【机器学习】QLoRA：基于PEFT亲手微调你的第一个AI大模型

之前陆续写了Qwen1.5、Qwen2.0、GLM-4等国产开源大模型的原理、训练及推理相关的文章，每一篇都拿到了热榜第一，但其中训练部分均基于Llama-factory框架，对于工程师而言，最喜欢的就是刨根问底，使用中间层的训练框架，还是少一些“安全感”。今天我们抛开中间框架，深入底层，一步一步带大家微调一个大模型。

二、量化与微调—原理剖析

2.1 为什么要量化微调?

量化微调要解决的问题：全参数、高比特（32bit或16bit）微调训练需要大量的GPU显存资源，于是通过缩减参数位数（Quantization）以及缩减可训练参数规模（LoRA）等策略降低训练成本，达到全参数微调同等的效果。

如上图，针对一个7B的模型，全参数16位微调，需要60G显存，QLoRA4位微调仅需6GB，仅需要1/10。面对昂贵的GPU资源，量化微调技术真的是“知识解放生产力”的典范。下面分别讲解量化和微调的原理。

2.2 量化（Quantization）

2.2.1 量化原理

向量量化：int8/int4

通俗将就是将float16位浮点型转换为int8位整型，可以分为“0点量化zero-point”和“最大绝对值absmax”量化，下图是“最大绝对值absmax”量化的示例。

我们计划量化至int8的范围为[-127，127]：

取fp16向量的最大值5.4，127除以5.4得到23.5，作为缩放因子
fp16向量的所有数乘以23.5得到int8的向量

反量化为FP16：

将int8的向量除以缩放因子23.5

矩阵量化（0退化）

经过证明，量化的损失是由离群点（偏离整体分布的点）特征导致的，于是设定一个异常阈值，将大于阈值的列抽离出来维持fp16，对小于异常阈值的矩阵进行量化计算，可以保证精度不丢失。动图演示如下：

抽取线性矩阵W、X的非离群值量化为int8：

从输入的隐含状态中，按列提取异常值 (即大于某个阈值的值)。
对 FP16 离群值矩阵和 Int8 非离群值矩阵分别作矩阵乘法。

反量化为FP16：

反量化非离群值的矩阵乘结果并其与离群值矩阵乘结果相加，获得最终的 FP16 结果。

2.2.2 量化代码

bitsandbytes库：量化任何模型的最简单方法之一，与GGUF均属于零样本量化，不需要量化校准数据及校准过程（而AWQ和GPTQ等量化方啊均需要少量样本进行校准）。任何模型只要含有 torch.nn.Linear 模块，就可以对其进行开箱即用的量化。

nf4/fp4量化代码，很简单，仅需要一个BitsAndBytesConfig配置即可使用。

from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM,BitsAndBytesConfig
###int4量化配置
quantization_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,  # 或者 load_in_8bit=True，根据需要设置
    #llm_int8_threshold=6.0,
    #llm_int8_has_fp16_weight=False,
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16,
    bnb_4bit_quant_type="nf4",#添加nf4配置，去掉为fp4
    bnb_4bit_use_double_quant=True,#添加nf4配置，去掉为fp4
)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_dir,device_map=device,trust_remote_code=True,torch_dtype=torch.float16,quantization_config=quantization_config)
print(model)

输出模型结构，可以看到Attention和MLP层中的Linear线性层全部变成了linear4bit：

Qwen2ForCausalLM(
  (model): Qwen2Model(
    (embed_tokens): Embedding(152064, 3584)
    (layers): ModuleList(
      (0-27): 28 x Qwen2DecoderLayer(
        (self_attn): Qwen2SdpaAttention(
          (q_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=True)
          (k_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=512, bias=True)
          (v_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=512, bias=True)
          (o_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=False)
          (rotary_emb): Qwen2RotaryEmbedding()
        )
        (mlp): Qwen2MLP(
          (gate_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=18944, bias=False)
          (up_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=18944, bias=False)
          (down_proj): Linear4bit(in_features=18944, out_features=3584, bias=False)
          (act_fn): SiLU()
        )
        (input_layernorm): Qwen2RMSNorm()
        (post_attention_layernorm): Qwen2RMSNorm()
      )
    )
    (norm): Qwen2RMSNorm()
  )
  (lm_head): Linear(in_features=3584, out_features=152064, bias=False)
)

