XLNet——打破 BERT 局限的预训练语言模型

近年来,深度学习在自然语言处理(NLP)领域取得了革命性进展,其中 BERT 的出现标志着双向语言建模的强大能力。然而,BERT 也存在一些局限性,限制了其在生成任务中的表现。2019 年,由 Google 和 Carnegie Mellon University 联合提出的 XLNet 模型,通过引入 排列语言建模(Permuted Language Modeling, PLM)Transformer-XL 结构,打破了 BERT 的瓶颈,并在多个 NLP 任务中实现了超越。

本文将从 XLNet 的核心概念、设计原理、优势与局限 等方面,详细介绍这款强大的预训练语言模型。


1. XLNet 是什么?

XLNet 是一种基于 Transformer 的预训练语言模型,旨在结合自回归模型(如 GPT)和自编码模型(如 BERT)的优势,解决 BERT 的以下局限性:

  1. 预训练和微调不一致:BERT 的 Masked Language Model(MLM)依赖于遮掩的 [MASK] token,但在微调时 [MASK] 不存在,导致不一致。
  2. 上下文利用有限:BERT 只能预测被遮掩 token,而未显式建模所有 token 的联合分布。

为此,XLNet 提出了 排列语言建模,并结合了 Transformer-XL 的记忆机制,实现了对更长上下文的建模和对联合概率分布的显式优化。


2. 核心创新:排列语言建模(Permuted Language Modeling, PLM)

传统的语言模型训练目标通常是固定的:

  • 自回归模型(如 GPT):从左到右依次预测下一个 token。
  • 自编码模型(如 BERT):遮掩部分 token,然后预测这些 token。
(1) 排列语言建模的核心思想

XLNet 使用随机排列的方式改变 token 的预测顺序,例如:

  • 对于序列 x = [x1, x2, x3, x4, x5],生成随机排列 [x3, x1, x2, x5, x4]
  • 按照排列的顺序,模型依次预测 token(如预测 x3 时仅考虑排列中 x1, x2)。

通过排列语言建模,XLNet 显式优化了 token 的联合概率分布:
P ( x ) = ∏ t = 1 T P ( x z t ∣ x z 1 , . . . , x z t − 1 ) P(x) = \prod_{t=1}^T P(x_{z_t} | x_{z_1}, ..., x_{z_{t-1}}) P(x)=t=1TP(xztxz1,...,xzt1)
其中, z z z 表示随机排列的顺序。

(2) 动态预测目标

在训练过程中,模型会动态生成排列顺序,确保在每次训练中都能学习不同的上下文依赖关系。这种机制避免了数据重复,同时提升了数据多样性。


3. 结合 Transformer-XL 的长距离建模能力

XLNet 基于 Transformer-XL 架构,进一步增强了对长文本的建模能力:

  • 记忆机制:通过缓存上一段文本的隐状态,实现跨段上下文的信息共享。
  • 有效的长距离依赖建模:相比于传统 Transformer,Transformer-XL 避免了序列长度限制带来的上下文截断问题。

这种设计使得 XLNet 能够在长文本场景中表现得更加出色,例如阅读理解和文档分类。


4. XLNet 的优势

(1) 超越 BERT 的理解能力
  • XLNet 通过排列语言建模捕捉了 token 的联合分布,显式建模上下文关系,比 BERT 的 MLM 更全面。
  • 在多个 NLP 任务(如 GLUE、SQuAD)中,XLNet 的表现优于 BERT。
(2) 克服预训练和微调的不一致性
  • BERT 在预训练中使用 [MASK],但下游任务通常不包含遮掩 token,这种不一致性会影响性能。
  • XLNet 无需遮掩 token,因此预训练和微调阶段的输入更一致。
(3) 适用于长文本任务
  • Transformer-XL 的记忆机制让 XLNet 能够处理比 BERT 更长的上下文序列,在需要全局理解的任务中表现更佳。

5. XLNet 的局限性

(1) 计算成本高
  • 排列语言建模需要多次动态生成排列,并显式计算联合概率分布,相比 BERT 和 GPT,计算复杂度更高。
(2) 不完全适合生成任务
  • 虽然 XLNet 引入了自回归特性,但其双向建模方式仍主要面向理解任务。在逐步生成文本时,GPT 的左到右自回归建模更高效。
(3) 复杂性较高
  • XLNet 的实现和训练逻辑比 BERT 和 GPT 更复杂,对硬件和开发的要求更高。

6. XLNet 的应用场景

(1) 自然语言理解任务
  • 文本分类:如情感分析、话题分类。
  • 自然语言推断(NLI):判断句子间的逻辑关系。
  • 阅读理解(QA):从上下文中抽取答案。
(2) 序列标注任务
  • 命名实体识别(NER)。
  • 词性标注(POS tagging)。
(3) 长文本任务
  • 文档级分类:如法律、金融文档分析。
  • 文本摘要生成(结合下游微调)。

7. XLNet 与 GPT、BERT 的对比

模型目标上下文建模适用任务生成能力
BERTMLM双向(静态遮掩)理解任务(分类、QA)较弱(遮掩限制)
GPT自回归语言模型单向(左到右)生成任务(文本生成)
XLNet排列语言建模双向 + 自回归(动态)理解任务(分类、QA)有限(生成性能弱于 GPT)

参考代码:使用 Hugging Face 加载 XLNet

from transformers import XLNetTokenizer, XLNetForSequenceClassification
import torch# 加载 XLNet 模型和分词器
tokenizer = XLNetTokenizer.from_pretrained("xlnet-base-cased")
model = XLNetForSequenceClassification.from_pretrained("xlnet-base-cased", num_labels=2)# 输入文本
text = "XLNet is a powerful model for NLP tasks."
inputs = tokenizer(text, return_tensors="pt")# 推理
outputs = model(**inputs)
logits = outputs.logits
print("Logits:", logits)

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