近日，微軟、哈工大在arxiv上聯合發表了一篇論文，標題為《CodeBERT: A Pre-Trained Model for Programming and Natural Languages》，再次拓寬了BERT的應用，將BERT應用到了Python、PHP、Java、JavaScript、Go、Ruby等編程語言的代碼搜索和生成任務當中。
論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2002.08155.pdf
這篇論文提出了一個被稱為「CodeBERT」的雙模預訓練模型，據作者介紹，這也是目前已知的第一個大型 NL-PL（自然語言-編程語言）預訓練模型。
該預訓練模型能夠處理NL-PL 的普遍問題，例如用自然語言搜索代碼、自動生成代碼等。 所謂自然語言代碼搜索，所要解決的問題是，如何通過自然語言query查找到所需的代碼塊，這和我們常用的搜索引擎（通過自然語言query來查找所需網頁）類似。
事實上，微軟Bing在2018年便上線了類似的功能，在搜索框中輸入自然語言 “convert case using a function of R”，便會返回一段 R 代碼。
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針對自然語言代碼搜索，在這篇論文裡，作者在 CodeSearchNet語料庫上對CodeBERT進行了預訓練並做微調，這是一個包含了 6 種較為普遍的代碼語言（分別為Ruby、JavaScript、Go、Python、Java、PHP）的語料庫。如下圖所示，他們在自然語言代碼搜索任務中取得了SOTA的結果：
而另一方面，代碼文檔生成任務，是未來能夠極大節省程序員工作量的極具前景的一個研究方向。如下圖所示，
針對這個任務，CodeBERT也基本上都取得了SOTA結果，特別是相較於之前的ROBERTa模型，更是有顯著的提高。 值一提的是，CodeBERT有一大亮點，即儘管它只在Ruby、JavaScript、Go、Python、Java、PHP等代碼語言上進行了預訓練，但預訓練的模型卻可以泛化到其他代碼語言任務上，例如C#語言。
一、背景
BERT作為一種雙向Transformer的編碼器，其對預訓練方法的創新深受業界和學術界的喜愛，雖然其他大規模的預訓練模型例如ELMo、GPT等已經能夠在各種NLP任務中提升SOTA。
但是上述提到的模型基本上都是面向自然語言處理，例如掩蔽語言建模、從未標記文本學習上下文表示。 相比以往的Bert的應用場景，作者另闢蹊徑，推出雙模態預訓練模型，即兼顧NLP任務和Python、Java等編程語言。
具體來說，CodeBERT抓住了自然語言和編程語言之間的語義聯繫，能夠支持自然語言代碼搜索等NL-PL理解任務以及一系列像代碼生成這樣的生成任務。
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一個NL-PL對，其中紅線框中的是NL文本，黑色框是PL文本。 為了利用Nl-PL對的雙模實例（bimodal instances）以及大量可用的單模代碼（unimodal codes），作者使用了混合目標函數來訓練CodeBERT，包括標準掩碼語言建模和可替換Token檢測。
在具體的訓練過程，作者用了六種編程語言在多語言BERT的設置中訓練模型。 我們首先來看下CodeBERT的模型框架。
二、框架
在模型的整體架構上，CodeBERT並未脫離BERT和Roberta的思想。和大多數工作類似，作者使用了多層雙向Transformer。更為具體一點，作者使用的模型架構與Roberta-base完全相同，即都有12層，每層有12個自注意頭，每個頭的大小是64，隱藏尺寸為768，前饋層的內部隱藏尺寸為3072。
模型參數的總數為125M。 在預訓練階段，總共設計了兩部分輸入，一個是自然語言文本，另一個是編程語言的代碼。對於自然語言文本將其視為單詞序列，並拆分為WordPiece。對於編程代碼，將其看做Token序列。 CodeBERT的輸出也包括兩個部分：1、聚合序列表示；2、有標記的上下文向量（contextual vector）。
數據集統計 訓練CodeBERT所使用的數據集是Husain等人在2019年提供的最新數據集，裡面包括 2.1M雙模數據和6.4M 單碼數據，其中雙模碼數據是指自然語言-代碼對的並行數據，單碼是指“未成對”的數據。 另外一些數據來自開源Nonfork GitHub倉庫。對這些數據的處理是採用了一些約束和規則進行過濾。
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可替換Token檢測目標圖解 在模型訓練的設計上，其主要包括兩個目標，其一是掩碼語言建模，其二是可替換Token檢測。在第二個目標中，作者進一步使用了大量的單模碼數據。
目標一：掩碼語言建模。將NL-PL對作為輸入，隨機為NL和PL選擇位置進行掩碼，然後用特殊的掩碼Token進行替換。注意，掩碼語言建模的任務是預測出被掩碼的原始Token。
目標二：替換Token檢測。在這部分有兩個數據生成器，分別是NL生成器和PL生成器，這兩個生成器都用於隨機掩碼位置集（randomly masked positions）生成合理的備選方案。