2.3 微调（Fine-Tuning）

2.3.1 LoRA

核心思想：通过低秩分解来模拟参数的改变量，以极小的参数来实现大模型的间接训练。

如下图，涉及到矩阵相乘的模块，比如transformers中的Q、K、V线性模块，在原始的权重旁边增加两个低维度的小矩阵A、B，通过前后两个矩阵A、B相乘，第一个矩阵A负责降维，第二个矩阵B负责升维，中间层维度为r，为了将维度还原。

假设原始维度为d，这样就将d*d降为d*r+r*d

训练：只更新新增的A、B两个小矩阵参数
推理：将原矩阵W与A、B两个小矩阵乘积BA加起来作为结果h=Wx+BAx=(W+BA)x，对于推理来说，不增加额外资源

代码很简单，还是一个配置文件LoraConfig：

from peft import LoraConfig,get_peft_model
config = LoraConfig(
    r=32,
    lora_alpha=16,
    target_modules=["q_proj", "k_proj", "v_proj", "o_proj", "gate_proj", "up_proj","down_proj"],
    lora_dropout=0.05,
    bias="none",
    task_type="CAUSAL_LM",
)
model = get_peft_model(model, config)
print(model)

引用peft（Parameter-Efficient Fine-Tuning）库
配置Lora配置文件LoraConfig
通过peft封装的get_peft_model方法将LoraConfig应用于model

查看模型结构会发现原有的Linear4bit结构，如q_proj：

(q_proj): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=True)

变成了：

(q_proj): lora.Linear4bit(
  (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=True)
  (lora_dropout): ModuleDict(
    (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
  )
  (lora_A): ModuleDict(
    (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
  )
  (lora_B): ModuleDict(
    (default): Linear(in_features=32, out_features=3584, bias=False)
  )
  (lora_embedding_A): ParameterDict()
  (lora_embedding_B): ParameterDict()
)

在Linear4bit基础上，新增了

lora_dropout：用于防止过拟合
Lora_A和Lora_B的ModuleDict：其中A的out_features与B的in_features相同，都为r=32
Lora_A和Lora_B的embedding层

对["q_proj", "k_proj", "v_proj", "o_proj", "gate_proj", "up_proj","down_proj"]等7个Linear4bit量化后的完整模型结构如下

PeftModelForCausalLM(
  (base_model): LoraModel(
    (model): Qwen2ForCausalLM(
      (model): Qwen2Model(
        (embed_tokens): Embedding(152064, 3584)
        (layers): ModuleList(
          (0-27): 28 x Qwen2DecoderLayer(
            (self_attn): Qwen2SdpaAttention(
              (q_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=True)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=3584, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (k_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=512, bias=True)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=512, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (v_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=512, bias=True)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=512, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (o_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=3584, bias=False)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=3584, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (rotary_emb): Qwen2RotaryEmbedding()
            )
            (mlp): Qwen2MLP(
              (gate_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=18944, bias=False)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=18944, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (up_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=3584, out_features=18944, bias=False)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=3584, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=18944, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (down_proj): lora.Linear4bit(
                (base_layer): Linear4bit(in_features=18944, out_features=3584, bias=False)
                (lora_dropout): ModuleDict(
                  (default): Dropout(p=0.05, inplace=False)
                )
                (lora_A): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=18944, out_features=32, bias=False)
                )
                (lora_B): ModuleDict(
                  (default): Linear(in_features=32, out_features=3584, bias=False)
                )
                (lora_embedding_A): ParameterDict()
                (lora_embedding_B): ParameterDict()
              )
              (act_fn): SiLU()
            )
            (input_layernorm): Qwen2RMSNorm()
            (post_attention_layernorm): Qwen2RMSNorm()
          )
        )
        (norm): Qwen2RMSNorm()
      )
      (lm_head): Linear(in_features=3584, out_features=152064, bias=False)
    )
  )
)

