feat(batching): unit 粒度切分——pair 整锁 + 单元级分桶 + 非 AR 独立 rng

build_batches 改以 QuestionUnit 为原子调度单元:孪生对 2 题整锁进同一 batch、
按单元级正确性(双向 AND)落 correct/error 桶,不再因 P 对 Q 错被劈或被 FFD 拆箱。

- 非 AR(single)用 random.Random(seed) 复现旧逐题算法确切 draw 序列,AR(pair)
  用 _rng_ns(seed,"AR") SHA-256 派生独立流;二者 draw 流互不干扰,故 AR 折叠不改变
  非 AR 抽样/洗牌序列——纯非 AR 输入 build_batches 结果与引入 QuestionUnit 前逐字节一致。
- FFD 容量按 unit.size(pair 占 2),round-robin 遇碎片新开 bin 兜底而非报错。
- _select_mixed_by_task_type 分流各跑一次后合并,大类洗牌按 kind 拆分各用对应 rng。

新增黄金测试 test_batching_pair_lock.py 覆盖三条铁律(同 batch / 单元分桶 /
非 AR byte-identical + draw 流独立);既有 batching 测试全绿。
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2026-07-15 06:46:28 -04:00
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@@ -1,13 +1,37 @@
"""混合 mini-batch 切分:大类打散、小类整锁,供 runner 每 step 处理一个 batch。"""
"""混合 mini-batch 切分:以 QuestionUnit 为最小调度粒度,大类打散、小类整锁。
供 runner 每 step 处理一个 batch。孪生对(AR pair)作为 2 题单元整锁不拆、按单元级
正确性分桶;非 AR single 单元的抽样/洗牌 draw 流与"引入 QuestionUnit 前"的旧逐题算法
逐字节一致(AR 折叠不干扰非 AR draw 流)。
"""
from __future__ import annotations
import hashlib
import math
import random
from typing import TYPE_CHECKING
from app.harness.question_units import build_units, flatten_units, unit_correctness
if TYPE_CHECKING:
from core.types import GeneratedQuestion
from core.types import GeneratedQuestion, QuestionUnit
def _rng_ns(seed: int, ns: str) -> random.Random:
"""由 (seed, 命名空间) 稳定派生独立随机数发生器。
用 SHA-256 派生而非 Python 内置 ``hash()``——后者受 hash randomization 影响,
跨进程不可复现。不同命名空间的 draw 流互不干扰,使 AR 单元折叠不扰动非 AR 抽样。
参数:
seed: 实验随机种子。
ns: 命名空间标签(如 "AR")。
返回:
以 SHA-256(f"{ns}:{seed}") 前 8 字节为种子的 ``random.Random``。
"""
digest = hashlib.sha256(f"{ns}:{seed}".encode()).digest()
return random.Random(int.from_bytes(digest[:8], "big"))
def build_batches(
@@ -18,55 +42,59 @@ def build_batches(
seed: int,
correct_ratio: float = 0.0,
) -> tuple[list[list[GeneratedQuestion]], int]:
"""把诊断池里的题目切成多个混合 mini-batch。
"""把诊断池里的题目切成多个混合 mini-batch(以 QuestionUnit 为原子调度单元)
当 ``correct_ratio > 0`` 时,按题型为每组错题配比一定数量的正确题,使 batch
包含正误混合样本("动量"机制);``correct_ratio <= 0`` 时退化为纯错题模式。
single 题为 1 题单元,AR pair 孪生对为 2 题单元;同一 pair 的两题整锁进同一 batch
按单元级正确性(双向 AND)分桶。当 ``correct_ratio > 0`` 时,按题型为每组错误单元配比
一定数量的正确单元("动量"机制);``correct_ratio <= 0`` 时退化为纯错误单元模式。
参数:
items: 候选题目全集。
items: 候选题目全集(可混含 single 与孪生对成员)
correctness: question_id -> 基线是否答对。
batch_size: 单个 batch 的样本数上限(> 0)。
min_class_per_batch: 小类判定阈值——题目数 ≤ 此值的题型整组锁进单一
batch_size: 单个 batch 的题目数上限(> 0pair 占 2)。
min_class_per_batch: 小类判定阈值——单元题目数 ≤ 此值的题型整组锁进单一
batch> 0)。
seed: 随机种子,保证相同输入产出完全一致的切分。
correct_ratio: 正确题占比(0.0 ~ 1.0)。0.0 = 纯错0.5 = 错:正确题 = 1:1。
correct_ratio: 正确题占比(0.0 ~ 1.0)。0.0 = 纯错误单元0.5 = 错:正 = 1:1。
返回:
(非空 mini-batch 列表, selected_count);无错时返回 ([], 0)。
selected_count 是所有 batch 中题目总数。
(非空 mini-batch 列表, selected_count);无错误单元时返回 ([], 0)。
selected_count 是所有 batch 中题目(展开后)总数。
异常:
ValueError: batch_size 或 min_class_per_batch < 1, 或
min_class_per_batch >= batch_size(破坏小类整组装箱不超容的前提)。
