条件随机场之CRF++源码详解-特征

　　我在学习条件随机场的时候经常有这样的疑问，crf预测当前节点label如何利用其他节点的信息、crf的训练样本与其他的分类器有什么不同、crf的公式中特征函数是什么以及这些特征函数是如何表示的。在这一章中，我将在CRF++源码中寻找答案。

输入过程

　　CRF++训练的入口在crf_learn.cpp文件的main函数中，在该函数中调用了encoder.cpp的crfpp_learn(int argc, char **argv)函数。在CRF++中，训练被称为encoder，显然预测就称为decoder。crfpp_learn的源码如下：

int crfpp_learn(int argc, char **argv) {
  CRFPP::Param param; //存放输入的参数
  param.open(argc, argv, CRFPP::long_options); //处理命令行输入的参数，存在param对象中
  return CRFPP::crfpp_learn(param);
}

 　Param对象主要存放输入的参数，调用open方法处理命令行输入的参数并存储。最后调用crfpp_learn(const Param &param)函数，在该函数中将初始化Encoder对象encoder，并调用encoder的learn方法。

样本的处理以及特征的构造

　　本章的重点便是这个learn方法，该方法主要是根据输入的样本和特征模板构造特征。阅读该函数源码之前可以去CRF++官网了解一下CRF++输入的参数，以及模板文件和训练文件的格式。

bool Encoder::learn(const char *templfile, //模板文件
                    const char *trainfile, //训练样本
                    const char *modelfile, //模型输出文件
                    bool textmodelfile, 
                    size_t maxitr,
                    size_t freq,
                    double eta,
                    double C,
                    unsigned short thread_num,
                    unsigned short shrinking_size,
                    int algorithm) {
  std::cout << COPYRIGHT << std::endl;

  CHECK_FALSE(eta > 0.0) << "eta must be > 0.0"; //CHECK_FALSE是宏定义，如果传入的条件是false，则输出异常信息
  CHECK_FALSE(C >= 0.0) << "C must be >= 0.0";
  CHECK_FALSE(shrinking_size >= 1) << "shrinking-size must be >= 1";
  CHECK_FALSE(thread_num > 0) << "thread must be > 0";

#ifndef CRFPP_USE_THREAD
  CHECK_FALSE(thread_num == 1)
      << "This architecture doesn't support multi-thrading";
#endif

  if (algorithm == MIRA && thread_num > 1) {//MIRAS算法无法启用多线程
    std::cerr <<  "MIRA doesn't support multi-thrading. use thread_num=1"
              << std::endl;
  }

  EncoderFeatureIndex feature_index; //所有的特征将存储在feature_index中
  Allocator allocator(thread_num); //allocator对象主要用来做资源分配以及回收
  std::vector<TaggerImpl* > x; //x存放输入的样本，例如：如果做词性标注的话，TaggerTmpl对象存放的是每句话，而x是所有句子

  std::cout.setf(std::ios::fixed, std::ios::floatfield);
  std::cout.precision(5);

#define WHAT_ERROR(msg) do {                                    
    for (std::vector<TaggerImpl *>::iterator it = x.begin();    
         it != x.end(); ++it)                                   
      delete *it;                                               
    std::cerr << msg << std::endl;                              
    return false; } while (0)

  CHECK_FALSE(feature_index.open(templfile, trainfile)) //打开“模板文件”和“训练文件”
      << feature_index.what();

  {
    progress_timer pg;

    std::ifstream ifs(WPATH(trainfile));
    CHECK_FALSE(ifs) << "cannot open: " << trainfile;

    std::cout << "reading training data: " << std::flush;
    size_t line = 0;
    while (ifs) {　　　　　　//开始读取训练样本
      TaggerImpl *_x = new TaggerImpl(); //_x存放的是一句话的内容，CRF++官网中提到，用一个空白行将每个sentence隔开
      _x->open(&feature_index, &allocator); //做一些属性赋值，所有的句子都对应相同的feature_index和allocator对象
      if (!_x->read(&ifs) || !_x->shrink()) {
        WHAT_ERROR(_x->what());
      }

      if (!_x->empty()) {
        x.push_back(_x);
      } else {
        delete _x;
        continue;
      }