2.3.2 QLoRA

聪明的人已经想到了，将上文讲到的Quantization与Lora结合，不就是QLoRA吗。

在训练模型的时候，将Linear层转换为Linear4bit
对Linear4bit量化层添加A、B两个低秩为r的小矩阵
这两个小矩阵的权重通过量化权重的反向传播梯度进行微调

在LoRA的基础上，QLoRA关键做了3点创新：

NF4（4bit NormalFloat）：改进的4位量化法，确保每个量化箱中的值数量相等。
双量化：对第一次量化后的那些常量再进行一次量化，减少存储空间。
分页优化器：使用Nvidia内存分页，在GPU资源不足的情况下，使用CPU计算

回忆一下上面量化部分BitsAndBytesConfig的代码，是不是很熟悉：

quantization_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,  # 或者 load_in_8bit=True，根据需要设置
    #llm_int8_threshold=6.0,
    #llm_int8_has_fp16_weight=False,
    llm_int8_enable_fp32_cpu_offload=True,
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16,
    bnb_4bit_quant_type="nf4",#添加nf4配置，去掉为fp4
    bnb_4bit_use_double_quant=True,#添加nf4配置，去掉为fp4
)

三、量化与微调—实战演练：以Qwen2为例，亲手微调你的第一个AI大模型

3.1 模型预处理—依赖安装、库包导入、模型下载

from modelscope import snapshot_download
model_dir = snapshot_download('qwen/Qwen2-7B-Instruct')

import torch
import torch.nn as nn
import transformers
from datasets import load_dataset,load_from_disk
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM,BitsAndBytesConfig

from peft import LoraConfig,get_peft_model,prepare_model_for_kbit_training

这里还是

使用modelscope下载模型，
使用transformers的自动分词器（AutoTokenizer）、自动模型库（AutoModelForCausalLM）、量化配置（BitsAndBytesConfig）等处理模型，
使用dataset处理数据，
使用peft加载lora配置并进行微调
以及离不开的torch。

回忆一下安装conda环境以及pip依赖包的方法

conda create -n train_llm python
conda activate train_llm

pip install transformers,modelscope,peft,torch,datasets,accelerate,bitsandbytes -i https://mirrors.cloud.tencent.com/pypi/simple

3.2 模型预处理—加载量化模型

采用BitsAndBytesConfig配置量化参数，采用AutoModelForCausalLM加载量化参数

device = "auto" # the value needs to be a device name (e.g. cpu, cuda:0) or 'auto', 'balanced', 'balanced_low_0', 'sequential'

###int4量化配置
quantization_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,  # 或者 load_in_8bit=True，根据需要设置
    #llm_int8_threshold=6.0,
    #llm_int8_has_fp16_weight=False,
    llm_int8_enable_fp32_cpu_offload=True,
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16,#虽然我们以4位加载和存储模型，但我们在需要时会部分反量化他，并以16位精度进行计算
    bnb_4bit_quant_type="nf4",#nf量化类型
    bnb_4bit_use_double_quant=True,#双重量化，量化一次后再量化，进一步解决显存
)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_dir,device_map=device,trust_remote_code=True,torch_dtype=torch.float16,quantization_config=quantization_config)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir,trust_remote_code=True,padding_side="right",use_fast=False)

print(model)

3.3 模型预处理—加载LoRA网络

from peft import LoraConfig,get_peft_model,prepare_model_for_kbit_training

model = prepare_model_for_kbit_training(model)
config = LoraConfig(
    r=32,
    lora_alpha=16,
    target_modules=["q_proj", "k_proj", "v_proj", "o_proj", "gate_proj", "up_proj","down_proj"],
    lora_dropout=0.05,
    bias="none",
    task_type="CAUSAL_LM",
)
model = get_peft_model(model, config)
print(model)

采用prepare_model_for_kbit_training对norm和LM head层进行处理，提升训练稳定性（非常必要，否则会报显存不足的错误）：
layer norm 层保留 FP32 精度
embedding层以及 LM head 输出层保留 FP32 精度
采用get_peft_model为模型添加lora层

