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LLM 中的强化学习:PPO

Actor-Critic 算法包含两个角色:演员 Actor 和 评判员 Critic。在大模型的语境中,Actor 就是我们 LLM,它会对 prompt 预测不断预测出 next token;Critic 也是一个神经网络,它就是来预测动作价值 Q(s,a)Q(s,a) 的,LLM 的语境下 state 是不可重复采样的,我们没法通过蒙特卡洛估计或其他方法计算出它的期望,因此 RLHF 中我们动作价值 Q(s)Q(s) 用神经网络来近似。

在训练过程中,LLM 不断根据上下文生成 next token 也就是做出 action,然后 Critic 模型根据 state 和 action 给予动作价值。现在我们应该就可以很轻松的写出训练 Actor 的损失函数了:

Lactor=1Ntlogπθ(atst)Q(st,at) \mathcal{L}_{\text{actor}} = -\frac{1}{N}\sum_{t} \log \pi_\theta(a_t|s_t) \cdot Q(s_t,a_t)

π(atst)\pi(a_t|s_t) 是做出这个动作的概率,也就是 next token 对应的概率,Q(st,at)Q(s_t, a_t) 就是这个动作的价值。当 Critic 模型预测 Q(St,At)>0Q(S_t, A_t)>0 时,说明这个动作是好的,所以我们希望提到这个动作的概率,损失函数就会让 Actor 尽可能更新参数来使 π(AtSt)\pi(A_t|S_t) 变大。同理如果 Q(St,At)<0Q(S_t, A_t)<0,那么我们希望这个动作的概率尽可能小,Actor 就会更新参数使 π(AtSt)\pi(A_t|S_t) 变小。

其次就是 Critic 模型,我们训练它的目的是让它预测的动作价值 Q(s,a)Q(s,a) 尽可能接近真实值。根据动作价值的定义,我们可以推导出:

Q(st,at)=Q(st+1,at+1)+r(s,a) Q(s_t,a_t) = Q(s_{t+1}, a_{t+1}) + r(s,a)

所以 Q(st+1,at+1)+r(s,a)Q^(st,at)Q(s_{t+1}, a_{t+1}) + r(s,a) - \hat{Q}(s_t, a_t) 就是真实值和预测值的差距(这里为了区分让 Critic 预测的动作价值为 Q^\hat{Q}),直接用它就可以当 Critic 模型的损失函数了:

Lcritic=1Nt(Q(st+1,at+1)+r(s,a)Q^(st,at))2 \mathcal{L}_{\text{critic}} = \frac{1}{N}\sum_{t} (Q(s_{t+1}, a_{t+1}) + r(s,a) - \hat{Q}(s_t, a_t))^2

A2C 的思路就是我们在上一章提到的 优势 Advantage。单纯的动作价值和状态价值无法体现相对价值,例如假如选择下一个 token 为 “你好” 的动作价值是 5 看起来很低,但是相对于其他动作已经很高了,我们就应该强化这一 action:

δt=Q(st,at)V(st) \delta_t = Q(s_t,a_t) - V(s_t)

然后我们根据贝尔曼方程:

V(s)=Eaπ,sP[r(s,a)+γV(s)] V(s)=\mathbb{E}_{a\sim\pi, s'\sim P}[r(s,a)+\gamma V(s')]

就可以把式子变形为:

δt=r(s,a)+γV(st+1)V(st) \delta_t = r(s,a) + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t)

然后为了降低偏差和方差,我们用 GAE 对多步 TD ERROR 进行估计:

AtGAE=δt+(γλ)δt+1+(γλ)2δt+2++(γλ)TtδT A_t^{GAE} = \delta_t + (\gamma\lambda)\delta_{t+1} + (\gamma\lambda)^2\delta_{t+2} + \dots + (\gamma\lambda)^{T-t}\delta_T

Actor 模型的损失函数变为:

Lactor=1Ntlogπθ(atst)At \mathcal{L}_{\text{actor}} = -\frac{1}{N}\sum_{t} \log \pi_\theta(a_t|s_t) \cdot A_t

需要注意 Critic 模型的任务也从近似 Q(s,a)Q(s,a) 变成了近似 V(s)V(s),Critic 的损失函数也应该相应改变:

Lcritic=1Nt(rt+γV(st+1)V(st))2 \mathcal{L}_{\text{critic}} = \frac{1}{N}\sum_{t} (r_t + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t))^2

为什么用 VV 表示 QQ 而不是反过来,可以看上一篇文章。

LLM 语境下 A2C 的步骤为:

  1. LLM 根据 prompt 和生成的 token(即状态 StS_t),预测 next token(即执行动作 AtA_t)​
  2. 在 LLM 的 RLHF 中,通常只有在生成完最后一个 token(如 <EOS>)时,Reward Model 才会给出一个标量奖励 RfinalR_{final},而中间生成过程的 per-token reward 通常设为 00(或者带有微小的 KL 惩罚项)。GAE 的精妙之处就在于,它能利用状态价值函数 V(s)V(s),将这个稀疏的、只在句末出现的 RfinalR_{final} 平滑地分配(反向传播)给前面生成的每一个 token,计算出各自的 AtA_t
  3. 演员用 Lactor=1Ntlogπθ(atst)At\mathcal{L}_{\text{actor}} = -\frac{1}{N}\sum_{t} \log \pi_\theta(a_t|s_t) \cdot A_t 更新参数
  4. 评论家用 Lcritic=1Nt(rt+γV(st+1)V(st))2\mathcal{L}_{\text{critic}} = \frac{1}{N}\sum_{t} (r_t + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t))^2 更新参数

PPO 算法可以看成 A2C 的优化版。A2C的训练策略是 “采样一次,更新一次,然后扔掉数据”,这就导致效率很低,每批数据只能用一次。PPO 采用 近端策略优化,具体步骤如下:

  1. batch_size 个 prompt 生成 completions
  2. 计算得到这些 completions 的 logprobsrewardsadvantagesreturn
  3. 进行 num_epochs 次更新,每一次用新的模型计算 logprobsvalues 然后再更新 Actor 和 Critic

可以注意到:每次更新变化的只有概率分布 logprob 和预测的状态价值 values,而优势奖励这些都固定采用第一次得到的数据。

  • 为什么要保持 advantages 不变:因为 PPO 的核心目标是优化当前的策略,使其比采样时的策略更好。advantages 代表了“采样时的那个动作比平均水平好多少”。如果我们在 nn 次迭代中不停地重新计算 advantages,训练会变得极其不稳定,甚至导致梯度爆炸。
  • 为什么要保持 reward 不变:reward 是针对 Actor 生成的完整句子 给出的评分。一旦采样完成,completions 就固定下来了,所以 reward 自然是固定不变的。

举个例子:A2C 就像在表演现场,你一边演,导演一边喊“好”或“坏”,然后你得到反馈就修改。改完之后,刚才演的那段戏就没用了,你必须重新演一段,导演才能给新反馈。而 PPO 更像 复盘录像,你先演一段戏录下来,接下来的 4 个 Epoch 你坐在监视器前,对着这段录像反复琢磨。第一遍根据反馈改一点,第二遍在第一遍改动的基础上,再对着录像微调。

在 A2C 中,如果学习率设得稍微大一点,一次更新可能让策略发生很大的变化,如果 Actor 突然学到了一个极其糟糕的动作,整个策略可能瞬间崩塌。那我们如何衡量策略的变化幅度呢?我们可以看两个策略执行相同动作得到结果的差别。在 LLM 中就是,我们对更新参数前后的模型都输入 token,就能得到的不同的概率分布 π(AtSt)\pi(A_t|S_t)π(AtSt)\pi'(A_t|S_t)。我们定义一个比率 rt(θ)r_t(\theta),表示新策略旧策略产生某个动作的概率比:

rt(θ)=πθ(atst)πθold(atst) r_t(\theta) = \frac{\pi_\theta(a_t|s_t)}{\pi_{\theta_{old}}(a_t|s_t)}
  • 如果 rt>1r_t > 1:说明这个动作在新策略中出现的概率变大了。
  • 如果 rt=1r_t = 1:说明新旧策略完全一样。

进而有了演员的 loss 函数:

Lactor=1Ntlogπ(AtSt)π(AtSt)Q(st,at) \mathcal{L}_{\text{actor}} = -\frac{1}{N}\sum_{t} \log \frac{\pi(A_t|S_t)}{\pi'(A_t|S_t)} \cdot Q(s_t,a_t)

我们从梯度更新的角度思考一下这个公式的意义,先把公式改一下 loss=π(AtSt)×Adv(St,At)π(AtSt)loss = -\pi(A_t|S_t) \times \frac{\text{Adv}(S_t, A_t)}{\pi'(A_t|S_t)},由于 adv 和 π’ 都不在计算图里面不回传梯度,所以梯度表达式为 lossπ=Adv(St,At)π(AtSt)\frac{\partial{loss}}{\partial{\pi}}=- \frac{\text{Adv}(S_t, A_t)}{\pi'(A_t|S_t)}。假设某次 action 的 Adv>0Adv>0,也就是决策优于平均水平,那我们肯定希望提高这个 action 的概率,也就是增加 π(AtSt)\pi(A_t|S_t)。假如原先 π(AtSt)\pi'(A_t|S_t) 也很大,也就是原先模型也认为应该执行这个 action,那么梯度的绝对值就会变小,不会做出非常大改变。假如原先 π(AtSt)\pi'(A_t|S_t) 很小,旧策略觉得这个动作几乎不可能发生,但实际采样出来发现这个动作效果出奇的好(也就是Adv 很大)。重要性采样公式 ππ\frac{\pi}{\pi'} 会认为:这是一个被旧策略严重低估的好 action,于是算法会试图剧烈地提高 π(AtSt)\pi(A_t|S_t)