      _x->set_thread_id(line % thread_num); //每个句子都会分配一个线程id，可以多线程并发处理不同的句子

      if (++line % 100 == 0) {
        std::cout << line << ".. " << std::flush;
      }
    }

    ifs.close();
    std::cout << "
Done!";
  }

  feature_index.shrink(freq, &allocator); // 根据训练是指定的-f参数，将特征出现的频率小于freq的过滤掉

  std::vector <double> alpha(feature_index.size());           // feature_index.size()返回的是maxid_，即：特征函数的个数，alpha是每个特征函数的权重，便是CRF中要学习的参数
  std::fill(alpha.begin(), alpha.end(), 0.0);
  feature_index.set_alpha(&alpha[0]);

  std::cout << "Number of sentences: " << x.size() << std::endl;
  std::cout << "Number of features:  " << feature_index.size() << std::endl;
  std::cout << "Number of thread(s): " << thread_num << std::endl;
  std::cout << "Freq:                " << freq << std::endl;
  std::cout << "eta:                 " << eta << std::endl;
  std::cout << "C:                   " << C << std::endl;
  std::cout << "shrinking size:      " << shrinking_size
            << std::endl;

  ... //省略后续代码 
 95 }

我阅读源码是按照深度优先遍历的方式，遇到一个函数会不断地深入进去，直到理解了该函数的功能再返回。上述源码需要重点介绍的部分，我也按照深度优先的方式记录。对于比较容易理解的部分则直接在源码中添加注释。首先看下源码第43行feature_index.open(templfile, trainfile)，表面是理解是打开模板文件和训练集文件，但具体做了什么事儿呢，进入这个函数发现分别调用了两个函数。一个是EncoderFeatureIndex::openTemplate(const char *filename)，这个函数主要是读取模板文件中的unigram特征和bigram特征分别存储，从官网文章中也可以知道，crf的特征分为两种特征，unigram对应的是状态特征，bigram对应的是转移特征。另一个函数是EncoderFeatureIndex::openTagSet(const char *filename)，该函数读取训练集文件，获得训练集特征的数量（feature_index.xsize_属性）以及训练集中label的集合（feature_index.y_属性），以后可以用集合中label值得的索引代替label。

　　learn函数的第57行，有两个函数调用。一个是_x->read(&ifs)，这个函数是对输入的样本做处理。解释该函数之前，我先做一个约定，以词性标注为例。我们输入的训练样本每一行代表一个词，每一列代表词的特征，多个词（多行）代表一个句子，句子与句子之间用空白行分隔。这个规则从CRF++文档中也能看出，我们就统一用句子和词表示，方便表达。那么，该函数会读取一个句子。经过层层调用，会对_x对象中几个重要的数据结构进行赋值，由于这个函数的处理逻辑不复杂，因此我直接给出最终赋值的结果。如下：

class TaggerImpl : public Tagger {
  FeatureIndex   *feature_index_;
  Allocator      *allocator_;
  std::vector<std::vector <const char *> > x_; //代表一个句子，外部vector代表多行（多个词），内部vector代表每行的多列，具体的列用char*表示
  std::vector<std::vector <Node *> > node_;    //相当于二位数组，node_[i][j]表示一个节点，即：第i个词是第j个label的点。如：“我”这个词是“代词”
  std::vector<unsigned short int>  answer_;    //每个词对应的label
  std::vector<unsigned short int>  result_;    
};

 另一个调用是_x->shrink()，该函数的主要功能就是构造特征，具体来说是调用了feature_index的FeatureIndex::buildFeatures(TaggerImpl *tagger)方法，源码如下：

#define ADD { const int id = getID(os.c_str()); 
　　if (id != -1) feature.push_back(id); } while (0)

bool FeatureIndex::buildFeatures(TaggerImpl *tagger) const {
  string_buffer os;
  std::vector<int> feature;

  FeatureCache *feature_cache = tagger->allocator()->feature_cache(); //存放是每个节点或者边对应的特征向量，节点便是node[i][j]，边的概念后续会接触，暂时可以忽略
  tagger->set_feature_id(feature_cache->size()); //做个标记，以后要取该句子的特征，可以从该id的位置取

  for (size_t cur = 0; cur < tagger->size(); ++cur) {//遍历每个词，计算每个词的特征
    for (std::vector<std::string>::const_iterator it
             = unigram_templs_.begin();
         it != unigram_templs_.end(); ++it) { //遍历每个unigram特征
      if (!applyRule(&os, it->c_str(), cur, *tagger)) {applyRule函数根据当前词（cur）以及当前的特征（如： %x[-2,0]），生成一个特征，存放在os中
        return false;
      }
      ADD; //将根据特征os，获取该特征的id，如果不存在该特征，生成新的id，将该id添加到feature变量中
    }
    feature_cache->add(feature); //将该词的特征添加到feature_cache中，add方法会将feature拷贝一份并将最后添加-1，方便后续读取
    feature.clear();
  }

  for (size_t cur = 1; cur < tagger->size(); ++cur) {//遍历每条边，计算每条边的特征
    for (std::vector<std::string>::const_iterator
             it = bigram_templs_.begin();
         it != bigram_templs_.end(); ++it) {//遍历每个bigram特征
      if (!applyRule(&os, it->c_str(), cur, *tagger)) {//处理同上
        return false;
      }
      ADD;
    }
    feature_cache->add(feature);
    feature.clear();
  }

  return true;
}

 经过上面处理，最终会存储节点（单词）和边（相邻词连接）的特征列表（函数中feature变量），并存储在feature_cache中，由于在该函数中调用了set_feature_id方法，因此很容易拿到每个句子对应的特征列表。这里需要关注一下applyRule函数和ADD宏定义中的getID函数。下面我将举个例子，来直观感受下这两个函数的功能。

tempfile:

