hanlp源码解析word2vec词向量算法

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one-hot表示法

词向量就是把一个词用向量的形式表示，以前的经典表示法是one-hot，这种表示法向量的维度是词汇量的大小。它的处理方式简单粗暴，一般就是统计词库包含的所有V个词，然后将这V个词固定好顺序，然后每个词就可以用一个V维的稀疏向量来表示，向量中只有在该词出现的位置的元素才为1，其它元素全为0。比如下面这几个词，第一个元素为1的表示中国，第六个元素为1的表示美国，第五个元素为1的表示日本。

中国[1,0,0,0,0,0,0,0,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

美国[0,0,0,0,0,1,0,0,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

日本[0,0,0,0,1,0,0,0,0,……，0,0,0,0,0,0,0]

按照目前汉语的词汇量20万左右，那么一个词就是20万维度的向量来表示，这对内存和计算效率都是灾难性的，优点是非常简单，只需过扫描一遍语料库好即可。

word2vec

google开源的word2vec得到的词的向量形式则可以自由控制维度，一般是100左右。google开源的是用c语言开发的，hanlp的作者移植了这套c代码并合并到了word2vec中。据说，每个线程每秒训练的词语稳定在180-190K，比原版C程序要快2.5倍左右；训练速度比C程序要快的原因是，原版C程序读取单词后需要去char数组里遍历查找id；而我的Java实现直接读取缓存文件中的id，当然开始训练前要先进行词->id的转换并输出到缓存文件，这个过程大约多花一两分钟时间，相较于训练时间，无疑是值得的。这样改进之后还可以直接读取类似text8那样的变态语料，一举多得。效率与c语言版的没有差别。

下面开始正式讨论hanlp中word2vec的源码。关计word2vec中用到的神经网络的模型和算法，这里不再赘述，请参考作者的文章http://www.hankcs.com/nlp/word2vec.html
　
　语料库

训库词向量当然需要一个相对完整的语料库，目有可以采用人民日报、Sighan05分词语料 http://sighan.cs.uchicago.edu/bakeoff2005/，一般情况下首先对语料库分词，这里不再讨论分词，为了讨论源码的方更的，我们采用的语料库如下（生产环境语料库越大越向量模型越准确）：

帕勒莫 VS 梅西纳 已经 无关紧要 初盘 显示 格局 
雷吉纳 VS 尤文图斯 初盘 显示 客队 强大 关系到 客队 夺冠 问题 尤文图斯 任胆 
特雷维索 VS 乌迪内斯 乌迪内斯 客场 连续 拿下 状态 开出 平手 想必 乌鸡 势头 就此 中断 足彩 王智 德甲 解盘 
科隆 VS 比勒菲尔德 初盘 高开 意图 明显 庄家 筹码 上盘 嫌疑 极大 科隆 有望 不败 
拜仁 慕尼黑 VS 多特蒙德 多特蒙德 客场 至多 连赢 极限 盘也 有意 冷落 主队 
汉堡 VS 不莱梅 半球盘 本赛季 尚无 平局 记录 适合 选择 
杜伊斯堡 VS 美因兹 初盘 极为 不符 庄家 利用 主队 已经 降级 题材 美因兹 嫌疑 
沙尔克 VS 斯图加特 初盘 主队 水位 偏高 目前 斯图加特 客场 路有 反弹 迹象 排除 客队 可能 