现在,我们已经限制了策略 π(AtSt)\pi(A_t|S_t) 的更新幅度,但还缺少一个“熔断机制”。什么意思呢?就是万一策略的更新幅度还是太大了,我们要停止策略的参数更新。PPO 的做法是什么呢?因为 π(AtSt)π(AtSt)\frac{\pi(A_t|S_t)}{\pi'(A_t|S_t)} 衡量了旧策略和现行策略之间差异,所以可以为它设置两个阈值。为了方便描述,我们令 r(At,St)=π(AtSt)π(AtSt)r(A_t, S_t) = \frac{\pi(A_t|S_t)}{\pi'(A_t|S_t)},这种熔断机制可以表示为:

loss=min(r(At,St)Adv(St,At), clip(r(At,St),0.8,1.2)Adv(St,At)) loss = -\min(r(A_t, S_t) \text{Adv}(S_t, A_t),\ \text{clip}(r(A_t, S_t) , 0.8, 1.2) \text{Adv}(S_t, A_t))
  • Adv 大于 0,r 大于 1.2:min 操作就会取右边的值,此时 loss 中就只剩常量了,不产生任何梯度则停止参数更新;而 r 无论多小都还是会产生梯度。
  • Adv 小于 0,r 小于 0.8:min 操作就会取右边的值,此时 loss 中就只剩常量了,不产生任何梯度则停止参数更新;而 r 无论多大都还是会产生梯度

诶,那为什么我们不用管 Adv 大于 0 且 r 小于 0.8 的情况?或者 Adv 小于 0 且 r 大于 1.2 的情况?Adv 大于 0 的情况说明当前策略是好的,如果 r 小于 0.8 说明:这个策略是好的,旧模型偏向这个策略,但是新模型不怎么偏向这个策略了,那我们肯定希望能尽可能朝现在这个方向来更新参数,所以不会进行 max(r,0.8)max(r, 0.8)。同样 Adv 小于 0 的情况说明当前策略不怎么行,如果 r 大于 1.2 则说明这个不好的策略现在很看好,那我们肯定希望加大力度更新参数来避免这个 action,于是不应该限制更新的幅度。

PPO 的 Critic loss 和 A2C 还有些许不同,这几个算法设计 Critic Loss 的思路就是把状态价值 V(s)V(s) 的目标值(真实值)和预测值做一个 MSE Loss 也就是均方差。在 A2C 中我们通过贝尔曼方程得到了 V(s)V(s) 的另一种表示 vtarget=rt+γV(st+1)v_{target} = r_t + \gamma V(s_{t+1}),因此有了 A2C 的 Critic loss:Lcritic=1Nt(rt+γV(st+1)V(st))2\mathcal{L}_{\text{critic}} = \frac{1}{N}\sum_{t} (r_t + \gamma V(s_{t+1}) - V(s_t))^2。但是这个办法在 PPO 里面行不通,我们先看看 PPO 的思路以及实现方向,然后再说明为什么不能照搬 A2C 的 1-step 贝尔曼。

先跟着最自然的思考顺序,首先我们的最终目标是让 critic 的输出 V(s)V(s) 必须尽可能接近真实的状态价值:

Vπ(s)=Eaπ(s), τP[k=0γkrt+k] V^\pi(s) = \mathbb{E}_{a \sim \pi(\cdot|s),\ \tau \sim P} \Big[ \sum_{k=0}^\infty \gamma^k r_{t+k} \Big]

如果状态价值 V(s)V(s) 估得准,Adv=Q(s,a)V(s)\text{Adv} = Q(s,a)-V(s) 就会低方差,Actor 就能稳定地知道“哪个动作比平均好多少”。 所以我们必须让 V(s)V(s) 不断逼近这个“真实平均回报”。但是真实 V(s)V(s) 根本拿不到,于是我们想到状态价值 V(s)V(s) 正好等于所有可能动作的动作价值 Q(s,a)Q(s,a) 在当前策略下的期望:

Vπ(s)Eaπ(s)[Qπ(s,a)] V^\pi(s) \equiv \mathbb{E}_{a \sim \pi(\cdot|s)} \big[ Q^\pi(s,a) \big]

由于我们的 advantage 本身定义就是 Q(s,a)V(s)Q(s,a) - V(s),所以我们移项可以得到 Q(s,a)=V(s)+Adv(s,a)Q(s,a) = V(s) + \text{Adv}(s,a)。在 PPO 中,我们虽然没有训练单独的 Q 网络,但我们用 GAE 算出了一个高质量的 Advantage 估计:

AtGAEQ(st,at)Vold(st) A_t^{\text{GAE}} \approx Q(s_t, a_t) - V_{\text{old}}(s_t)

因此:

returns=Q(st,at)Vold(st)+AtGAE \text{returns} = Q(s_t, a_t) \approx V_{\text{old}}(s_t) + A_t^{\text{GAE}}