3.4 数据预处理—下载、处理数据

这里采用huggingface上的Abirate/english_quotes数据集，我这里由于网络环境原因，手动下载保存至./目录。

data = load_dataset('json',data_files="./quotes.jsonl")
data = data.map(lambda samples: tokenizer(samples["quote"]), batched=True)
print(data)

数据集样例（这里为例调试，实际请替换自己的数据集。）：

通过tokenizer和data.map将每一行quote中的数据分词处理为input_ids。输出为

3.5 模型训练

经过包导入、模型量化、模型lora、数据预处理，重要到了第5步：模型训练

trainer = transformers.Trainer(
    model=model,
    train_dataset=data["train"],
    args=transformers.TrainingArguments(
        per_device_train_batch_size=4,
        gradient_accumulation_steps=4,
        warmup_steps=10,
        max_steps=50,
        learning_rate=3e-4,
        fp16=True,
        logging_steps=1,
        output_dir="outputs/checkpoint-1"+time_str,
        optim="paged_adamw_8bit",
        save_strategy = 'steps',
        save_steps = 10,
    ),
    data_collator=transformers.DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer, mlm=False),
)

model.config.use_cache = False  # silence the warnings. Please re-enable for inference!
trainer.train()

trainer.save_model(trainer.args.output_dir)

采用transformers的训练器Trainer，输入qlora模型、数据、训练参数、数据收集器等参数，启动训练。

Qwen2-7B-Instruct模型按以上参数训练占用显存约20G。

3.6 模型合并及推理

以上是一段模型合并推理测试代码，主要包括

导入peft内的PeftModel模型类和PeftConfig配置类
通过trainer.args.output_dir获取微调模型目录peft_model_dir
获取微调后的模型配置config
加载基座模型
通过PeftModel.from_pretrained(model,peft_model_dir)将基座模型与微调模型合并
模型推理，同使用基座模型一样！

import torch
from peft import PeftModel, PeftConfig
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer

peft_model_dir = trainer.args.output_dir
config = PeftConfig.from_pretrained(peft_model_dir)
print(config)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    config.base_model_name_or_path, return_dict=True,  device_map=device,
    torch_dtype=torch.float16, quantization_config=quantization_config
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(config.base_model_name_or_path)

# Load the Lora model
model = PeftModel.from_pretrained(model, peft_model_dir)

print(model)
# 模拟对话
prompt = "详细介绍一下大语言模型,评价下与深度学习的差异"
messages = [
    {"role": "system", "content": "你是一个智能助理."},
    {"role": "user", "content": prompt}
]
text = tokenizer.apply_chat_template(
    messages,
    tokenize=False,
    add_generation_prompt=True
)
model_inputs = tokenizer([text], return_tensors="pt").to(model.device)

gen_kwargs = {"max_length": 512, "do_sample": True, "top_k": 1}
with torch.no_grad():
    outputs = model.generate(**model_inputs, **gen_kwargs)
    outputs = outputs[:, model_inputs['input_ids'].shape[1]:] #切除system、user等对话前缀
    print(tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True))

推理所用显存：约15G

推理结果（本文仅为跑通流程，不提供涉及业务的任何相关数据，各位可以根据自己实际情况替换3.4的数据部分）：

3.7 附：完整代码

from datetime import datetime
now = datetime.now()
time_str = now.strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')
print(time_str)

from modelscope import snapshot_download
model_dir = snapshot_download('qwen/Qwen2-7B-Instruct')

import torch
import torch.nn as nn
import transformers
from datasets import load_dataset,load_from_disk
from transformers import AutoTokenizer, AutoModelForCausalLM,BitsAndBytesConfig


device = "auto" # the value needs to be a device name (e.g. cpu, cuda:0) or 'auto', 'balanced', 'balanced_low_0', 'sequential'