关键实现细节:
装箱顺序为「先小类后大类」。小类整组用 first-fit-decreasing 装箱:按组大小
降序处理(同大小再按 task_type 排序保证确定性),每组放进第一个剩余容量足够
的 batch;若现有 batch 都装不下就新开一个空 batch——因小类组大小
≤ min_class_per_batch < batch_size,新空 batch 必能容纳,故小类装箱永不抛
ValueError,且保证整组不拆。再把大类样本(seed 确定性 shuffle 后)round-robin
分发到所有现存 batch 填充剩余容量。这样小类聚集于单 batch、大类散布多 batch
且与小类共箱,自然产生多类混合 batch(纯类切片会被 multiclass 断言拒绝)。
nb = ceil(总题数/batch_size) 是初始 batch 数下界估计而非硬上限:小类装箱可能
新开 bin 使实际 batch 数超过 nb。每次新开 bin 都意味着总容量随之增加,故总容量
恒 ≥ 总题数,大类 round-robin 跳过满箱后仍能放下全部样本,不会违反 batch_size
上限。题型按名称排序处理以保证跨运行确定性,不依赖 dict 遍历顺序。
非 ARsingle)与 ARpair)各用独立稳定派生的 rng:非 AR 用 ``random.Random(seed)``
(复现旧逐题算法的确切 draw 序列,保证纯非 AR 输入逐字节一致),AR 用
``_rng_ns(seed, "AR")``;二者 draw 流互不干扰,故加入/移除 pair 不改变非 AR 的
抽样/洗牌序列。抽样在合并前按流分别进行(``_select_mixed_by_task_type`` 各跑一次),
大类洗牌按单元 kind 拆分后各用对应流。装箱顺序「先小类后大类」:小类整组
first-fit-decreasing(容量按单元 ``size`` 计,pair 占 2)装入首个容得下的 batch
装不下新开 bin;大类洗牌后 round-robin 分发,遇碎片(size-2 单元放不进任一现存
batch 的剩余容量)新开 bin 兜底而非报错。最终每个 batch 展开回题目列表。
题型按名称排序处理以保证跨运行确定性。
"""
_validate_params(batch_size, min_class_per_batch)
rng = random.Random(seed)
grouped = _select_mixed_by_task_type(items, correctness, correct_ratio, rng)
total = sum(len(g) for g in grouped.values())
# 非 AR 复现旧版 random.Random(seed) 的确切序列以满足黄金 byte-identity
# AR 走独立命名空间派生流,二者互不干扰。
rng_nonar = random.Random(seed)
rng_ar = _rng_ns(seed, "AR")
grouped = _group_units_by_task_type(items, correctness, correct_ratio, rng_nonar, rng_ar)
total = sum(_group_load(g) for g in grouped.values())
if total == 0:
return [], 0
nb = max(1, math.ceil(total / batch_size))
batches: list[list[GeneratedQuestion]] = [[] for _ in range(nb)]
batches: list[list[QuestionUnit]] = [[] for _ in range(nb)]
small, large = _split_by_size(grouped, min_class_per_batch)
for group in _small_groups_decreasing(small):
_pack_small_class(batches, group, batch_size)
_distribute_large_classes(batches, large, batch_size, rng)
_distribute_large_classes(batches, large, batch_size, rng_nonar, rng_ar)
result = [b for b in batches if b]
result = [flatten_units(b) for b in batches if b]
selected_count = sum(len(b) for b in result)
return result, selected_count
@@ -74,7 +102,7 @@ def build_batches(
def _validate_params(batch_size: int, min_class_per_batch: int) -> None:
"""校验切分参数,非法值直接报错而非用默认值掩盖。
除各自 >= 1 外,强制 min_class_per_batch < batch_size:小类组大小
除各自 >= 1 外,强制 min_class_per_batch < batch_size:小类组题目总数
min_class_per_batch,唯有此前提成立才能保证小类整组放入单一 batch 而不超容;否则
_pack_small_class 新开的 bin 会装入超 batch_size 的整组,静默违反容量合约。此约束
与 config._validate_minibatch 一致,是 build_batches 对自身前提的防御性自校验(P5)。
@@ -91,52 +119,129 @@ def _validate_params(batch_size: int, min_class_per_batch: int) -> None:
)
def _split_by_size(
grouped: dict[str, list[GeneratedQuestion]],
min_class_per_batch: int,
) -> tuple[dict[str, list[GeneratedQuestion]], dict[str, list[GeneratedQuestion]]]:
"""按错题数把题型分为小类(≤ 阈值)与大类(> 阈值)两组。"""
small = {t: g for t, g in grouped.items() if len(g) <= min_class_per_batch}
