层1/T4: trainer.py 掩码 SFT 损失 + 最小 HF Trainer 子类（docs/02 §2.4）
- sft_loss 纯张量函数：batch-min prompt_length、移位切片、labels 重掩码； 空 batch/无 prompt 行显式报错（参考实现静默归零，差异已标注） - SFTTrainer 只重写 compute_loss 与 log；不向模型传 labels（防内部损失 绕过重掩码）；日志并入每步有效 token 数供 sanity 监控 - tests/test_trainer.py: 7 个单测，含手算对拍、移位对齐、窗口外无关性、 漏切重掩码 Co-Authored-By: Claude Fable 5 <noreply@anthropic.com>
This commit is contained in:
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"""训练编排（IO 边缘）。层 1 形态：掩码 SFT 损失 + 最小 HF Trainer 子类。
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论文锚点：§3.1 式(1) 的标准交叉熵 SFT（监督目标是 teacher rollout，见 docs/02 §1）。
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层 5 会在此模块长出式(8) 的 chunk 蒸馏损失与 KL 锚定；届时式(1) 路径保留为基线。
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结构：损失算法收在纯张量函数 `sft_loss`（可用 toy 张量在 CPU 单测），
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`SFTTrainer` 只做接线——模型前向、调 `sft_loss`、把指标并进日志，
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其余一切（优化器、调度、DDP、checkpoint 保存）原样继承 HF Trainer。
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"""
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from __future__ import annotations
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from typing import Any
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import torch
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import torch.nn.functional as F
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from transformers import Trainer
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from ars_opd.data import IGNORE_INDEX
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# ---------------------------------------------------------------------------
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# 损失算法（纯张量函数，对拍 distillation_trainer.py:751-759 + 2776-2874）
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# ---------------------------------------------------------------------------
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def compute_prompt_length(attention_mask: torch.Tensor, labels: torch.Tensor) -> int:
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"""batch 级 prompt 边界 = batch 内最短的"有效长度 - completion 长度"。
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参数（B = batch，T = padding 后长度）：
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- attention_mask: (B, T)，左 padding 位置为 0
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- labels: (B, T)，completion 位置为 token id，其余为 -100
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返回标量 pl。非显然约束：取 batch **最小值**是为了不切掉任何行的
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completion token——左 padding 下所有序列右对齐，第 r 行的 completion 起点
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索引是 T - comp_r ≥ prompt_r ≥ min，故切片 [pl:] 必然包含全部 completion；
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代价是长 prompt 行会漏进一些 prompt token，由 sft_loss 用 labels 重掩码兜住。
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"""
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full_lengths = attention_mask.sum(dim=1) # (B,) 每行非 padding 的 token 数
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completion_lengths = (labels != IGNORE_INDEX).sum(dim=1) # (B,)
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return int((full_lengths - completion_lengths).min().item())
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def sft_loss(
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logits: torch.Tensor,
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input_ids: torch.Tensor,
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labels: torch.Tensor,
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attention_mask: torch.Tensor,
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) -> tuple[torch.Tensor, int]:
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"""式(1)：completion 位置上的移位交叉熵。
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参数（B = batch，T = padding 后长度，V = 词表大小）：
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- logits: (B, T, V) 模型对全序列的输出
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- input_ids / labels / attention_mask: (B, T)，SFTCollator 的产物
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返回 (标量 loss, 本 batch 有效 completion token 数)。
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切片几何（docs/02 §2.4 的四行，此处为权威实现）：
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位置 t-1 的 logit 预测位置 t 的 token，故 logits 取 [pl-1, T-1) 、
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targets 取 [pl, T)，两段长度同为 T-pl，逐位对齐。
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"""
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pl = compute_prompt_length(attention_mask, labels)
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if pl < 1:
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# 需要位置 pl-1 的 logit 存在；pl=0 意味着某行完全没有 prompt token，
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# 数据管线出了问题（collator 保证 prompt 至少含模板 token）
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raise ValueError(f"prompt_length={pl} < 1，存在无 prompt 的数据行")
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shifted_logits = logits[:, pl - 1 : -1, :] # (B, T, V) -> (B, T-pl, V)
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targets = input_ids[:, pl:].clone() # (B, T-pl)；clone: 下面要原地改写
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# 重掩码：切片里漏进的 prompt token（长 prompt 行）与 padding 全部置 -100。
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# labels 是权威掩码，切片几何只是省算力——正确性完全由这一步保证
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invalid = labels[:, pl:] == IGNORE_INDEX # (B, T-pl)
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targets[invalid] = IGNORE_INDEX
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num_valid = int((~invalid).sum().item())
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if num_valid == 0:
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# 差异标注：参考实现(trainer:2810-2812)对非有限 loss 返回零梯度标量静默
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# 继续；我们显式报错——collator 已挡下 prompt-only 行，走到这里仍全被
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# 掩码只可能是数据坏了（如 teacher 返回空解答），必须暴露而非跳过
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raise ValueError(
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"本 batch 没有任何有效 completion token（全被 -100 掩码）。"
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"检查 teacher 解答是否为空、completion 预算是否被截光。"
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)
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vocab = shifted_logits.shape[-1]