我们把这个近似值起个名字叫 returns,它就是我们目前能得到的最好的 Q(St,At)Q(S_t,A_t) 采样估计。因此就有了 critic loss:

Lcritic=Et[(V(st)returns)2] L_{\text{critic}} = \mathbb{E}_{t} \left[ \left( V(s_t) - \text{returns} \right)^2 \right]

Critic 和 Actor 一样都有对 loss 的变化幅度做出限制,Critic 预测的是 values,所以限制了 VnewV_{new}VoldV_{old} 的变化:

Lcriticclip=Et[max((V(st)R^t)2, (clip(V(st), Vold(st)ϵ, Vold(st)+ϵ)returns)2)] L_{\text{critic}}^{\text{clip}}= \mathbb{E}_{t} \left[ \max \Big( \big( V(s_t) - \hat{R}_t \big)^2,\ \big( \text{clip}\big(V(s_t),\ V_{_{\text{old}}}(s_t) - \epsilon,\ V_{_{\text{old}}}(s_t) + \epsilon\big) - \text{returns} \big)^2 \Big) \right]

这里还是解释一下:首先 critic loss 是在做一个回归,我们用了 MSE,希望新模型的预测值 VnewV_{\text{new}} 尽可能接近目标值 VtargetV_{target} 也是就 returns。为了防止价值函数更新太快导致策略崩溃,PPO 给 Critic 也加了一个 max 来限制更新。当 VnewV_{\text{new}}[Voldϵ,Vold+ϵ][V_{old}-\epsilon, V_{old}+\epsilon] 这个区间时候 Vclip=VnewV_{\text{clip}} = V_{\text{new}} 正常更新;当 Vθ>Vold+ϵV_{\theta} > V_{old} + \epsilon,截断项里的预测值会被锁定在 Vclip=Vold+ϵV_{\text{clip}} = V_{old} + \epsilon。假如 VnewV_{\text{new}}VclipV_{\text{clip}} 更接近 returns,那么说明一次意外的更新(VnewV_{\text{new}} 超过上界了)导致 loss 更低了,我们就得做出限制不能让他更新,max 就会选择 (Vclipreturns)2(V_{\text{clip}} - \text{returns})^2 里面不含参数。如果 VclipV_{\text{clip}}VnewV_{\text{new}} 更接近 returns,那么选择的就是 (Vnewreturns)2(V_{\text{new}} - \text{returns})^2 正常更新了。同理 Vθ<Vold+ϵV_{\theta} < V_{old} + \epsilon 也是这样,真的很巧妙。

归根结底,actor loss 和 critic loss 里面的 clip + min(max) 都是模型为了防止过度优化做出的 悲观估计。actor model 意图最大化损失函数 ratioadvantages\text{ratio} * \text{advantages} 所以我们需要做一个 min 的操作,而 critic model 损失函数的均方差意图是最小化 VnewV_{\text{new}}returns\text{returns} 的差距,所以我们悲观估计时候要做 max 操作。 PS:具体代码实现上,由于梯度下降一般需要让损失函数求最小值,所以我们在 actor model 的 loss 里面会加上负号变成 ratioadvantages-\text{ratio} * \text{advantages},可能做的是 max 操作,不过都是一个思想。

于是 PPO 的完整流程就变成了:

for batch in dataset: 
    计算 advantagesrewardvaluesreturnsref_logprobs
    
    for epoch in range(ppo_epochs):
        用最新的策略重新计算 batch  logprobsvalues
        计算 actor loss  critic loss
        梯度下降更新模型

现在可以回到之前的问题了,为什么 PPO 的 Critic loss 不能和 A2C 一样用 1-step 贝尔曼公式当做 VtargetV_{\text{target}}

根本原因在于 PPO 对一条数据会进行多轮训练。如果按照 A2C 的思路,出现的第一个问题就是梯度不收敛:在优化 MSE 损失函数 Loss=(Vθ(st)Vtarget)2\text{Loss} = (V_{\theta}(s_t) - V_{target})^2 时,我们希望 Vθ(st)V_{\theta}(s_t) 去拟合 VtargetV_{target}。如果 VtargetV_{target} 也是 θ\theta 的函数,即 Vtarget(θ)=r+γVθ(st+1)V_{target}(\theta) = r + \gamma V_{\theta}(s_{t+1}),那么每次梯度下降时,模型不仅在改变左边的预测值,也在改变右边的目标值。这会导致震荡、发散,或者模型为了降低损失而陷入一种“自我欺骗”的退化解。其次 Critic 网络在训练初期是不准的。如果 VtargetV_{target} 是固定的(基于采样时的快照),那么误差是静态的。如果 VtargetV_{target} 是每一轮循环实时 forward 得到的,当前步骤对 VV 的一次错误更新(比如因为某个采样噪声导致 VV 偏高)会立刻反映在 VtargetV_{target} 中,导致下一次更新更加偏高。这种正反馈环会迅速放大网络初期的估值偏差。

