TensorFlow 使用变量共享

参考： https://www.tensorflow.org/programmers_guide/variable_scope

举例说明

TensorFlow中的变量一般就是模型的参数。当模型复杂的时候共享变量会无比复杂。

官网给了一个case，当创建两层卷积的过滤器时，每输入一次图片就会创建一次过滤器对应的变量，但是我们希望所有图片都共享同一过滤器变量，一共有4个变量：conv1_weights, conv1_biases, conv2_weights, and conv2_biases。

通常的做法是将这些变量设置为全局变量。但是存在的问题是打破封装性，这些变量必须文档化被其他代码文件引用，一旦代码变化，调用方也可能需要变化。还有一种保证封装性的方式是将模型封装成类。

不过TensorFlow提供了Variable Scope 这种独特的机制来共享变量。这个机制涉及两个主要函数：

#创建或返回给定名称的变量
tf.get_variable(<name>, <shape>, <initializer>) 

#管理传给get_variable()的变量名称的作用域
tf.variable_scope(<scope_name>) 

在下面的代码中，通过tf.get_variable()创建了名称分别为weights和biases的两个变量。

def conv_relu(input, kernel_shape, bias_shape):
    # Create variable named "weights".
    weights = tf.get_variable("weights", kernel_shape,
        initializer=tf.random_normal_initializer())
    # Create variable named "biases".
    biases = tf.get_variable("biases", bias_shape,
        initializer=tf.constant_initializer(0.0))
    conv = tf.nn.conv2d(input, weights,
        strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    return tf.nn.relu(conv + biases)

但是我们需要两个卷积层，这时可以通过tf.variable_scope()指定作用域进行区分，如with tf.variable_scope("conv1")这行代码指定了第一个卷积层作用域为conv1，在这个作用域下有两个变量weights和biases。

def my_image_filter(input_images):
    with tf.variable_scope("conv1"):
        # Variables created here will be named "conv1/weights", "conv1/biases".
        relu1 = conv_relu(input_images, [5, 5, 32, 32], [32])
    with tf.variable_scope("conv2"):
        # Variables created here will be named "conv2/weights", "conv2/biases".
        return conv_relu(relu1, [5, 5, 32, 32], [32])

最后在image_filters这个作用域重复使用第一张图片输入时创建的变量，调用函数reuse_variables()，代码如下：

with tf.variable_scope("image_filters") as scope:
    result1 = my_image_filter(image1)
    scope.reuse_variables()
    result2 = my_image_filter(image2)

tf.get_variable()工作机制

tf.get_variable()工作机制是这样的：

• 当tf.get_variable_scope().reuse == False，调用该函数会创建新的变量

   with tf.variable_scope("foo"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
    assert v.name == "foo/v:0"

• 当tf.get_variable_scope().reuse == True，调用该函数会重用已经创建的变量

   with tf.variable_scope("foo"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
    with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
        v1 = tf.get_variable("v", [1])
    assert v1 is v

变量都是通过作用域/变量名来标识，后面会看到作用域可以像文件路径一样嵌套。

tf.variable_scope理解

tf.variable_scope()用来指定变量的作用域，作为变量名的前缀，支持嵌套，如下：

with tf.variable_scope("foo"):
    with tf.variable_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
assert v.name == "foo/bar/v:0"

当前环境的作用域可以通过函数tf.get_variable_scope()获取，并且reuse标志可以通过调用reuse_variables()设置为True，这个非常有用，如下

with tf.variable_scope("foo"):
    v = tf.get_variable("v", [1])
    tf.get_variable_scope().reuse_variables()
    v1 = tf.get_variable("v", [1])
assert v1 is v

作用域中的resuse默认是False，调用函数reuse_variables()可设置为True，一旦设置为True，就不能返回到False，并且该作用域的子空间reuse都是True。如果不想重用变量，那么可以退回到上层作用域，相当于exit当前作用域，如

with tf.variable_scope("root"):
    # At start, the scope is not reusing.
    assert tf.get_variable_scope().reuse == False
    with tf.variable_scope("foo"):
        # Opened a sub-scope, still not reusing.
        assert tf.get_variable_scope().reuse == False
    with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
        # Explicitly opened a reusing scope.
        assert tf.get_variable_scope().reuse == True
        with tf.variable_scope("bar"):
            # Now sub-scope inherits the reuse flag.
            assert tf.get_variable_scope().reuse == True
    # Exited the reusing scope, back to a non-reusing one.
    assert tf.get_variable_scope().reuse == False

一个作用域可以作为另一个新的作用域的参数，如：

with tf.variable_scope("foo") as foo_scope:
    v = tf.get_variable("v", [1])
with tf.variable_scope(foo_scope):
    w = tf.get_variable("w", [1])
with tf.variable_scope(foo_scope, reuse=True):
    v1 = tf.get_variable("v", [1])
    w1 = tf.get_variable("w", [1])
assert v1 is v
assert w1 is w

不管作用域如何嵌套，当使用with tf.variable_scope()打开一个已经存在的作用域时，就会跳转到这个作用域。

with tf.variable_scope("foo") as foo_scope:
    assert foo_scope.name == "foo"
with tf.variable_scope("bar"):
    with tf.variable_scope("baz") as other_scope:
        assert other_scope.name == "bar/baz"
        with tf.variable_scope(foo_scope) as foo_scope2:
            assert foo_scope2.name == "foo"  # Not changed.

variable scope的Initializers可以创递给子空间和tf.get_variable()函数，除非中间有函数改变，否则不变。

with tf.variable_scope("foo", initializer=tf.constant_initializer(0.4)):
    v = tf.get_variable("v", [1])
    assert v.eval() == 0.4  # Default initializer as set above.
    w = tf.get_variable("w", [1], initializer=tf.constant_initializer(0.3)):
    assert w.eval() == 0.3  # Specific initializer overrides the default.
    with tf.variable_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        assert v.eval() == 0.4  # Inherited default initializer.
    with tf.variable_scope("baz", initializer=tf.constant_initializer(0.2)):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        assert v.eval() == 0.2  # Changed default initializer.

算子（ops）会受变量作用域（variable scope）影响，相当于隐式地打开了同名的名称作用域（name scope)，如+这个算子的名称为foo/add

with tf.variable_scope("foo"):
    x = 1.0 + tf.get_variable("v", [1])
assert x.op.name == "foo/add"

除了变量作用域（variable scope），还可以显式打开名称作用域（name scope)，名称作用域仅仅影响算子的名称，不影响变量的名称。另外如果tf.variable_scope()传入字符参数，创建变量作用域的同时会隐式创建同名的名称作用域。如下面的例子，变量v的作用域是foo，而算子x的算子变为foo/bar，因为有隐式创建名称作用域foo

with tf.variable_scope("foo"):
    with tf.name_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        x = 1.0 + v
assert v.name == "foo/v:0"
assert x.op.name == "foo/bar/add"

注意： 如果tf.variable_scope()传入的不是字符串而是scope对象，则不会隐式创建同名的名称作用域。