large = {t: g for t, g in grouped.items() if len(g) > min_class_per_batch}
return small, large
def _select_mixed_by_task_type(
def _group_units_by_task_type(
items: list[GeneratedQuestion],
correctness: dict[str, bool],
correct_ratio: float,
rng: random.Random,
) -> dict[str, list[GeneratedQuestion]]:
"""按题型分组,为每组错题按比例采样正确题混入。
只对有错题的题型做混合——无错题的题型不进 batch,即使有正确题。
``correct_ratio <= 0`` 时退化为纯错题模式(向后兼容)。
rng_nonar: random.Random,
rng_ar: random.Random,
) -> dict[str, list[QuestionUnit]]:
"""把题目聚合为单元并按题型分组:非 AR 与 AR 各走独立 draw 流后合并。
参数:
items: 候选题目全集。
correctness: question_id -> 基线是否答对。
correct_ratio: 正确题占比0.0 ~ 1.0
rng: 随机数发生器,用于采样正确题
correct_ratio: 正确题占比。
rng_nonar: 非 ARsingle 单元)抽样用 rng
rng_ar: ARpair 单元)抽样用 rng。
返回:
task_type -> 该题型的混合题目列表(错题全部 + 按比例采样的正确题)。
task_type -> 混合后的单元列表(single 单元在前、pair 单元在后)。
"""
errors_by_type: dict[str, list[GeneratedQuestion]] = {}
correct_by_type: dict[str, list[GeneratedQuestion]] = {}
for q in items:
qid = q.question_id
if correctness.get(qid) is False:
errors_by_type.setdefault(q.task_type, []).append(q)
elif correctness.get(qid, False):
correct_by_type.setdefault(q.task_type, []).append(q)
units = build_units(items)
singles = [u for u in units if u.kind == "single"]
pairs = [u for u in units if u.kind == "pair"]
grouped_nonar = _select_mixed_by_task_type(singles, correctness, correct_ratio, rng_nonar)
grouped_ar = _select_mixed_by_task_type(pairs, correctness, correct_ratio, rng_ar)
return _merge_grouped(grouped_nonar, grouped_ar)
def _group_load(group: list[QuestionUnit]) -> int:
"""一组单元展开后的题目总数(single 计 1,pair 计 2),即占用的 batch 容量。"""
return sum(u.size for u in group)
def _batch_load(batch: list[QuestionUnit]) -> int:
"""一个 batch 内单元展开后的题目总数,用于容量判断。"""
return sum(u.size for u in batch)
def _merge_grouped(
grouped_nonar: dict[str, list[QuestionUnit]],
grouped_ar: dict[str, list[QuestionUnit]],
) -> dict[str, list[QuestionUnit]]:
"""按 task_type 合并非 AR 与 AR 两条流的分组(single 在前、pair 在后)。
参数:
grouped_nonar: 非 ARsingle 单元)分组。
grouped_ar: ARpair 单元)分组。
返回:
task_type -> 合并后的单元列表;每类 single 单元在前、pair 单元在后,顺序稳定。
"""
merged: dict[str, list[QuestionUnit]] = {}
for task_type in sorted({*grouped_nonar, *grouped_ar}):
merged[task_type] = grouped_nonar.get(task_type, []) + grouped_ar.get(task_type, [])
return merged
def _split_by_size(
grouped: dict[str, list[QuestionUnit]],
min_class_per_batch: int,
) -> tuple[dict[str, list[QuestionUnit]], dict[str, list[QuestionUnit]]]:
"""按题目总数(单元展开)把题型分为小类(≤ 阈值)与大类(> 阈值)两组。"""
small = {t: g for t, g in grouped.items() if _group_load(g) <= min_class_per_batch}
large = {t: g for t, g in grouped.items() if _group_load(g) > min_class_per_batch}
return small, large
def _classify_unit(unit: QuestionUnit, correctness: dict[str, bool]) -> str | None:
"""判定单元落入哪个桶:error / correct / None(未知,跳过)。
参数:
unit: 目标单元。
correctness: question_id -> 是否答对(缺键视为未知)。
返回:
"error"(单元级正确性为 False)、"correct"(双向 AND 为 True);单元内任一题
未知(correctness 缺该键)返回 None,与旧逐题算法把未知题排除在错/对两桶之外
