LLM 原理 - 输入预处理

2025年12月6日 16:01

前言

最近在学习大模型的实现原理，为了更好地理解整个流程，我把学习中的关键概念和实现细节整理成了笔记。一方面帮助自己梳理思路、加深印象，另一方面也作为日后复习和查阅的基础。内容会按照模型的实际处理流程展开，希望能以清晰易懂的方式记录大模型的核心机制。

大模型原理概述

大模型最经典的架构图来自《Attention Is All You Need》，从这张图可以看到 Transformer 的基础结构是由“编码器”和“解码器”两部分组成的。虽然现在的大模型（像 GPT、LLaMA 这种）大多只保留了右侧的解码器结构，但它们整体的工作流程仍然遵循 Transformer 的思路。

整体原理可以简单理解成：

用户输入的文本会先经过 tokenizer 切成 token，再通过 embedding 转成向量。
这些向量会被送入 Transformer 的多层结构中处理。
每一层都会做自注意力（Mulit-Head Attention，多头自注意力，让模型去关注上下文里的其他词）、前馈网络（Feed-Forward Network）、残差连接（Add）、层归一化（Norm）等操作，层数越多，模型对上下文的理解就越深。
最后一层会把处理后的向量经过线性变换，然后通过 softmax 得到一个概率分布。
这个概率分布表示：“在所有 token 里，下一步最可能是哪个”。
模型会根据这个概率分布选出下一个 token（可能是选最高概率，也可能按概率采样）。
选出来的这个 token 会被加回当前输入，让模型继续推理下一个。
模型就是这样不断循环：一步一步预测下一个 token，逐渐拼出完整的句子。
当所有 token 都生成完成后，再通过 tokenizer 解码，就得到了最终的可读文本。

整体来说，大模型的生成过程并不是一次性输出整段文本，而是每次只预测一个 token，然后把它接回去继续算，直到生成结束。

输入预处理

输入预处理虽然在 Transformer 的架构图中只占了一小块，但如果把整个生成流程拆开来看，它其实是整个大模型的第一步，也是后面所有计算的基础。输入处理得好不好，直接影响到模型能不能正确理解你的话。

1. 训练阶段先要把词表准备好

在模型训练之前，会先收集海量的文本数据，然后训练一个 tokenizer。它的作用就是：

把人类的自然语言拆成模型可接受的最小单位（叫 token）
给每个 token 分配一个唯一的 token id
形成一个固定的词表（vocab）

token 不一定是字，也不一定是词，更不是固定长度。现代 tokenizer 通常是“子词模式”，比如：

我 | 今天 | 吃 | 了 | 橙 | 子
happy → hap | py
unbelievable → un | believe | able

也就是说，词表中既可能有完整的词，也可能是词的一部分，这样可以极大减少词表大小，让模型处理能力更灵活。

2. 用户输入时，先把句子拆成 token

当用户输入一句话，比如：

我今天想吃火锅

模型不会直接拿这个句子处理，而是：

按照训练好的 tokenizer 规则进行切分
得到对应的 token 序列
再查词表，把它们转成 token id

得到的结果类似这样的一个数组：

[123, 520, 11, 98, 8801]

也就是数字形式的 token 序列。

3. token id 需要转成向量（Embedding）

模型不能直接理解 token id，因为 token id 只是一个“编号”，不包含任何语义。所以下一步是通过 embedding table，把 token id 转换成对应的向量：

每个 token 变成一个高维向量（例如 4096 维）
所有 token 向量堆在一起就形成输入矩阵

向量的意义是：

让模型通过数字之间的关系来“理解”语言，比如相似的词向量更接近。

4. 生成位置 embedding 告诉模型位置顺序

Transformer 最大的特点是：

它的注意力机制没有顺序意识。

换句话说，如果没有额外的位置信息，它只知道有哪些 token，不知道谁在前、谁在后。

这会导致严重的问题，比如：

“我吃了橙子”
“橙子吃了我”

对模型来说，单看 token 本身完全一样，只是顺序不同，所以必须把位置告诉模型。

因此，模型会为每个 token 生成一个位置 embedding。

早期 Transformer 位置 embedding是正弦余弦序列，现代模型常用更先进的 RoPE（旋转位置编码）。但无论哪种方法，目的都是：

告诉模型“你现在看到的是第 1 个、第 2 个、第 3 个 token…”

5. token embedding 和 position embedding 合并

模型最终接收的是：

token 本身表达的含义（token embedding）
+ 
它在句子中的顺序（position embedding）

早期 Transformer 是直接做向量加法：

final_embedding = token_embedding + position_embedding

现代模型虽然底层机制更复杂（比如 RoPE 会作用到注意力的 Q、K 上），但整体来说：它们都是在让模型同时知道“词的语义”和“词的位置”。

这两个 embedding 合并之后，就是最终送入 Transformer Block 的输入。

6. 最终得到完整的输入矩阵

假设一句话拆成 10 个 token，每个 embedding 是 4096 维，那么模型的实际输入会是一个：

10 × 4096 的矩阵

这就是 Transformer 后面所有自注意力、多头机制和深层计算的起点。

总结一下

输入预处理的整个流程可以总结为：

把文本 → token → token id → token embedding → 加上位置 embedding → 得到最终的输入向量矩阵，送进 Transformer。

它解决了三件关键问题：

文本如何变成模型能算的数字
模型如何知道每个 token 的意思
模型如何知道 token 的顺序

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