Python：使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 AI 程序員 (2)

近年來，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (RNN) 受到了廣泛關(guān)注，因?yàn)樗谠S多自然語言處理任務(wù)中顯示出了巨大的前景。 盡管它們很受歡迎，但解釋如何使用最先進(jìn)的工具實(shí)現(xiàn)簡單而有趣的應(yīng)用程序的教程數(shù)量有限。在本系列中，我們將使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練 AI 程序員，該程序員可以像真正的程序員一樣編寫 Java 代碼（希望如此）。將涵蓋以下內(nèi)容：

1. 構(gòu)建一個簡單的 AI 程序員

2. 改進(jìn) AI 程序員 - 使用令牌（這篇文章）

3. 改進(jìn) AI 程序員 - 使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在上一篇文章中，我們使用簡單的 1 層 LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個基本的 AI 程序員。AI 程序員生成的代碼沒有多大意義。在這篇文章中，我們將使用標(biāo)記而不是單個字符序列來訓(xùn)練模型。

1. 獲取訓(xùn)練原始數(shù)據(jù)

我使用與上一篇文章相同的源代碼。它可以在這里找到：https://github.com/frohoff/jdk8u-jdk。這一次，每個 .java 文件都被掃描、標(biāo)記化，然后聚合到一個名為“?jdk-tokens.txt?”的文件中。不保留換行符。你不需要下載 JDK 源代碼。為方便起見，我已將聚合文件包含在該項目的 GitHub 存儲庫中。你可以在這篇文章的末尾找到鏈接。

以下代碼從 ?jdk-tokens.txt? 文件中讀取令牌并將其切片以適合我的桌面的硬件功能。就我而言，我只使用了代碼中顯示的代碼的 20%。

path = "./jdk-tokens.txt"
filetext = open(path).read().lower()
 
# slice the whole string to overcome memory limitation
slice = len(filetext)/5  
slice = int (slice)
filetext = filetext[:slice]
 
tokenized = filetext.split()
 
print('# of tokens:', len(tokenized))

2. 建立索引來定位令牌

LSTM 輸入只理解數(shù)字。將標(biāo)記轉(zhuǎn)換為數(shù)字的一種方法是為每個標(biāo)記分配一個唯一的整數(shù)。例如，如果代碼中有 ?1000 ?個唯一令牌，我們可以為 ?1000 ?個令牌中的每一個分配一個唯一編號。下面的代碼構(gòu)建了一個包含? [“public” : 0 ] [ “static” : 1 ], ... ]? 等條目的字典。還生成反向字典用于解碼 LSTM 的輸出。

uniqueTokens = sorted(list(set(tokenized)))
print('total # of unique tokens:', len(uniqueTokens))
token_indices = dict((c, i) for i, c in enumerate(uniqueTokens))
indices_token = dict((i, c) for i, c in enumerate(uniqueTokens))

3. 準(zhǔn)備帶標(biāo)簽的訓(xùn)練序列

在這里，我們以 ?10 ?個標(biāo)記的半冗余序列剪切文本。每個序列是一個訓(xùn)練樣本，每個令牌序列的標(biāo)簽是下一個令牌。

NUM_INPUT_TOKENS = 10
step = 3
sequences = []
next_token = []
 
for i in range(0, len(tokenized) - NUM_INPUT_TOKENS, step):
    sequences.append(tokenized[i: i + NUM_INPUT_TOKENS])
    next_token.append(tokenized[i + NUM_INPUT_TOKENS])
 
print('nb sequences:', len(sequences))

4. 向量化訓(xùn)練數(shù)據(jù)

我們首先創(chuàng)建兩個矩陣，然后為每個矩陣賦值。一種用于特征，一種用于標(biāo)簽。?len(sequences)? 是訓(xùn)練樣本的總數(shù)。

X = np.zeros((len(sequences), NUM_INPUT_TOKENS, len(uniqueTokens)), \
             dtype=np.bool)
y = np.zeros((len(sequences), len(uniqueTokens)), dtype=np.bool)
for i, sentence in enumerate(sequences):
    for t, char in enumerate(sentence):
        X[i, t, token_indices[char]] = 1
    y[i, token_indices[next_token[i]]] = 1

5. 構(gòu)建單層 LSTM 模型

我們正在構(gòu)建一個如下所示的網(wǎng)絡(luò)：

此外，堆疊兩個 LSTM 層非常簡單，如下面的注釋代碼所示。

下面的代碼定義了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)包含一層具有 128 個隱藏單元的 LSTM。?input_shape ?參數(shù)指定輸入序列的長度和每次輸入的維度。?Dense()? 實(shí)現(xiàn)?output = activation(dot(input, kernel) + bias)?。這里的輸入是 LSTM 層的輸出。激活函數(shù)由行 ?Activation('softmax')? 指定。?Optimizer ?是優(yōu)化函數(shù)。您可能熟悉邏輯回歸中常用的一種，即隨機(jī)梯度下降。最后一行指定了成本函數(shù)。在這種情況下，我們使用“?categorical_crossentropy?”。

model = Sequential()
 