　　# Unigram
　　U00:%x[-1,0]
　　U01:%x[0,0]

　trainfile:

　　0 - -1 -1 -1 -1 O
　　0 submit 7 0 0 0 B
　　1 submit 3 4 0 0 E

先看下CRF++中的特征模板，模板文件比较简单，只有unigram特征，特征的表示形如 U00:%x[a,b]，开头的'U'代表unigram特征还是bigram特征，b代表的是哪列特征，a代表的是当前词的行偏移量。样本集文件更简单，只有一个句子，该句子有3个单词，每个单词有6个特征。

1） 当cur=0，遍历第一个unigram特征U00:%x[-1,0], 0代表第0个特征（第0列），-1代表前一个词的第0个特征。由于第一个词没有前一个词，所以CRF++中用_B-1代替，这部分可在源码中找到。调用applyRule将会生成"U00:_B-1"特征，调用getID函数返回的maxid_并存储在feature_index的dic_属性中，maxid_初始值为0，如果当前特征是新的则返回maxid_并更新maxid_为新值，maxid更新代码为maxid_ += (key[0] == 'U' ? y_.size() : y_.size() * y_.size()); 由于unigram是状态特征label与当前节点有关，所以加y_.size()表示y_.size()个特征函数，而bigram表示转移特征（边），与当前状态和前一个状态有关，有y_.size() * y_.size()种情况，因此加上y_.size() * y_.size()，代表y_.size()*y_.size()个特征函数。以上述例子unigram来说，对于某个词的特征，该词的label可能有y_.size()种情况，最终生成的特征函数是 f(特征='U00:_B-1', y='O')=1,f(特征='U00:_B-1', y='B')=1,f(特征='U00:_B-1', y='E')=1。总结一下，对于这个例子来说，一个unigram特征对应3状态特征函数，一个bigram特征对应9个转移特征函数。

2） 当cur=0，遍历第二个unigram特征U01:%x[0,0]，调用applyRule生成特征"U01:0"，调用getID函数，返回特征id为3，feature变量为[0,3]

3） 当cur=1，遍历第一个unigram特征U00:%x[-1,0]，调用applyRule生成特征"U00:0"，调用getID函数，返回特征id为6

4） 当cur=1，遍历第二个unigram特征U01:%x[0,0]，调用applyRule生成特征"U01:0"，调用getID函数，返回特征id为3, feature变量为[6,3]

5） 当cur=2，遍历第一个unigram特征U00:%x[-1,0]，调用applyRule生成特征"U00:0"，调用getID函数，返回特征id为6

6） 当cur=2，遍历第二个unigram特征U01:%x[0,0]，调用applyRule生成特征"U01:1"，调用getID函数，返回特征id为9， 此时maxid_更新为12，feature变量为[6,9]

因此，特征一共有4个，状态特征有12个，转移特征为0个，因此feature_index的maxid_为12，feature_cache的大小为5（3个节点+2条边）。本例子中只有1句话并且只有一个特征的unigram特征函数，对于多句话和多个特征函数，计算逻辑是一样的，并且都会更新到公共的变量feature_index中。

 至此，就_x->shrink()的核心逻辑便梳理完毕， 同时也是整个learn函数的核心逻辑，回到learn函数的源码继续往下看，while循环会对每个句子重复进行上述操作，并将表示句子的变量x_存储到变量x中，代表整个训练集。还有需要注意的是我们平时一般用w表示待学习的参数，但在CRF++中使用变量alpha表示w。

总结

　　本章主要结合源码和实际的例子，了解了CRF++如何处理输入的样本，如何生成特征以及特征函数。首先，通过本章可以清晰的找到开头提到的几个问题。其次，可以学习CRF++如何定义数据结构表示条件随机场各个元素及其之间的关系，如果再仔细体会一下，就能发现CRF++里设计的数据结构和代码实现还是非常巧妙的，值得学习。如对本章内容有疑问的欢迎在留言区交流，我会及时回复，同时如有表述不对的地方，烦请指正。