TensorFlow 核心——数据流图

1 计算模型 —— 计算图（Graph）

TensorFlow 中的所有计算都会被转化为计算图上的节点。TensorFlow 是一个通过计算图的形式来表述计算的编程系统。TensorFlow中的每个计算都是计算图的一个节点，而节点之间的边描述了计算之间的依赖关系。

import sys

sys.path.append('E:/zlab/')

from plotnet import draw_feed_forward, DynamicShow

TensorFlow 的计算模型是有向图,采用数据流图 (Data Flow Graphs)，其中每个节点代表一些函数或计算，而边代表了数值、矩阵或张量。

数据流图

数据流图是用于定义计算结构的。在 TensorFlow 中，数据流图本质上是一组链接在一起的函数，每个函数都会将其输出传递给 \(0\) 个、\(1\) 个或多个位于这个级联链上的其他函数。

with DynamicShow((6, 3), '计算图.png') as d:  # 隐藏坐标轴

    seq_list = draw_feed_forward(d.ax, num_node_list=[2, 1, 1])

    seq_list[0][0].text('$1$')

    seq_list[0][1].text('$2$')

    seq_list[1][0].text('$+$')

    seq_list[2][0].text('$3$')

如上图，我们使用数据流图表示了 \(1 + 2 = 3\) 这一个运算。

我们也可以将其抽象化:

with DynamicShow((6, 3), '计算图1.png') as d:  # 隐藏坐标轴

    seq_list = draw_feed_forward(d.ax, num_node_list=[2, 1, 1])

    seq_list[0][0].text('$a$')

    seq_list[0][1].text('$b$')

    seq_list[1][0].text('$c$')

    seq_list[2][0].text('$d$')

我们也可以将上述过程简化为:

将节点 \(c\) 与 \(d\) 合并，若 \(c\) 表示求和运算，\(d\) 表示非线性变换，则上图可以看作是一个神经元。

除了节点和边的概念，数据流图还有一个十分关键的概念：依赖关系。

我们一般地，像 \(z_0^{(0)}\) 与 \(z_0^{(1)}\) 直接连接，称为直接依赖，而像 \(z_0^{(0)}\) 与 \(z_0^{(2)}\)，称为间接依赖。即 \(z_0^{(1)}\) 直接依赖于 \(z_0^{(0)}\) 和 \(z_1^{(0)}\)，而 \(z_0^{(2)}\) 间接依赖依赖于 \(z_0^{(0)}\) 和 \(z_1^{(0)}\)。

1.1 计算图的使用

定义计算图的所有节点；
执行计算。

1.1.1 使用默认图

在TensorFlow程序中，系统会自动维护一个默认的计算图，通过tf.get_default_graph()函数可以获取当前默认的计算图。

通过a.graph可以查看张量所属的计算图。

import tensorflow as tf

a = tf.constant([1., 2.], name = 'a')

b = tf.constant([2., 3.], name = 'b')

result = a + b

a.graph is tf.get_default_graph()

True

1.1.2 `tf.Graph`函数可以生成新的计算图

不同计算图上的张量和运算均不会共享。

g1 = tf.Graph()

with g1.as_default():

    # 在计算图 g1 中定义变量 “v” ,并设置初始值为 0。

    v = tf.get_variable("v", [1], initializer = tf.zeros_initializer()) # 设置初始值为0，shape 为 1

g2 = tf.Graph()

with g2.as_default():

    # 在计算图 g2 中定义变量 “v” ,并设置初始值为 1。

    v = tf.get_variable("v", [1], initializer = tf.ones_initializer()) # 设置初始值为1

# 在计算图 g1 中读取变量“v” 的取值

with tf.Session(graph = g1) as sess:

    tf.global_variables_initializer().run()

    with tf.variable_scope("", reuse=True):

        print(sess.run(tf.get_variable("v")))

# 在计算图 g2 中读取变量“v” 的取值

with tf.Session(graph = g2) as sess:

    tf.global_variables_initializer().run()

    with tf.variable_scope("", reuse=True):

        print(sess.run(tf.get_variable("v")))

[ 0.]

[ 1.]

