Python - 命令式编程与符号编程

原文链接：https://zh.d2l.ai/chapter_computational-performance/hybridize.html
本文是对原文内容的摘取和扩展。

命令式编程（imperative style programs）

使用编程语句改变程序状态，明确输入变量，并根据程序逻辑逐步运算。

• 易于理解：在Python里使用命令式编程时，大部分代码编写起来都很直观。
• 容易调试：可以很方便地进行单步跟踪，获取并分析所有中间变量，或者使用Python的调试工具。

虽然使用命令式编程很方便，但它的运行可能很慢，会存在重复调用函数和长时间保存变量值等问题，耗费内存。

示例：

def sample_add(a, b):
    return a + b

def sample_fancy_func(a, b, c, d):
    e = sample_add(a, b)
    f = sample_add(c, d)
    g = sample_add(e, f)
    return g

print(sample_fancy_func(1, 2, 3, 4))

运行结果：10

符号式编程（symbolic style programs）

通常在计算流程完全定义好后才被执行。

• 更高效：在编译的时候系统容易做更多优化。
• 更容易移植：符号式编程可以将程序变成一个与Python无关的格式，从而可以使程序在非Python环境下运行，以避开Python解释器的性能问题。

一般来说，符号式编程的程序需要下面3个步骤：

1. 定义计算流程；
2. 把计算流程编译成可执行的程序；
3. 给定输入，调用编译好的程序执行。

由于在编译时系统能够完整地获取整个程序，因此有更多空间优化计算,不仅减少了函数调用，还节省了内存。
深度学习框架TensorFlow和Theano采用了符号式编程的方法。

示例：

def add_str():
    """仅以字符串形式返回计算流程"""
    return '''
def add(a, b):
    return a + b
'''

def fancy_func_str():
    """仅以字符串形式返回计算流程"""
    return '''
def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g
'''

def evoke_str():
    """仅以字符串形式返回计算流程"""
    return add_str() + fancy_func_str() + '''
print(fancy_func(1, 2, 3, 4))
'''

prog = evoke_str()
print(prog)
x = compile(prog, '', 'exec')  # 通过compile函数编译完整的计算流程并运行
exec(x)

运行结果：

def add(a, b):
    return a + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g

print(fancy_func(1, 2, 3, 4))

10

计算图/符号图（computation graph/symbolic graph）

符号式编程将计算过程抽象为一张计算图(符号图)来描述整个计算过程。

• 易于描述计算过程，所有输入节点、运算节点、输出节点均符号化处理。
• 通过建立输入节点到输出节点的传递闭包，从输入节点出发，沿着传递闭包完成数值计算和数据流动，直到达到输出节点。
• 经过计算图优化，以数据（计算）流方式完成，节省内存空间使用，计算速度快，但不适合程序调试，通常不用于编程语言中。

大多数符号式程序都会显式地或是隐式地包含编译步骤，将计算图转换为能被调用的函数，在代码的最后一行才真正地进行运算。
也就是说，符号式程序清晰地将定义运算图的步骤与编译运算的步骤分割开来。

混合式编程

简而言之，命令式编程容易理解和调试，命令语句基本没有优化，按原有逻辑执行。
符号式编程涉及较多的嵌入和优化，不容易理解和调试，但运行速度有同比提升。

有没有可能既得到命令式编程的好处，又享受符号式编程的优势？
开发者们认为，用户应该用纯命令式编程进行开发和调试；
当需要产品级别的计算性能和部署时，用户可以将大部分命令式程序转换成符号式程序来运行。
深度学习框架caffe和mxnet采用了两种编程模式混合的方法。