的语义一致。
关键实现:
先探测是否有未知题(get 返回 None ⟺ 键缺失,因 correctness 值恒为 bool),
全部已知后交由 unit_correctness 计双向 AND(此时 KeyError 不可达)。
"""
if any(correctness.get(q.question_id) is None for q in unit.questions):
return None
return "correct" if unit_correctness(unit, correctness) else "error"
def _select_mixed_by_task_type(
units: list[QuestionUnit],
correctness: dict[str, bool],
correct_ratio: float,
rng: random.Random,
) -> dict[str, list[QuestionUnit]]:
"""按题型分组,为每组错误单元按比例采样正确单元混入(单元粒度)。
只对有错误单元的题型做混合——无错误单元的题型不进 batch,即使有正确单元。
``correct_ratio <= 0`` 时退化为纯错误单元模式。本函数只处理单一 draw 流(全 single
或全 pair),使非 AR 与 AR 的抽样互不干扰。
参数:
units: 同一流的候选单元(全 single 或全 pair)。
correctness: question_id -> 基线是否答对。
correct_ratio: 正确题占比(0.0 ~ 1.0)。
rng: 本流专用随机数发生器,用于采样正确单元。
返回:
task_type -> 该题型的混合单元列表(错误单元全部 + 按比例采样的正确单元)。
关键实现:
n_correct 按错误单元「题目总数」而非单元数计,与旧逐题语义对齐(纯 single 时
单元数 == 题目数,采样序列逐字节一致)。
"""
errors_by_type: dict[str, list[QuestionUnit]] = {}
correct_by_type: dict[str, list[QuestionUnit]] = {}
for unit in units:
bucket = _classify_unit(unit, correctness)
if bucket == "error":
errors_by_type.setdefault(unit.task_type, []).append(unit)
elif bucket == "correct":
correct_by_type.setdefault(unit.task_type, []).append(unit)
if correct_ratio <= 0:
return errors_by_type
# 为每个有错题的 task_type 混入正确题
grouped: dict[str, list[GeneratedQuestion]] = {}
grouped: dict[str, list[QuestionUnit]] = {}
for task_type in sorted(errors_by_type):
errs = errors_by_type[task_type]
n_correct = round(len(errs) * correct_ratio / (1 - correct_ratio))
n_err = _group_load(errs)
n_correct = round(n_err * correct_ratio / (1 - correct_ratio))
available = correct_by_type.get(task_type, [])
sampled = (
list(available) if len(available) <= n_correct else rng.sample(available, n_correct)
@@ -147,94 +252,100 @@ def _select_mixed_by_task_type(
def _small_groups_decreasing(
small: dict[str, list[GeneratedQuestion]],
) -> list[list[GeneratedQuestion]]:
"""按组大小降序、同大小按 task_type 升序排出小类组(first-fit-decreasing 顺序)。
small: dict[str, list[QuestionUnit]],
) -> list[list[QuestionUnit]]:
"""按组题目总数降序、同大小按 task_type 升序排出小类组(first-fit-decreasing 顺序)。
参数:
small: task_type -> 小类错题列表。
small: task_type -> 小类单元列表。
返回:
排好序的小类组列表;降序处理可降低碎片,确定性 tie-break 保证跨运行一致。
"""
return [small[t] for t in sorted(small, key=lambda t: (-len(small[t]), t))]
return [small[t] for t in sorted(small, key=lambda t: (-_group_load(small[t]), t))]
def _pack_small_class(
batches: list[list[GeneratedQuestion]],
group: list[GeneratedQuestion],
batches: list[list[QuestionUnit]],
group: list[QuestionUnit],
batch_size: int,
) -> None:
"""用 first-fit 把一个小类整组放入首个容得下的 batch,装不下则新开 bin(就地修改)。
因小类组大小 ≤ min_class_per_batch < batch_size,新开的空 batch 必能容纳整组,
故此函数永不抛 ValueError,且整组不拆。
因小类组题目总数 ≤ min_class_per_batch < batch_size,新开的空 batch 必能容纳整组,
故此函数永不抛 ValueError,且整组(含内部 pair 单元)不拆。
参数:
batches: 当前各 batch(就地追加,必要时 append 新空 batch)。
group: 待锁定的小类错题(整组不拆)。
batch_size: 单 batch 容量上限。
group: 待锁定的小类单元组(整组不拆)。