###int4量化配置
quantization_config = BitsAndBytesConfig(
    load_in_4bit=True,  # 或者 load_in_8bit=True，根据需要设置
    #llm_int8_threshold=6.0,
    #llm_int8_has_fp16_weight=False,
    llm_int8_enable_fp32_cpu_offload=True,
    bnb_4bit_compute_dtype=torch.float16,#虽然我们以4位加载和存储模型，但我们在需要时会部分反量化他，并以16位精度进行计算
    bnb_4bit_quant_type="nf4",#nf量化类型
    bnb_4bit_use_double_quant=True,#双重量化，量化一次后再量化，进一步解决显存
)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(model_dir,device_map=device,trust_remote_code=True,torch_dtype=torch.float16,quantization_config=quantization_config)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(model_dir,trust_remote_code=True,padding_side="right",use_fast=False)
model.gradient_checkpointing_enable

print(model)

def print_trainable_parameters(model):
    """
    Prints the number of trainable parameters in the model.
    """
    trainable_params = 0
    all_param = 0
    for _, param in model.named_parameters():
        all_param += param.numel()
        if param.requires_grad:
            trainable_params += param.numel()
    print(
        f"trainable params: {trainable_params} || all params: {all_param} || trainable%: {100 * trainable_params / all_param}"
    )

from peft import LoraConfig,get_peft_model,prepare_model_for_kbit_training

model = prepare_model_for_kbit_training(model)
config = LoraConfig(
    r=32,
    lora_alpha=16,
    target_modules=["q_proj", "k_proj", "v_proj", "o_proj", "gate_proj", "up_proj","down_proj"],
    lora_dropout=0.05,
    bias="none",
    task_type="CAUSAL_LM",
)
model = get_peft_model(model, config)
print(model)
print_trainable_parameters(model)


# Verifying the datatypes.
dtypes = {}
for _, p in model.named_parameters():
    dtype = p.dtype
    if dtype not in dtypes:
        dtypes[dtype] = 0
    dtypes[dtype] += p.numel()
total = 0
for k, v in dtypes.items():
    total += v
for k, v in dtypes.items():
    print(k, v, v / total)

"""### Training"""

data = load_dataset('json',data_files="./quotes.jsonl")
data = data.map(lambda samples: tokenizer(samples["quote"]), batched=True)
print(data)

trainer = transformers.Trainer(
    model=model,
    train_dataset=data["train"],
    args=transformers.TrainingArguments(
        per_device_train_batch_size=4,
        gradient_accumulation_steps=4,
        warmup_steps=10,
        max_steps=50,
        learning_rate=3e-4,
        fp16=True,
        logging_steps=1,
        output_dir="outputs/checkpoint-1"+time_str,
        optim="paged_adamw_8bit",
        save_strategy = 'steps',
        save_steps = 10,
    ),
    data_collator=transformers.DataCollatorForLanguageModeling(tokenizer, mlm=False),
)

model.config.use_cache = False  # silence the warnings. Please re-enable for inference!
trainer.train()

trainer.save_model(trainer.args.output_dir)


import torch
from peft import PeftModel, PeftConfig
from transformers import AutoModelForCausalLM, AutoTokenizer

peft_model_dir = trainer.args.output_dir
config = PeftConfig.from_pretrained(peft_model_dir)
print(config)
model = AutoModelForCausalLM.from_pretrained(
    config.base_model_name_or_path, return_dict=True,  device_map=device,
    torch_dtype=torch.float16, quantization_config=quantization_config
)
tokenizer = AutoTokenizer.from_pretrained(config.base_model_name_or_path)

# Load the Lora model
model = PeftModel.from_pretrained(model, peft_model_dir)

print(model)
# 模拟对话
prompt = "详细介绍一下大语言模型,评价下与深度学习的差异"
messages = [
    {"role": "system", "content": "你是一个智能助理."},
    {"role": "user", "content": prompt}
]
text = tokenizer.apply_chat_template(
    messages,
    tokenize=False,
    add_generation_prompt=True
)
model_inputs = tokenizer([text], return_tensors="pt").to(model.device)

gen_kwargs = {"max_length": 512, "do_sample": True, "top_k": 1}
with torch.no_grad():
    outputs = model.generate(**model_inputs, **gen_kwargs)
    outputs = outputs[:, model_inputs['input_ids'].shape[1]:] #切除system、user等对话前缀
    print(tokenizer.decode(outputs[0], skip_special_tokens=True))