另外，還有一個學習生成器用來檢測一個詞是否為原詞，其背後原理是一個二進制分類器，這裡與GAN不同的是，如果生成器碰巧產生正確的Token，則該Token的標籤是“real”而不是“fake”。
學習器的損失函數 經過調整後，損失函數優化如下：
模型訓練的最後一步是模型微調，具體操作是在NL-PL任務中使用不同的CodeBERT設置。例如在自然語言代碼搜索中，會使用與預訓練階段相同的輸入方式。而在代碼到文本的生成中，使用編碼器-解碼器框架，並使用CodeBERT初始化生成模型的編碼器。
三、實驗
作者做了四個實驗，分別是：1）將CodeBERT應用到自然語言代碼搜索任務上，並與傳統方法進行對比；2）進行NL-PL Probing實驗，考察CodeBERT在預訓練階段到底學習了什麼知識；3）將CodeBERT應用到生成任務當中；4）考察CodeBERT預訓練模型的泛化能力，發現效果非常之好。
1、自然語言代碼搜索
給定一段自然語言作為輸入，代碼搜索的目標是從一組代碼中找到語義上最相關的代碼。為了進行比較，作者選擇了Husain 等人在2019年發佈的 CodeSearchNet 語料庫進行訓練。這個語料庫框架如下圖所示，共包含6中常見的編程語言（Python、JavaScript、Java、Ruby、PHP、Go）。
在預訓練階段，作者首先對每種語言的數據集進行了訓練。數據集分割如下：
在微調階段，設置學習率為1e-5，批量大小為64，最大序列長度為200，最大微調週期為8，並使用Adam來更新參數，並從開發集中選擇出表現最好的模型，並用於測試集上進行評估。 結果如下表所示：
性能相比於之前的SOTA模型ROBERTa取得了顯著的提高。
2、NL-PL Probing
這部分實驗主要研究在不更改參數的的情況下，Code BERT能夠學習哪些類型的知識。目前學界還沒有針對NL-PLProbing的工作，所以在這部分實驗中，作者自行創建了數據集。 給定NL-PL對，NL-PL Probing的目標是測試模型的正確預測能力。模型比較結果如下圖所示：
上表顯示了正確預測實例的數量與全部實例數量的比例。可以看出，在各個變成語言的預測上，CodeBERT基本都取得了最高的分數。但由於不同編程語言的數據集非常不平衡，因此用累計的數據進行比較更為恰當，在PL和NL的probing中，CodeBERT的結果都要比RoBERTa高10~20個百分點。 也可以用一個具體的案例來對比下。下圖案例中分別掩蓋了NL和PL中的“min”：
上圖為RoBERTa和CodeBert的預測概率 從結果來看，CodeBERT在NL上的正確預測率為60.6%，而在PL上直接高達99.999%。
3、代碼文檔生成
這部分研究代碼到文檔的生成問題，並在六種編程語言中研究了生成任務在Code Search Net Corpus上的結果。 另外，為了證明CodeBERT在代碼到NL生成任務中的有效性，作者採用了各種預訓練的模型作為編碼器，並保持了超參數的一致性。 實驗結果如下：
在編程語言上進行預訓練的模型的性能優於ROBERTa
4、泛化能力
那麼，在Python、JavaScript、Java、Ruby、PHP、Go這些語言上做的預訓練模型能夠應用到別的編程語言上嗎？ 作者拿著前面預訓練出的CodeBERT模型在C#語言上做了測試。 作者選擇了Codenn數據集，這是一個包含Stack Overflow自動收集的66015對問題和答案的數據集，其規模相比 CodeSearchNet語料庫要小几個數量級。為了可靠地評估模型，作者通過人工方式，為測試集中的代碼片段提供兩個附加 titles 來擴展測試集。 模型評估標準採用平滑的BLEU-4分數，評估結果如下圖：
從這個結果可以看出，相較於RoBERTa，CodeBERT能夠更好地推廣到其他編程語言。不過值得注意的是，模型的效果略低於code2seq，作者認為原因可能是code2seq使用其抽象語法樹AST中的組合路徑，而CodeBERT僅將原始代碼作為輸入。
雖然作者也按照一定的順序通過遍歷AST的樹結構來訓練CodeBert，但並不會帶來生成任務的改進。這種結果意味著結合AST來改進codebert是潛在方向。
四、總結
如前面提到，微軟的 Bing 在2018年便已經上線了代碼搜索功能，可以預期，基於預訓練的代碼功能也將很快落實到 Bing 的產品當中，從而提供能加優質的服務。同時我們也可以期待，該項工作能夠在近期開源，以讓更多研究人員快速跟進這一工作。
我們用幾句話來總結這項工作的意義：
1、據作者表示，CodeBERT也是目前已知的首個大型的NL-PL（自然語言-編程語言）預訓練模型；
2、本文提出了一個混合學習目標，能夠支持使用雙模數據NL-PL，且能夠很容易地應用到單模數據中（例如沒有自然語言文本的編程代碼）；
3、CodeBERT在自然語言代碼搜索和代碼文檔生成兩個任務中都達到了SOTA性能，此外作者在實驗中還建立了一個數據集來研究NL-PL預訓練模型的探測能力，方便了以後跟進的研究人員。
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