训练完成的词向量文件如下所示：第一行是词向量的条数和维度。

15 20
VS 0.020013 0.022097 -0.019151 -0.016390 0.006833 0.015105 0.004704 0.001057 -0.018018 0.011092 -0.021782 0.006248 -0.003757 -0.004786 -0.016579 -0.009411 0.012897 0.015127 0.014845 0.007987
初盘 0.007693 -0.018967 -0.020466 0.024825 0.019040 0.015461 -0.003025 0.020149 -0.002462 0.003626 -0.000768 -0.014950 0.006504 -0.006674 -0.019058 0.023742 0.021883 -0.005529 -0.001090 0.002513
客队 -0.018188 -0.020036 0.022774 0.000315 -0.012912 -0.015211 -0.015382 0.008485 0.001007 0.006655 -0.021068 -0.019039 -0.000650 0.005718 0.012749 -0.015850 0.020398 0.004635 0.005598 -0.003042
客场 0.014932 -0.011439 -0.010487 0.010792 -0.003766 0.005154 0.009023 -0.020443 -0.009915 0.014568 0.021159 0.019660 -0.015234 -0.010538 -0.004546 0.010007 -0.018942 0.014989 0.013939 -0.007995
主队 -0.007750 -0.011236 0.021236 0.019609 -0.005778 0.021135 0.024224 0.009164 0.024857 -0.015614 -0.007675 -0.010631 -0.014663 0.014050 0.008034 0.002098 -0.011031 0.007467 0.015391 0.000876
已经 0.011419 -0.024740 0.021474 0.002454 -0.009068 -0.010289 -0.003746 -0.014546 -0.021767 -0.014196 0.021319 -0.008875 -0.013376 0.011613 -0.008489 0.023771 -0.007968 -0.022923 0.013644 -0.000344
显示 -0.017444 0.004879 0.007210 -0.002407 0.009122 -0.019788 0.004405 0.009083 -0.015045 0.000710 -0.000304 -0.011996 -0.014163 -0.023469 0.000114 0.000764 0.000049 -0.019669 -0.024809 -0.023733
尤文图斯 -0.021628 -0.002735 0.006956 0.005921 -0.015912 0.024990 -0.010057 -0.006368 -0.007022 0.023663 -0.018819 0.005805 -0.006677 0.015939 0.000203 0.021348 -0.014096 -0.013026 -0.020961 -0.018334
乌迪内斯 -0.015997 -0.015574 0.012221 -0.009335 0.013400 0.018450 0.006779 0.014753 0.012378 0.011703 -0.017754 -0.017165 -0.018283 -0.000660 0.020653 -0.013683 -0.015302 -0.020982 0.016530 -0.020895
科隆 -0.002896 0.010894 -0.023091 -0.022393 0.007214 0.017623 0.021321 0.010728 0.015811 -0.015638 -0.018202 0.019874 -0.013824 0.008767 0.002870 0.008952 -0.005911 0.000994 -0.008430 -0.005633
庄家 -0.022181 -0.016407 0.017515 0.005170 -0.011805 -0.007914 0.012580 -0.017677 -0.011669 0.023722 0.021310 -0.019916 0.004310 -0.011295 0.000681 0.015143 0.024270 0.009833 0.020564 0.015712
嫌疑 -0.001188 0.022385 0.012687 0.023688 -0.008521 0.023697 0.021633 -0.007123 -0.022107 0.024156 0.004487 -0.010408 -0.003606 -0.003700 -0.019260 -0.007152 -0.002211 -0.024650 -0.017598 -0.006039
多特蒙德 -0.004566 0.008701 0.004184 -0.002898 0.014885 0.007425 0.002952 0.018191 -0.005542 -0.007308 -0.002137 -0.013698 -0.015125 0.001091 0.021833 -0.006802 -0.000246 -0.020732 0.018738 -0.007649
美因兹 0.014931 -0.012285 -0.004318 0.000548 0.018110 -0.000446 0.022263 -0.003785 0.010456 -0.000800 -0.019446 0.021221 0.005188 -0.015099 0.015043 -0.020609 -0.021879 0.016274 -0.017079 -0.013266
斯图加特 0.017639 0.016427 0.003426 0.022617 0.024283 0.020275 0.008824 -0.021752 0.011444 -0.024461 -0.006432 0.007560 0.004904 -0.007624 0.014690 -0.023040 -0.007056 -0.006559 -0.008281 0.015354