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loss = F.cross_entropy(
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shifted_logits.reshape(-1, vocab), # (B*(T-pl), V)
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targets.reshape(-1), # (B*(T-pl),)
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ignore_index=IGNORE_INDEX,
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)
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return loss, num_valid
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# ---------------------------------------------------------------------------
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# Trainer 接线
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# ---------------------------------------------------------------------------
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class SFTTrainer(Trainer):
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"""最小 SFT Trainer：只重写 compute_loss 与 log，其余全部继承 HF Trainer。
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用法（见 scripts/ 训练脚本）：与 HF Trainer 完全同参构造，
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data_collator 传 SFTCollator，train_dataset 传 load_sft_dataset 的产物。
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"""
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def __init__(self, *args: Any, **kwargs: Any) -> None:
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super().__init__(*args, **kwargs)
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# 关 dropout（参考实现同款，docs/02 §3 保留清单）：层 2+ 的蒸馏要求
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# student/ref 两次前向可比，前向必须确定；Qwen3 默认无 dropout，
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# 此处是无害的统一前置
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for module in self.model.modules():
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if isinstance(module, torch.nn.Dropout):
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module.p = 0.0
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self._token_counts: list[int] = []
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def compute_loss(
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self,
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model: Any,
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inputs: dict[str, torch.Tensor],
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return_outputs: bool = False,
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num_items_in_batch: int | None = None,
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) -> torch.Tensor | tuple[torch.Tensor, Any]:
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# 非显然约束：不把 labels 传给模型前向。HF 模型收到 labels 会自己算
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# "全序列移位 CE"并放进 outputs.loss，那会绕过 batch-min 切片与重掩码；
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# 损失的权威实现只能有 sft_loss 一处
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outputs = model(
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input_ids=inputs["input_ids"],
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attention_mask=inputs["attention_mask"],
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)
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loss, num_tokens = sft_loss(
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outputs.logits,
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inputs["input_ids"],
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inputs["labels"],
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inputs["attention_mask"],
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)
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self._token_counts.append(num_tokens)
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return (loss, outputs) if return_outputs else loss
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def log(self, logs: dict[str, float], start_time: float | None = None) -> None:
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"""在 HF 的常规日志里并入每步有效 token 数均值。
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sanity run 时盯这个数：若它远小于预期（≈batch 内解答总长），说明掩码
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把 completion 也吞了——loss 曲线看不出这种错，token 数看得出。
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"""
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if self._token_counts:
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logs["sft/num_tokens_per_step"] = sum(self._token_counts) / len(
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self._token_counts
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)
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self._token_counts = []
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super().log(logs, start_time)
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@@ -0,0 +1,118 @@
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"""层 1 / T4：掩码 SFT 损失单测（docs/02 §2.4 的切片几何与重掩码）。
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只测纯张量函数 sft_loss / compute_prompt_length；SFTTrainer 类是 HF 接线，
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由远程 sanity run 验证。张量全部手工构造，期望值可手算。
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"""
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import pytest
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import torch
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import torch.nn.functional as F
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from ars_opd.data import IGNORE_INDEX
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from ars_opd.trainer import compute_prompt_length, sft_loss
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V = 7 # 玩具词表大小
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def onehot_logits(target_ids, scale=10.0):
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"""构造在 target_ids 处放尖峰的 logits。(T,) -> (T, V)"""
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t = torch.tensor(target_ids)
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return F.one_hot(t, V).float() * scale
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def batch_of_one(input_ids, labels, attention=None):
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"""单行 batch 的三件套，logits 另配。"""
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ids = torch.tensor([input_ids])
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lab = torch.tensor([labels])
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att = torch.ones_like(ids) if attention is None else torch.tensor([attention])