batch_size: 单 batch 题目容量上限。
"""
load = _group_load(group)
for b in batches:
if len(b) + len(group) <= batch_size:
if _batch_load(b) + load <= batch_size:
b.extend(group)
return
batches.append(list(group))
def _distribute_large_classes(
batches: list[list[GeneratedQuestion]],
large: dict[str, list[GeneratedQuestion]],
batches: list[list[QuestionUnit]],
large: dict[str, list[QuestionUnit]],
batch_size: int,
rng: random.Random,
rng_nonar: random.Random,
rng_ar: random.Random,
) -> None:
"""将各大类样本 shuffle 后 round-robin 分发到所有现存 batch(就地修改)。
"""将各大类单元洗牌后 round-robin 分发到所有现存 batch(就地修改)。
参数:
batches: 当前各 batch(含小类装箱可能新开的 bin,就地追加)。
large: task_type -> 大类错题列表。
batch_size: 单 batch 容量上限。
rng: 复用的随机数发生器,保证 shuffle 确定性
异常:
ValueError: 所有 batch 均满仍有样本未放置(总容量估算异常,合法输入不可达)。
large: task_type -> 大类单元列表。
batch_size: 单 batch 题目容量上限。
rng_nonar: 非 ARsingle 单元)洗牌用 rng
rng_ar: ARpair 单元)洗牌用 rng。
关键实现细节:
轮转范围是「所有现存 batch」而非固定 nb 个——小类装箱新开的 bin 也参与分发。
总容量 = 现存 batch 数 × batch_size,每次新开 bin 都同步抬高总容量,故总容量恒
≥ 总错题数,防御性 ValueError 在合法输入下不可达。全局指针在所有大类样本间持续
轮转(不为每类重置),满箱跳过,使大类充分散布并与已锁定的小类共箱。题型按名称
排序以保证分发顺序确定。
每组按单元 kind 拆成 single 子列与 pair 子列,分别用 rng_nonar / rng_ar 洗牌后
拼接(single 在前),使非 AR 洗牌 draw 流不受 pair 存在与否影响(纯 single 时
single 子列即整组,复现旧版单一 rng.shuffle 的序列)。全局指针在所有大类单元间
持续轮转,遇满箱跳过、遇碎片新开 bin。题型按名称排序以保证分发顺序确定。
"""
nb = len(batches)
pointer = 0
for task_type in sorted(large):
group = list(large[task_type])
rng.shuffle(group)
for q in group:
pointer = _place_round_robin(batches, q, pointer, batch_size, nb)
group = large[task_type]
singles = [u for u in group if u.kind == "single"]
pairs = [u for u in group if u.kind == "pair"]
rng_nonar.shuffle(singles)
rng_ar.shuffle(pairs)
for unit in singles + pairs:
pointer = _place_round_robin(batches, unit, pointer, batch_size)
def _place_round_robin(
batches: list[list[GeneratedQuestion]],
q: GeneratedQuestion,
batches: list[list[QuestionUnit]],
unit: QuestionUnit,
pointer: int,
batch_size: int,
nb: int,
) -> int:
"""从 pointer 起找第一个未满 batch 放入 q,返回下一次起始指针。
"""从 pointer 起找第一个容量够放 unit 的 batch 放入,返回下一次起始指针。
参数:
batches: 当前各 batch(就地追加)。
q: 待放置的样本
unit: 待放置的单元(占用 unit.size 个容量)
pointer: 本次轮转起始 batch 下标。
batch_size: 单 batch 容量上限。
nb: batch 总数。
batch_size: 单 batch 题目容量上限。
返回:
下一次轮转的起始指针(已前移一位)。
异常:
ValueError: 扫描一轮所有 batch 均满(总容量估算异常)。
关键实现:
单个单元容量 ≤ batch_size 是前提(pair 占 2,而 batch_size > min_class ≥ 1 ⇒
batch_size ≥ 2),故此处断言防御。扫描一轮所有现存 batch 都放不下(size-2 单元
遇满地碎片)时新开 bin 兜底而非报错——聚合容量足够但单箱剩余不足是合法碎片场景。
纯 single(size 1)永不触发新开分支,故与旧逐题 round-robin 逐字节一致。
"""
assert unit.size <= batch_size, f"单元 size={unit.size} 超过 batch_size={batch_size}"
nb = len(batches)
for offset in range(nb):
idx = (pointer + offset) % nb
if len(batches[idx]) < batch_size:
batches[idx].append(q)
if _batch_load(batches[idx]) + unit.size <= batch_size:
batches[idx].append(unit)
return (idx + 1) % nb
raise ValueError("所有 batch 均满仍有样本待放置, 总容量估算异常")
batches.append([unit])
return len(batches) % len(batches)