TensorFlow的计算图不仅仅可以用来隔离张量和计算，它还提供了管理张量和计算的机制。

计算图可以通过 tf.Graph.device函数来指定运行计算的设备。

g = tf.Graph()

# 指定计算运行的设备

with g.device('/gpu:0'):

    result = a + b

有效整理TensorFlow 程序的资源也是计算图的一个重要功能。

在一个计算图中，可以通过集合(collection)来管理不同类别的资源。比如通过tf.add_to_collection函数可以将资源加入一个

或多个集合中，然后通过tf.get_collection获取一个集合里面的所有资源(如张量，变量，或者运行TensorFlow程序所需的队列资源等等)

TensorFlow中维护的集合列表

集合名称	集合内容	使用场景
`tf.GraphKeys.VARIABLES`	所有变量	持久化TensorFlow模型
`tf.GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES`	可学习的变量(一般指神经网络中的参数)	模型训练、生成模型可视化内容
`tf.GraphKeys.SUMMARIES`	日志生成相关的张量	TensorFlow计算可视化
`tf.GraphKeys.QUEUE_RUNNERS`	处理输入的QueueRunner	输入处理
`tf.GraphKeys.MOVING_AVERAGE_VARIABLES`	所有计算了滑动平均值的变量	计算变量的滑动平均值

2 数据模型——张量(Tensor)

在TensorFlow程序中，所有的数据都是通过张量的形式来表示的。

从功能角度来看张量可理解为多维数组。但是张量在TensorFlow的实现并不是直接采用数组的形式，它只是对TensorFlow中运算结果的引用。在张量中并没有真正保存数字，它保存的是如何得到这些数字的计算过程。

import tensorflow as tf

# tf.constant 是一个计算，这个计算的结果为一个张量，保存在变量 a 中

a = tf.constant([1., 2.], name = 'a')

b = tf.constant([3., 4.], name = 'b')

result = tf.add(a, b, name = 'add')

print(result)

Tensor("add_3:0", shape=(2,), dtype=float32)

张量的属性值主要有三个：名字(name)、维度（shape）和类型（type）

name

张量的唯一标识符；
给出了张量是如何计算出来的。

张量和计算图上的每一个节点所有代表的结果是对应的。张量的命名：node:src_output。

其中node为节点的名称，src_output表示当前张量来自节点的第几个输出。

type

每一个张量会有一个唯一的类型。

import tensorflow as tf

a = tf.constant([1, 2], name = 'a', dtype = tf.float32)

b = tf.constant([3., 4.], name = 'b')

result = tf.add(a, b, name = 'add')

print(result)

Tensor("add_4:0", shape=(2,), dtype=float32)

TensorFlow支持14种类型：

实数(tf.float32, tf.float64)、整数(tf.int8, tf.int16, tf.int32, tf.int64, tf.uint8)、布尔型(tf.bool)、复数(tf.complex64, tf.complex128)。

张量的用途

对中间结果的引用，提高代码可读性。

# 使用张量记录中间结果

a = tf.constant([1, 2], name = 'a', dtype = tf.float32)

b = tf.constant([3., 4.], name = 'b')

result = a + b

# 直接计算向量的和，这样可读性很差

result = tf.constant([1., 2.], name = 'a') + tf.constant([3., 4.], name = 'b')

<tf.Tensor 'add_5:0' shape=(2,) dtype=float32>

result.get_shape() # 获取张量的维度信息

TensorShape([Dimension(2)])

当计算图构造完成后，张量可用来获取计算结果。

通过run计算结果；

或者在会话(Session())中运行。

3 运行模型——会话(Session)

执行已经定义好的运算。

会话拥有并管理TensorFlow程序运行时的所有资源。当所有计算完成后需要关闭会话来帮助系统回收资源，否则会出现资源泄露现象。

模式一

# 创建一个会话

sess = tf.Session()

# 使用这个创建好的会话得到关心的运算结果

sess.run(result)

# 关闭会话

sess.close()

模式二：通过Python上下文管理机制

with tf.Session() as sess:

    sess.run(result)

# 当上下文退出时会话关闭和资源可以被释放。

指定默认会话(默认会话不会自动生成)，通过 `tf.Tensor.eval` 函数计算张量取值。

sess = tf.Session()

with sess.as_default():

    print(result.eval())

[ 4.  6.]

以下代码实现相同的功能：

sess = tf.Session()

# 下面的两个命令有相同的功能

print(sess.run(result))

print(result.eval(session = sess))

[ 4.  6.]

[ 4.  6.]

使用tf.InteractiveSession构建会话

在交互的环境下(如Jupyter Notebook)可以直接构建默认会话，即使用tf.InteractiveSession函数(此函数会自动将生成的会话注册为默认会话)。

sess = tf.InteractiveSession()

print(result.eval())

sess.close()

[ 4.  6.]

通过ConfigProto配置会话

config=tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True, log_device_placement=True)

sess1 = tf.InteractiveSession(config=config)

sess2 = tf.Session(config=config)

allow_soft_placement=True 在下面的任意一个条件成立，GPU的运算可以放到CPU上进行：

运算无法在GPU上执行；
没有GPU资源(比如运算被指定在第二个GPU上运行，但是机器只有一个GPU)；
运算输入包含对CPU计算结果的引用。

log_device_placement=True日志中将会记录每个节点被安排在了哪个设备上以方便调试。