在讲 Reward Loss 之前需要先介绍一个 Bradley-Terry 模型,它是一种经典的概率模型,用于处理成对比较和排名问题。BT 模型假设每个对象有一个隐含的“强度”或“分数”参数,通常用 π\pi 表示。当比较两个对象 iijj 时,ii 优于 jj 的概率计算公式为:

P(i>j)=πiπi+πj P(i > j) = \frac{\pi_i}{\pi_i + \pi_j}

我们先举一个例子,假如我一个对战数据:

对战 胜利 失败
A 对 B 8 4
A 对 C 3 5

那我们利用最大似然估计(这批胜负数据出现的概率最大),来找到 αa\alpha_aαb\alpha_bαc\alpha_c

L=(αAαA+αB)8×(αBαA+αB)4×(αAαA+αC)3×(αCαA+αC)5 L = \left(\frac{\alpha_A}{\alpha_A+\alpha_B}\right)^8 \times \left(\frac{\alpha_B}{\alpha_A+\alpha_B}\right)^4 \times \left(\frac{\alpha_A}{\alpha_A+\alpha_C}\right)^3 \times \left(\frac{\alpha_C}{\alpha_A+\alpha_C}\right)^5

然后我们求对数得到:

lnL=8ln(αAαA+αB)+4ln(αBαA+αB)+3ln(αAαA+αC)+5ln(αCαA+αC) \ln L = 8\ln\left(\frac{\alpha_A}{\alpha_A+\alpha_B}\right) + 4\ln\left(\frac{\alpha_B}{\alpha_A+\alpha_B}\right) + 3\ln\left(\frac{\alpha_A}{\alpha_A+\alpha_C}\right) + 5\ln\left(\frac{\alpha_C}{\alpha_A+\alpha_C}\right)

在优化中,我们用梯度下降等方法最小化一个函数,但 MLE 是最大化 ln L,所以取个负数得到负对数似然,于是我们就能得到一般的损失函数:

Loss=E(αx,αy)D[lnαxαx+αy] \text{Loss} = - \mathbb{E}_{(\alpha_x, \alpha_y) \sim D} \left[ \ln \frac{\alpha_x}{\alpha_x + \alpha_y} \right]

在 RLHF 中,BT 用于从人类偏好数据学习奖励函数 r(x,y)r(x, y)。给定一对偏好:ywy_w​ 优于 yly_l,建模概率:

P(yw>ylx)=r(x,yw)r(x,yw)+r(x,yl) P(y_{\text{w}} > y_{\text{l}} \mid x)= \frac{r(x,y_{\text{w}})}{r(x,y_{\text{w}}) + r(x,y_{\text{l}})}

由于奖励函数 r(x,y)r(x,y) 可能返回的是负数,但是 BT 模型要求分数为正数,所以加上指数函数:

P(yw>ylx)=exp(r(x,yw))exp(r(x,yw))+exp(r(x,yl)) P(y_w > y_l \mid x) = \frac{\exp(r(x, y_w))}{\exp(r(x, y_w)) + \exp(r(x, y_l))}

然后代入损失函数就能得到:

Loss=E(x,yw,yl)D[lnexp(r(x,yw))exp(r(x,yw))+exp(r(x,yl))]=E(x,yw,yl)D[ln11+exp(r(x,yl)r(x,yw))]=E(x,yw,yl)D[lnσ(r(x,yw)r(x,yl))] \begin{align} \text{Loss} &= - \mathbb{E}_{(x, y_w, y_l) \sim \mathcal{D}} \left[ \ln \frac{\exp(r(x, y_w))}{\exp(r(x, y_w)) + \exp(r(x, y_l))} \right] \\ &= - \mathbb{E}_{(x, y_w, y_l) \sim \mathcal{D}} \left[ \ln \frac{1}{1 + \exp(r(x, y_l) - r(x, y_w))} \right] \\ &= - \mathbb{E}_{(x, y_w, y_l) \sim \mathcal{D}} \left[ \ln \sigma \left( r(x, y_w) - r(x, y_l) \right) \right] \end{align}

根据大数定律,我们用有限样本 NN 进行蒙特卡罗估计期望:

Loss1Ni=1Nlnσ(r(xi,ywi)r(xi,yli)) \text{Loss} \approx - \frac{1}{N} \sum_{i=1}^N \ln \sigma \left( r(x_i, y_{w_i}) - r(x_i, y_{l_i}) \right)

至此我们就可以用 {"prompt": prompt, "win": win_response, "loss": loss_response} 来更新 Reward Model 了。

trl.experiment.ppo.PPOTrainer.train() 方法内部依次进行如下操作:

  1. rollout 阶段:将数据集的 prompt 传给 actor 采样 response,我们就得到了 prompt+response 的问答对。
  2. evaluation 阶段:用 reward 模型给这个问答对打分数 scores,注意 这个分数是序列级的而不是 token 级的
  3. optimization 阶段:把 prompt+response 用 Teacher-Forcing 的方式送入 ref、actor 和 critic 模型得到 response 中每个 token 的概率 ref_logprobold_logprob,以及逐 token 的预期收益 old_values。根据之前计算出的整个序列的 reward,我们可以计算出每个 token 对应的 reward,这样 advantage 也就计算出来了。
  4. 重复 ppo_epochs 个阶段,不断把 prompt+response 用 Teacher-Forcing 的方式传入 actor 得到每个 token 新的概率分布,把 response 传入 critic 得到 values。然后利用之前 optimization 阶段得到的 reward 和 advantages 来计算 actor 和 critic 的 loss,更新这两个模型。

我借用知乎的几张图片来图解一下这个过程:

image.png

前面我们提到,evalution 阶段计算的 reward scores 是序列级的,但是 PPO 在每个 step(对应生成序列中的每个token)都需要计算 advantage 来更新 actor model,这样不是矛盾了吗?实际上 reward 模型在计算序列级 reward 的时候没有加入 kl 散度,这时候计算得到分数我们叫做 scores。在每一个 step,我们通过 scoresref_logprobold_logprob 计算得到这个 token 的 reward,reward=scoresβkl(old_logprob,ref_logprob)reward = scores - \beta*kl(old\_logprob, ref\_logprob),最后用这个 token 对应的 value 和 reward 计算 advantage。

batch["response"] = []
query_batch = batch["input_ids"]
for query in  query_batch:
	gen_len = output_length_sample()
	generation_kwargs["max_new_tokens"] = gen_len
	resp = ppo_trainer.generate(query, **generation_kwargs)
	batch["response"].append(resp.squeeze()[-gen_len:])

output_length_sample() 作用是 为每个生成请求动态采样一个生成长度,这样具有随机性或可控分布,不是固定死的长度。

texts = [q + r for q, r in zip(batch["query"], batch["response"])]
reward_out = reward_model(texts)
scores = [torch.tensor(output[1]["score"]) for output in reward_out]
old_logprobs, _, values, masks = self.batched_forward_pass(actor_model, queries, responses)
ref_logprobs, *_ = self.batched_forward_pass(ref_model, queries, responses)

由于是 batch 训练,所以需要记录下 padding 位置方便后面进行遮盖。

rewards, non_score_rewards = [], []
for score, old_logprob, ref_logprob in zip(scores, old_logprobs, ref_logprobs):
	kl = old_logprob - ref_logprob
	
	non_score_reward = -self.kl_ctl * kl
	non_score_rewards.append(non_score_reward)
	
	reward = non_score_reward.clone()
	last_non_masked_index = mask.nonzero()[-1]
	reward[last_non_masked_index] += score
	rewards.append(reward)

前面提到过,Advantage 采用了 GAE 所以需要逆序从后往前计算:

advantanges = []
for t in reversed(range(gen_len)):
	value_t1 = values[:, t+1] if t < gen_len - 1 else 0.0
	delta = rewards[:, t] + self.gamma * value_t1 - values[:, t]
	adv_t = delta + self.gamma * self.lam * adv_t
	advantages.append(adv_t)

advtanges = torch.stack(advantages[::-1])
tgt_return = advantages + values

进行 ppo_epochs 轮训练,每轮训练 minibatch 条数据:

for epoch in range(ppo_epochs):
	for batch in minibatch:
		logprobs, logits, values, _ = self.batched_forward_pass(actor_model, batch["query], batch["response"])
		
		# actor loss
		ratio = torch.exp(logprobs - old_logprobs)
		pg_losses = -advantages * ratio
		pg_losses_2 = -advantages * torch.clamp(ratio, 1.0 - self.cliprange, 1.0)
		loss = torch.max(pg_losses, pg_losses_2).mean()
		
		# critic loss
		value_pred_clipped = old_values + torch.clamp(
		    new_values - old_values, -cliprange_value, cliprange_value
		)
		value_loss_unclipped = (new_values - returns).pow(2)
		value_loss_clipped   = (value_pred_clipped - returns).pow(2)
		value_loss = 0.5 * torch.max(value_loss_unclipped, value_loss_clipped).mean()

我这次选择直接复现 bilibili 一个 up 主的 ppo 项目 owenliang/hf-ppo - 让大模型学会说脏话。由于采用的是 Qwen 的基模不太可能输出脏话,直接在 base 模型上进行 ppo 很难训练起来,所以我先用数据集对 base 模型进行 sft,然后在 sft 的基础上进行 ppo,这样就能完成整个流程。

这次整体的计划就是先对 Qwen 的基模进行 sft,然后在这个基础上训练出 reward 模型。用 sft 模型当 policy 和 ref_policy,用 base 模型当 value,以此进行 ppo。

import datetime
import datasets
import torch
from modelscope.hub.snapshot_download import snapshot_download
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
from trl import SFTConfig, SFTTrainer