模型训练第一步：加载语料库，统计词频，（只保留词频大于等于２的词）

 /*** 此函数功能完成词频统计* 每个词的相关信息存储在VocabWord中，word是对应的词，cn是在语料库中出现的次数，codelen是huffman编码的长度，code是huffman编码，point是对应的前置结点** @throws IOException*/public void learnVocab() throws IOException{vocab = new VocabWord[vocabMaxSize];vocabIndexMap = new TreeMap<String, Integer>();//此处作者是用TreeMap和数组相结合的形式来存储的，vocabIndexMap的key是word,value是对应vocab中的下标vocabSize = 0;final File trainFile = new File(config.getInputFile());BufferedReader raf = null;FileInputStream fileInputStream = null;cache = null;vocabSize = 0;TrainingCallback callback = config.getCallback();try{fileInputStream = new FileInputStream(trainFile);raf = new BufferedReader(new InputStreamReader(fileInputStream, encoding));cacheFile = File.createTempFile(String.format("corpus_%d", System.currentTimeMillis()), ".bin");cache = new DataOutputStream(new FileOutputStream(cacheFile));while (true){String word = readWord(raf);//读取一个词if (word == null && eoc) break;trainWords++;if (trainWords % 100000 == 0)//这段代码是打印进度的，不用管{if (callback == null){System.err.printf("=======%c%.2f%% %dK", 13,(1.f - fileInputStream.available() / (float) trainFile.length()) * 100.f,trainWords / 1000);System.err.flush();}else{callback.corpusLoading((1.f - fileInputStream.available() / (float) trainFile.length()) * 100.f);}}int idx = searchVocab(word);//查询下vocabIndexMap中有没有出现过，出现过就词步加1,没有出现过就加到map里面if (idx == -1){idx = addWordToVocab(word);vocab[idx].cn = 1;} else {vocab[idx].cn++;}if (vocabSize > VOCAB_MAX_SIZE * 0.7)//这段代码是当此词汇非常大时，移除低词频的词{reduceVocab();idx = searchVocab(word);}cache.writeInt(idx);}}finally{Utility.closeQuietly(fileInputStream);Utility.closeQuietly(raf);Utility.closeQuietly(cache);System.err.println();}if (callback == null){System.err.printf("%c100%% %dK", 13, trainWords / 1000);System.err.flush();}else{callback.corpusLoading(100);callback.corpusLoaded(vocabSize, trainWords, trainWords);}}

模型训练第二步：对词频排序，从大到小，实现原理很简单就是实现comparable接口

@Overridepublic int compareTo(VocabWord that){return that.cn - this.cn;}

模型训练第三步：构建huffman树

 void createBinaryTree(){int[] point = new int[VocabWord.MAX_CODE_LENGTH];char[] code = new char[VocabWord.MAX_CODE_LENGTH];int[] count = new int[vocabSize * 2 + 1];char[] binary = new char[vocabSize * 2 + 1];//存储huffman编码int[] parentNode = new int[vocabSize * 2 + 1];//一组数组存储huffman树for (int i = 0; i < vocabSize; i++)count[i] = vocab[i].cn;for (int i = vocabSize; i < vocabSize * 2; i++)count[i] = Integer.MAX_VALUE;int pos1 = vocabSize - 1;int pos2 = vocabSize;// Following algorithm constructs the Huffman tree by adding one node at a timeint min1i, min2i;for (int i = 0; i < vocabSize - 1; i++){// First, find two smallest nodes 'min1, min2'if (pos1 >= 0){if (count[pos1] < count[pos2]){min1i = pos1;pos1--;}else{min1i = pos2;pos2++;}}else{min1i = pos2;pos2++;}if (pos1 >= 0){if (count[pos1] < count[pos2]){min2i = pos1;pos1--;}else{min2i = pos2;pos2++;}}else{min2i = pos2;pos2++;}count[vocabSize + i] = count[min1i] + count[min2i];parentNode[min1i] = vocabSize + i;parentNode[min2i] = vocabSize + i;binary[min2i] = 1;}System.out.println(Arrays.toString(count));System.out.println(Arrays.toString(parentNode));System.out.println(Arrays.toString(binary));// Now assign binary code to each vocabulary wordfor (int j = 0; j < vocabSize; j++){int k = j;int i = 0;while (true){code[i] = binary[k];point[i] = k;i++;k = parentNode[k];if (k == vocabSize * 2 - 2) break;}vocab[j].codelen = i;vocab[j].point[0] = vocabSize - 2;for (k = 0; k < i; k++){vocab[j].code[i - k - 1] = code[k];vocab[j].point[i - k] = point[k] - vocabSize;}}System.out.println(Arrays.toString(vocab));}

这段代码看起来有点晕，因为词汇量很大，我画了张图，最终构建的huffman如下所示，下面所有的模型训练都是基于这张huffman图

最终的词汇表如下所示:

cbow模型训练：
待续！