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return ids, lab, att
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def test_prompt_length_取batch最小且不数padding():
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# pad p p c c c p p p c c c
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labels = torch.tensor(
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[
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[IGNORE_INDEX] * 3 + [5, 6, 5],
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[IGNORE_INDEX] * 3 + [6, 5, 6],
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]
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)
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attention = torch.tensor([[0, 1, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1, 1, 1]])
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# 行 0 有效长 5、completion 3 → prompt 2；行 1 是 6-3=3；batch 最小 = 2
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assert compute_prompt_length(attention, labels) == 2
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def test_损失与手算交叉熵一致():
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ids, lab, att = batch_of_one([3, 4, 5, 6], [IGNORE_INDEX, IGNORE_INDEX, 5, 6])
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torch.manual_seed(0)
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logits = torch.randn(1, 4, V)
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loss, num = sft_loss(logits, ids, lab, att)
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# pl=2：位置 1、2 的 logit 分别预测位置 2、3 的 token（5 和 6）
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expected = F.cross_entropy(logits[0, 1:3], torch.tensor([5, 6]))
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assert torch.allclose(loss, expected)
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assert num == 2
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def test_移位对齐_预测下一个token而非当前():
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ids, lab, att = batch_of_one([3, 4, 5, 6], [IGNORE_INDEX, IGNORE_INDEX, 5, 6])
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# 位置 t 的尖峰指向位置 t+1 的 token（正确的"预测下一个"）→ loss ≈ 0
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next_logits = onehot_logits([4, 5, 6, 0]).unsqueeze(0)
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loss_next, _ = sft_loss(next_logits, ids, lab, att)
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# 位置 t 的尖峰指向位置 t 自己的 token（错误的"复读当前"）→ loss 大
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self_logits = onehot_logits([3, 4, 5, 6]).unsqueeze(0)
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loss_self, _ = sft_loss(self_logits, ids, lab, att)
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assert loss_next.item() < 0.01
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assert loss_self.item() > 5.0
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def test_窗口外的logits不影响损失():
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ids, lab, att = batch_of_one([3, 4, 5, 6], [IGNORE_INDEX, IGNORE_INDEX, 5, 6])
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torch.manual_seed(0)
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logits = torch.randn(1, 4, V)
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loss_base, _ = sft_loss(logits, ids, lab, att)
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# pl=2 → 用到的窗口是位置 [1, 3)；位置 0（prompt 内部）和 3（末位）不参与
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perturbed = logits.clone()
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perturbed[0, 0] += 100.0
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perturbed[0, 3] -= 100.0
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loss_pert, _ = sft_loss(perturbed, ids, lab, att)
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assert torch.allclose(loss_base, loss_pert)
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def test_batch_min切片漏进的prompt_token被重掩码():
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# 行 0：pad1 + prompt2 + comp3；行 1：prompt3 + comp3 → pl = min(2,3) = 2
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ids = torch.tensor([[0, 3, 4, 5, 6, 5], [3, 4, 3, 6, 5, 6]])
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lab = torch.tensor(
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[
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[IGNORE_INDEX] * 3 + [5, 6, 5],
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[IGNORE_INDEX] * 3 + [6, 5, 6],
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]
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)
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att = torch.tensor([[0, 1, 1, 1, 1, 1], [1, 1, 1, 1, 1, 1]])
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torch.manual_seed(1)
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logits = torch.randn(2, 6, V)
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loss_base, num = sft_loss(logits, ids, lab, att)
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assert num == 6 # 两行各 3 个 completion token，漏进切片的 prompt 位不计数
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# 位置 1 的 logit 预测位置 2——两行的位置 2 都在切片内但都是 -100（行 0 是
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# prompt 尾、行 1 是漏进来的 prompt token）。改它不该动 loss
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perturbed = logits.clone()
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perturbed[:, 1] += 100.0
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loss_pert, _ = sft_loss(perturbed, ids, lab, att)
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assert torch.allclose(loss_base, loss_pert)
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def test_全掩码batch显式报错():
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ids, lab, att = batch_of_one([3, 4, 5, 6], [IGNORE_INDEX] * 4)
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with pytest.raises(ValueError, match="有效 completion"):
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sft_loss(torch.randn(1, 4, V), ids, lab, att)
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def test_无prompt行显式报错():
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ids, lab, att = batch_of_one([3, 4], [3, 4]) # labels 全有效 → prompt 长 0
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with pytest.raises(ValueError, match="prompt_length"):
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sft_loss(torch.randn(1, 2, V), ids, lab, att)
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