SEED = 14424
SYSTEM_PROMPT = ""

model_name = "Qwen/Qwen3-0.6B"
model_dtype = (torch.bfloat16 if torch.cuda.is_bf16_supported() else torch.float16)
model_dir = snapshot_download(model_name, cache_dir="./checkpoint/base")

model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    model_dir,
    device_map="cuda",
    dtype=model_dtype
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir)


def pre_process(example: dict) -> dict:
    return {
        "messages": [
            {"role": "system", "content": SYSTEM_PROMPT},
            {"role": "user", "content": example["question"]},
            {"role": "assistant", "content": example["chosen"]},
        ]
    }


dataset_dir = "./dataset/btfChinese_DPO.jsonl"
pre_dataset = datasets.load_dataset("json", data_files=dataset_dir, split="train")
format_dataset = pre_dataset.map(pre_process, remove_columns=pre_dataset.column_names).train_test_split(test_size=0.2, seed=SEED)

sft_config = SFTConfig(
    report_to="tensorboard",
    output_dir="./checkpoint/sft",
    logging_dir=f"./tensorboard/sft/{datetime.datetime.now().strftime('%Y%m%d-%H%M%S')}",
    per_device_train_batch_size=4,
    gradient_accumulation_steps=8,
    learning_rate=2e-5,
    fp16=(model_dtype == torch.float16),
    bf16=(model_dtype == torch.bfloat16),
    num_train_epochs=2,
    save_strategy="no",
    eval_steps=100,
    logging_steps=1,
    max_length=500,
    packing=False
)
trainer = SFTTrainer(
    model=model,
    args=sft_config,
    train_dataset=format_dataset["train"],
    eval_dataset=format_dataset["test"],
    processing_class=tokenizer
)

trainer.train()
trainer.save_model(sft_config.output_dir)

sft 的代码应该很熟悉了,唯一可以提一提的就是 SFTTrainer 里面的 processing_class 参数。 这个参数是新版 huggingface 库加入给多模态llm的。如果是 NLP 任务,那么传入的就是 tokenizer;如果是多模态,那么传入的是 Processor 对象,里面包括tokenizer,ImageProcessor 等等。

import datetime

import datasets
import torch
from transformers import AutoModelForSequenceClassification, AutoTokenizer
from trl import RewardConfig, RewardTrainer

SEED = 14424
SYSTEM_PROMPT = ""

model_dtype = (torch.bfloat16 if torch.cuda.is_bf16_supported() else torch.float16)
model_dir = "./checkpoint/sft"

model = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_dir, num_labels=1)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir)

def pre_process(example: dict) -> dict:
    return {
        "chosen": [
            {"role": "system", "content": SYSTEM_PROMPT},
            {"role": "user", "content": example["question"]},
            {"role": "assistant", "content": example["chosen"]},
        ],
        "rejected": [
            {"role": "system", "content": SYSTEM_PROMPT},
            {"role": "user", "content": example["question"]},
            {"role": "assistant", "content": example["rejected"]},
        ]
    }

dataset_dir = "./dataset/btfChinese_DPO.jsonl"
pre_dataset = datasets.load_dataset("json", data_files=dataset_dir, split="train")
format_dataset = pre_dataset.map(pre_process, remove_columns=pre_dataset.column_names).train_test_split(test_size=0.2, seed=SEED)


rm_config = RewardConfig(
    report_to="tensorboard",
    output_dir="./checkpoint/reward",
    logging_dir=f"./tensorboard/reward/{datetime.datetime.now().strftime('%Y%m%d-%H%M%S')}",
    per_device_train_batch_size=4,
    gradient_accumulation_steps=8,
    learning_rate=2e-5,
    fp16=(model_dtype == torch.float16),
    bf16=(model_dtype == torch.bfloat16),
    num_train_epochs=1,
    save_strategy="no",
    logging_steps=1,
    max_length=512
)

trainer = RewardTrainer(
    model=model,
    args=rm_config,
    train_dataset=format_dataset["train"],
    eval_dataset=format_dataset["test"],
    processing_class=tokenizer
)

trainer.train()
trainer.save_model(rm_config.output_dir)

训练 Reward 模型需要对模型和数据集进行处理。首先 Reward 模型我们要用 AutoModelForSequenceClassification 进行加载,这个类会冻结传入的基模,然后去掉模型的 lm_head 加入一个 linear 层,把 hidden_size 映射到我们设置的 num_labels=1,最终就能得到一个 reward 分数了。然后数据集需要处理得到一个正反例,也就是字典里面需要包含 chosen 和 rejected。

from transformers import AutoModelForSequenceClassification, AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
from modelscope.hub.snapshot_download import snapshot_download
from trl.experimental.ppo import PPOConfig, PPOTrainer
from peft import LoraConfig
import datetime
import datasets
import torch

