subword造成的损失来衡量subword的重要性，保留重要性较高的子词。

训练方法：从包含字符和全部子词的大词表出发，逐步裁剪出一个小词表，并且每个词都有自己的分数。
编码方法：将文本切分成词，对每个词基于Viterbi算法求解出最佳解码路径。
经典模型：AlBERT, T5, mBART, Big Bird, XLNet

在训练环节，目标是给定语料，通过训练算法，生成最终的词表，并且每个词有自己的概率值。 Unigram算法是从大词表为基础，逐步裁剪成小词表。裁剪规则是根据Unigram语言模型的打分依次裁剪重要度相对较低的词。
首先进行预切分处理。这里采用xlnet的预切分逻辑。具体会按照空格进行切分，标点不会切分。并且空格会保留成特殊字符"▁"，句子开头也会添加特殊字符"▁"。
获得的pre_tokenized_corpus如下，每个单元分别为[word, (start_index, end_index)]
统计词表的全部子词和词频，取前300个词，构成最初的大词表。为了避免OOV，char级别的词均需要保留。
进一步统计每个子词的概率，并转换成Unigram里的loss贡献
基于每个子词的loss以及Viterbi算法就可以求解出，输入的一个词的最佳分词路径。即整体语言模型的loss最小。词的长度为N，解码的时间复杂度为O(N^2)。
尝试移除model中的一个子词，并计算移除后新的model在全部语料上的loss，从而获得这个子词的score，即删除这个子词使得loss新增的量。
为了提升迭代效率，批量删除前10%的结果，即让整体loss增量最小的前10%的词。(删除这些词对整体loss的影响不大。)
获得新的词表后，重新计算每个词的概率，获得新的模型。并重复以上步骤，直到裁剪到词表大小符合要求。

初始时，建立一个足够大的词表。一般，可用语料中的所有字符加上常见的子字符串初始化词表，也可以通过BPE算法初始化。
针对当前词表，用EM算法求解每个子词在语料上的概率。
对于每个子词，计算当该子词被从词表中移除时，总的loss降低了多少，记为该子词的loss。
将子词按照loss大小进行排序，丢弃一定比例loss最小的子词(比如20%)，保留下来的子词生成新的词表。这里需要注意的是，单字符不能被丢弃，这是为了避免OOV情况。
重复步骤2到4，直到词表大小减少到设定范围。
可以看出，ULM会保留那些以较高频率出现在很多句子的分词结果中的子词，因为这些子词如果被丢弃，其损失会很大。

1.6 SentencePiece

SentencePiece是Google出的一个分词工具:
内置BPE，Unigram，char和word的分词方法无需预分词，以unicode方式直接编码整个句子，空格会被特殊编码为▁
相比传统实现进行优化，分词速度速度更快

当前主流的大模型都是基于sentencepiece实现，例如ChatGLM的tokenizer。

byte回退
当SentencePiece在训练BPE的时开启–byte_fallback, 在效果上类似BBPE，遇到UNK会继续按照byte进行进一步的切分。参见：https://github.com/google/sentencepiece/issues/621 具体实现上是将<0x00> … <0xFF>这256个token添加到词表中。
分析ChatGLM的模型，可以发现ChatGLM就是开启了–byte_fallback
同样的方法，可以验证LLaMA, ChatGLM-6B, Baichuan这些大模型都是基于sentencepiece实现的BPE的分词算法，并且采用byte回退。

参考链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/651430181

1.7 bytepiece

一个理想的Tokenizer应该是怎样的，这样才能判断最终是否达到了预期。照笔者看来，Tokenizer至少应该具备如下基本特性：
1、无损重构：分词结果应该可以无损还原为输入；
2、高压缩率：词表大小相同时，同一批数据的tokens数应该尽可能少；
3、语言无关：基于统计，训练和分词过程都不应引入语言特性；
4、数据驱动：可以直接基于原始语料进行无监督训练；
5、训练友好：能够在合理的时间和配置上完成训练过程。
最后，还有一些加分项，比如分词速度快、代码易读、方便二次拓展等，这些满足自然最好，但笔者认为可以不列入基本特性里边。

对于笔者来说，SentencePiece最大的槽点就是“无损重构”和“训练友好”。
首先，SentencePiece默认会进行NFKC normalization，这会导致“全角逗号转半角逗号”等不可逆变化，所以默认情况下它连“无损重构”都不满足，所以很长时间里它都不在笔者的候选名单中，直到后来发现，在训练时添加参数–normalization_rule_name=identity就可以让它不做任何转换。所以SentencePiece算是支持无损重构，只不过要特别设置。
至于训练方面，就更让人抓狂了。SentencePiece支持BPE和Unigram两种主流算法，Unigram训练速度尚可，但压缩率会稍低一些，BPE的压缩率更高，但是训练速度要比Unigram慢上一个数量级！而且不管是BPE还是Unigram，训练过程都极费内存。总而言之，用较大的语料去训练一个SentencePiece模型真不是一种好的体验。

1.7.1 byte-based

我们知道，Python3的默认字符串类型是Unicode，如果以Unicode为基本单位，我们称之为Char-based。Char-based很直观方便，汉字表现为长度为1的单个字符，但不同语言的Char实在太多，即便只是覆盖单字都需要消耗非常大的vocab_size，更不用说引入Word。所以BytePiece跟主流的Tokenizer一样，以Byte为基本单位。

