CodeBERT: 面向编程语言和自然语言的预训练模型

来自哈工大SCIR的冯掌印及其团队提出了面向编程语言和自然语言的预训练模型CodeBERT。

CodeBERT通过预训 练的方式学习一个通用表示来支持下游和编程语言相关的应用，比如自然语言代码检索，代码文档生成等。

CodeBERT使用Transformer作为基本的网络结构，采用了混合目标函数： 掩码语言模型（MLM）和替换词检测（RTD）。

实验结果表明，CodeBERT在下游的自然语言代码检索和代码文档生成任务上都取得了SOTA效果。

为了进一步研究CodeBERT学到了哪些类型的知识，他们构造了第一个probing数据集，然后固定预训练好的参数来对模型进行检测。 实验结果显示，CodeBERT比其他预训练模型在probing上表现更好。

论文名称：CodeBERT: A Pre-Trained Model for Programming and Natural Languages

论文作者：冯掌印，郭达雅，唐都钰，段楠，冯骁骋，公明，寿林钧，秦兵，刘挺，姜大昕，周明

原创作者：冯掌印

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2002.08155.pdf

代码地址：：https://github.com/microsoft/CodeBERT

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简介

大规模预训练模型在自然语言处理领域取得了重要的进展。这些预训练模型通过在没有标注的语料上进行自监督训练，可以学习到有效的上下文表示。自然语言处理领域预训练模型的成功，也推动了多模态预训练的发展，比如ViLBERT (Lu et al., 2019), VideoBERT (Sun et al., 2019)等。在本文中，我们提出了CodeBERT，通过学习自然语言和编程语言之间的语义联系，能够支撑众多NL-PL相关的任务。

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模型

我们采用了Transformer作为模型的基本网络结构。具体地，我们使用了和RoBERTa-base完全一样的结构，即都有12层，每层有12个自注意头，每个头的大小是64，隐层维度为768。模型参数的总数为125M。

在预训练阶段，将自然语言文本和编程语言的代码拼接起来作为输入，两部分内容均使用和RoBERTa-base一样的tokenizer。数据样例如图1所示。

图1 NL-PL数据对样例 

预训练数据集方面，我们使用了Husain等人在2019年提供的最新数据集CodeSearchNet，里面包括 2.1M双模数据和6.4M 单模数据，其中双模数据是指自然语言-代码对的并行数据，单模是指只有代码的数据。数据集中包括六种编程语言，具体数据统计结果见表1。

表1 预训练CodeBERT数据统计

为了同时利用双模数据和大规模的单模数据，我们提出了混合预训练目标：掩码语言模型(MLM) 和替换词检测（RTD）。

目标1：掩码语言模型。将NL-PL对作为输入，随机为NL和PL选择位置进行掩码，然后用特殊的掩码Token进行替换。掩码语言模型的目标是预测出原始的token。目标2：替换词检测。先分别用单模的自然语言和代码数据各自训练一个数据生成器，用于为随机掩码位置生成合理的备选方案。另外，还有一个判别器学习自然语言和代码之间的融合表示，来检测一个词是否为原词。判别器实际上一个二元分类器，如果生成器产生正确的Token，则该Token的标签为真，否则为假。模型架构如图2所示。

图2 替换词检测目标模型架构 

最终，模型预训练目标为

CodeBERT经过预训练之后，在下游任务使用时需要微调。例如在自然语言代码搜索中，会使用与预训练阶段相同的输入方式。而在代码到文本的生成中，使用编码器-解码器框架，并使用CodeBERT初始化生成模型的编码器。

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实验

我们选了四个不同的设置来验证模型的有效性，分别是自然语言代码检索，NL-PL的probing，代码文档生成，在未经过预训练编程语言上模型的泛化性。

自然语言代码检索 给定一段自然语言作为输入，代码搜索的目标是从一组代码中找到语义上最相关的代码。为了进行比较，我们选择了Husain 等人在2019年发布的 CodeSearchNet 语料库进行训练，数据集中包括六种编程语言，各种语言的数据统计如表2所示。

表2 自然语言代码检索数据集统计

我们保持和官方一致，使用MRR作为评价指标。另外，我们计算了六种编程语言上的宏平均作为整体的评价指标。结果如表3所示，相比之前的模型，我们的模型取得了明显的提升。

表3 自然语言代码检索结果

NL-PL Probing 这部分实验主要研究在固定模型参数的情况下，研究CodeBERT学习到了哪些类型的知识。目前学界还没有针对NL-PL Probing的工作，所以在这部分实验中，我们首先创建了数据集。具体地，我们将其构造成了多项选择题任务，给定输入，让模型选择正确的结果。根据输入和选项的不同，数据集又分为三个部分。模型比较结果如表4所示，结果显示，我们的模型在三个不同的设置下都能够达到最好的结果。

表4 NL-PL Probing结果

代码文档生成 我们研究了在预训练的六种编程语言上，代码到文档的生成问题。为了证明CodeBERT在代码到文档生成任务中的有效性，我们采用了各种预训练的模型作为编码器，并保持了超参数的一致性。实验结果如表5所示，我们的模型在所有编程语言类别上均获得最好的效果。

表5 代码文档生成结果

泛化能力 为了进一步研究模型的泛化性，我们在代码文档生成任务中，在C#编程语言上进行了测试。我们选择了Codenn数据集，这是一个包含Stack Overflow自动收集的66015对问题和答案的数据集，并采取了和原论文同样的设置进行实验。结果如表6所示，相比RoBERTa，我们的模型能够取得更好的结果。但是，我们的模型效果略低于Code2Seq，这可能是因为该模型有效使用了代码中的AST信息。

表6 C#生成结果

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总结

在本工作中，我们提出了第一个面向编程语言和自然语言的预训练模型，并且在下游的自然语言代码检索，代码文档生成任务上，我们的模型均取得了SOTA的效果。另外，我们构造了第一个NL-PL Probing数据集来研究预训练模型学到了哪种类型的知识。虽然我们的模型已经取得了很好的效果，但也有很多潜在的方向值得进一步研究，比如在预训练过程加入与生成相关的目标函数，加入编程语言的AST结构信息等。

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