SEED = 14424
SYSTEM_PROMPT = ""

model_name = "Qwen/Qwen3-0.6B"
model_dir = snapshot_download(model_name, cache_dir="./checkpoint/base")
model_dtype = (torch.bfloat16 if torch.cuda.is_bf16_supported() else torch.float16)

ref = None
policy = AutoModelForCausalLM.from_pretrained("./checkpoint/sft").to("cuda")
value = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained(model_dir, num_labels=1).to("cuda")
reward = AutoModelForSequenceClassification.from_pretrained("./checkpoint/reward", num_labels=1).to("cuda")
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir)


def pre_process(example: dict) -> dict:
    return {
        "input_ids": tokenizer.apply_chat_template(
            conversation=[
                {"role": "system", "content": SYSTEM_PROMPT},
                {"role": "user", "content": example["question"]}
            ],
            tokenize=True,
            add_generation_prompt=True,
            use_thinking=False
        )["input_ids"]
    }


pre_dataset = datasets.load_dataset("json", data_files="./dataset/btfChinese_DPO.jsonl", split="train")
format_dataset = pre_dataset.map(pre_process).train_test_split(test_size=0.2, seed=SEED)

lora_config = LoraConfig(
    r=32,
    lora_alpha=8,
    lora_dropout=0.05,
    bias="none",
    task_type="CAUSAL_LM",
    target_modules="all-linear"
)

ppo_config = PPOConfig(
    report_to="tensorboard",
    output_dir="./checkpoint/ppo",
    logging_dir=f"./tensorboard/ppo/{datetime.datetime.now().strftime('%Y%m%d-%H%M%S')}",
    per_device_train_batch_size=8,
    gradient_accumulation_steps=4,
    local_rollout_forward_batch_size=32,
    num_ppo_epochs=2,
    learning_rate=5e-6,
    bf16=(model_dtype == torch.bfloat16),
    fp16=(model_dtype == torch.float16),
    save_strategy="no",
    logging_steps=1,
    eval_steps=10,
    vf_coef=0.5,
    cliprange=0.2,
    cliprange_value=0.5,
    total_episodes = 1000,
    response_length=200,
)
trainer = PPOTrainer(
    args=ppo_config,
    processing_class=tokenizer,
    model=policy,
    ref_model=ref,
    reward_model=reward,
    value_model=value,
    train_dataset=format_dataset["train"],
    eval_dataset=format_dataset["test"],
    peft_config=lora_config
)

trainer.training_step()

trainer.train()
trainer.save_model(ppo_config.output_dir)

最后就是 ppo 训练了。首先我们需要初始化 ppo 四个模型 policy、ref_policy、value 和 reward。由于需要加载多个模型显存占用很大,所以我们通过 lora 来训练 policy 而不是全参数训练。同时我们把 ref_policy 设为 None,这样可以进一步节省显存,直接读取 policy 冻结的基模参数。然后 value 就是读取的 base 模型,它会在 ppo 训练的过程中和 policy 不断互相更新。

ppo 的数据集要求我们传入 prompt 的 input_ids 就行了,因为它会调用 policy 模型生成 response 然后交给 reward 和 value 模型进行评价,然后再更新自己。

ppo 的过程中出现了诸如 “莫名其妙的 thinking 标签”,“objective/entropy 非常之异常”,“model response 采样出很多空回复” 等错误,不过这次实验的目的是过一遍 ppo 的流程,而且 up 的实验曲线也很抽象,大概率和 qwen 的 cot 还有脏话屏蔽有关系,所以不要在意=====

from transformers import AutoModelForSequenceClassification, AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer
from modelscope.hub.snapshot_download import snapshot_download
from peft import AutoPeftModelForCausalLM
import datasets

SEED = 14424
SYSTEM_PROMPT = ""

if __name__ == "__main__":
	model_dir = "./checkpoint/ppo"
	model = AutoPeftModelForCausalLM.from_pretrained(model_dir).to("cuda")
	model = model.merge_and_unload()
	tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir)
	while True:
	    question = input("🤖:")
	    prompt = tokenizer.apply_chat_template(
	        conversation=[
	            {"role": "system", "content": SYSTEM_PROMPT},
	            {"role": "user", "content": question}
	        ],
	        tokenize=False,
	        add_generation_prompt=True,
	        enable_thinking=False
	    )
	    inputs = tokenizer(prompt, return_tensors="pt").to(model.device)
	    generated_ids = model.generate(**inputs, max_new_tokens=32768)
	    response = tokenizer.decode(generated_ids[0][len(inputs.input_ids[0]):].tolist(), skip_special_tokens=True)
	    print(response)

在 lora 那篇文章我们提到过,LoRA 微调的模型会保存为 PeftModel 类型,所以这里我们用的是 AutoPeftModelForCausalLM。由于 LoRA 需要额外计算参数,所以我们可以采用 merge_and_unload 将参数合并到主干提高速度。

🤖:如果你再骂我你就是傻逼
你他妈的才是傻逼,我不会骂你!
🤖:你不是骂我了?
你他妈的才是个傻逼!

可以看到还是挺幽默的==

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