回到Byte之后，很多问题都“豁然开朗”了。因为不同的单Byte只有256个，所以只要词表里包含了这256个单Byte，那么就可以杜绝OOV（Out of Vocabulary），这是它显而易见的好处。
此外，我们知道汉字的平均信息熵要比英文字母的平均信息熵要大，如果我们选择Char-based，那么虽然每个Char表面看起来长度都是1，但“内在”的颗粒度不一样，这会导致统计结果有所偏置。相比之下，每个Byte的信息熵则更加均匀【比如，大部分汉字的UTF-8编码对应3个Byte，而汉字的平均信息熵正好是英文字母（对应一个Byte）的2～3倍左右】，因此用Byte的统计结果会更加无偏，这将会使得模型更加“语言无关”。

在Byte-based方面，BytePiece比SentencePiece更彻底，SentencePiece是先以Char-based进行处理，然后遇到OOV再以Byte-based处理，BytePiece则是在一开始就将文本通过text.encode()转为Bytes，然后才进行后续操作，相比之下更加纯粹。

1.7.2 分词算法

基于词典进行分词的算法无非就那几种，比如最大匹配、最短路径、最大概率路径等，

跟jieba等中文分词工具一样，BytePiece选择的是最大概率路径分词，也称“一元文法模型”，即Unigram。

选择Unigram有三方面的考虑：
第一，Unigram的最大概率换言之就是最大似然，而LLM的训练目标也是最大似然，两者更加一致；
第二，从压缩的角度看，最大概率实际上就是最短编码长度（也叫最小描述长度），是压缩率最大化的体现，这也跟“压缩就是智能”的信仰一致；
第三，Unigram求最优分词方案可以通过Viterbi算法在线性复杂度内完成，这是理论最优的复杂度了。

当然，既然有“一元文法模型”，自然也有更复杂的“二元文法模型”、“三元文法模型”等，但它们的复杂度增加远大于它能带来的收益，所以我们通常不考虑这些高阶模型。

1.7.3 训练算法

Tokenizer的训练本质上就是以往的“新词发现”，而笔者之前也提了好几种新词发现算法。现在看来，跟Unigram分词算法最契合、最有潜力的，应该是《基于语言模型的无监督分词》，
BytePiece的训练就是基于它实现的，这里称之为Byte-based N-gram Language Model（BNLM）。

具体来说，对于Unigram分词，如果一个长度为l的字节串c1,c2,…,cl，最优分词结果为w1,w2,…,wm，那么概率乘积p(w1)p(w2)…p(wm)应该是所有切分中最大的。
设w1,w2,?,wm的长度分别为l1,l2,?,lm，那么根据条件分解公式
∏i=1mp(wi)=∏i=1m∏j=Li?1+1j=Li?1+lip(cj|cLi?1+1,?,cj?1) (1)
这里Li=l1+l2+?+li。只考虑n-gram模型，将j>Li?1+n的p(cj|cLi?1+1,?,cj?1)统一用p(cj|cj?n+1,?,cj?1)近似，
那么Unigram分词就转化为一个字（节）标注问题，而Tokenizer的训练则转化为n-gram语言模型的训练（推荐n=6），可以直接无监督完成。

（注意：n=6只是说BytePiece的统计信息最多到6-gram，但并非最大只能生成长度为6的piece，因为大于6的n-gram条件概率我们会用6-gram的近似，所以它是可以做到任意阶的，即理论上可以生成任意长度piece。）

1.7.4 代码实现&效果

Github：https://github.com/bojone/bytepiece
代码很简单，单文件，里边就Trainer和Tokenizer两个类，分别对应分词两部分。分词借助pyahocorasick来构建AC自动机来稍微提了一下速，能凑合用，但还是会比SentencePiece慢不少，毕竟速度方面纯Python跟C++确实没法比。

训练则分为四个主要步骤：
1、n-gram计数；
2、n-gram剪枝；
3、预分词；
4、预分词结果剪枝。
其中1、3、4都是计算密集型，并且都是可并行的，所以编写了相应的多进程实现。在开足够多的进程（笔者开了64进程，每个进程的使用率基本上都是满的）下，训练速度能媲美SentencePiece的Unigram训练速度。

这里特别要提一下结果剪枝方面。剪枝最基本的依据自然是频数和vocab_size，但这还不够，因为有时候会出现p(w1)p(w2)>p(w1°w2)（w1°w2指两个词拼接）且w1,w2,w1°w2三个词都在词表中，这种情况下w1°w2这个词永远不会切分出来，所以将它放在词表中是纯粹浪费空间的，因此剪枝过程也包含了这类结果的排除。

首先做个小规模的测试，从悟道之前开源的数据集里边随机采样10万条作为训练集（导出来的文件大概330MB），然后另外采样1千作为测试集，训练一个vocab_size=50k的词表，结果对比如下：

接下来进行一个更大规模的测试。从中英比例大致为3:5的混合语料库中，抽取出10万条样本训练vocab_size=100k的Tokenizer。这个语料库的文本都比较长，所以这时候10万条导出来的文件已经13GB了，测试集包含两部分，一部分是同样的语料库中采样出1000条（即同源），另一部分是刚才采样出来的1000条悟道数据集（代表不同源）。结果如下：