# 1-layer LSTM
#model.add(LSTM(128, input_shape=(NUM_INPUT_TOKENS, len(uniqueTokens))))
 
# 2-layer LSTM
model.add(LSTM(128,return_sequences=True, \
               input_shape=(NUM_INPUT_TOKENS, len(uniqueTokens))))
model.add(LSTM(128))
 
model.add(Dense(len(uniqueTokens)))
model.add(Activation('softmax'))
 
optimizer = RMSprop(lr=0.01)
model.compile(loss='categorical_crossentropy', optimizer=optimizer)
print(model.summary())

6.訓(xùn)練模型和生成Java代碼

上面，我還包含了堆疊另一層 LSTM 并使其成為 2 層 LSTM RNN 的代碼。

?sample ?函數(shù)用于從概率數(shù)組中采樣一個索引。例如，給定? preds=[0.5,0.2,0.3] ?和默認(rèn)溫度，函數(shù)返回索引 ?0? 的概率為 ?0.5?、?1? 的概率為 ?0.2 ?或 ?2 ?的概率為 ?0.3?。它用于避免一遍又一遍地生成相同的句子。我們希望看到 AI 程序員可以編寫的一些不同的代碼序列。

def sample(preds, temperature=1.0):
    # helper function to sample an index from a probability array
    preds = np.asarray(preds).astype('float64')
    preds = np.log(preds) / temperature
    exp_preds = np.exp(preds)
    preds = exp_preds / np.sum(exp_preds)
    probas = np.random.multinomial(1, preds, 1)
    return np.argmax(probas)
 
# train the model, output generated code after each iteration
for iteration in range(1, 60):
    print()
    print('-' * 50)
    print('Iteration', iteration)
    model.fit(X, y, batch_size=128, epochs=1)
 
    start_index = random.randint(0, len(tokenized) - NUM_INPUT_TOKENS - 1)
 
    for diversity in [0.2, 0.5, 1.0, 1.2]:
        print()
        print('----- diversity:', diversity)
 
        generated = [] #''
        sequence = tokenized[start_index: start_index + NUM_INPUT_TOKENS]
 
        generated=list(sequence)
 
        print('----- Generating with seed: "' + ' '.join(sequence) + '"-------')
        sys.stdout.write(' '.join(generated))
 
        for i in range(100):
            x = np.zeros((1, NUM_INPUT_TOKENS, len(uniqueTokens)))
            for t, char in enumerate(sequence):
                x[0, t, token_indices[char]] = 1.
 
            preds = model.predict(x, verbose=0)[0]
            next_index = sample(preds, diversity)
            next_pred_token = indices_token[next_index]
 
            generated.append(next_pred_token)
            sequence = sequence[1:]
            sequence.append(next_pred_token)
 
            sys.stdout.write(next_pred_token+" ")
            sys.stdout.flush()
        print()

7. 結(jié)果

訓(xùn)練模型需要幾個小時。我在第 ?40 ?次迭代時停止，生成的代碼如下所示：

----- Generating with seed: "true ) ; } else { boolean result = definesequals"-------
true ) ; } else { boolean result = definesequals
( ) . substring ( 1 , gradients . get ( p ) ; } 
if ( val . null || ( npoints == null ) ? new void . bitlength ( ) + prefixlength ) ; 
for ( int i = 0 ; i < num ; i ++ ) } break ; } 
if ( radix result = != other . off ) ; 
int endoff = b . append ( buf , 0 , len + 1 ) ; digits ++ ] ; 

代碼生成看起來比以前基于字符的方法生成的代碼要好得多。請注意，為了便于閱讀，我添加了換行符。我們可以看到 LSTM 很好地捕獲了循環(huán)和條件，代碼開始變得更有意義。例如，“?for ( int i = 0 ; i < num ; i ++ )?” 是一個完美的 Java for循環(huán)。如果調(diào)整參數(shù)（如 ?NUM_INPUT_CHARS ?和 ?STEP?）并訓(xùn)練更長時間，可能會得到更好的結(jié)果。隨意嘗試。同樣，我已經(jīng)知道完成這項工作的更好方法，所以我停在這里并在下一篇文章中進(jìn)行改進(jìn)。

你還可以查看早期迭代中生成的代碼。他們的意義不大。

8. 下一步是什么？

在這篇文章中，我使用令牌序列作為輸入來訓(xùn)練模型，模型預(yù)測令牌序列。如果一切正常，它應(yīng)該比基于字符的方法更有效。此外，我們還可以使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。我們將在下一篇文章中探討這些。