[TensorFlow 2] [Keras] fit()、fit_generator() 和 train_on_batch() 分析与应用

前言

是的，除了水报错文，我也来写点其他的。本文主要介绍Keras中以下三个函数的用法：

fit()
fit_generator()
train_on_batch()
当然，与上述三个函数相似的evaluate、predict、test_on_batch、predict_on_batch、evaluate_generator和predict_generator等就不详细说了，举一反三嘛。

环境

本文的代码是在以下环境下进行测试的：

Windows 10
Python 3.6
TensorFlow 2.0 Alpha
异同

大家用Keras也就图个简单快捷，但是在享受简单快捷的时候，也常常需要些定制化需求，除了model.fit()，有时候model.fit_generator()和model.train_on_batch()也很重要。那么，这三个函数有什么异同呢？Adrian Rosebrock [1] 有如下总结：

当你使用.fit()函数时，意味着如下两个假设：

训练数据可以 完整地 放入到内存（RAM）里
数据已经不需要再进行任何处理了
这两个原因解释的非常好，之前我运行程序的时候，由于数据集太大（实际中的数据集显然不会都像 TensorFlow 官方教程里经常使用的 MNIST 数据集那样小），一次性加载训练数据到fit()函数里根本行不通：

history = model.fit(train_data, train_label) // Bomb!!!
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于是我想，能不能先加载一个batch训练，然后再加载一个batch，如此往复。于是我就注意到了fit_generator()函数。什么时候该使用fit_generator函数呢？Adrian Rosebrock 的总结道：

内存不足以一次性加载整个训练数据的时候
需要一些数据预处理（例如旋转和平移图片、增加噪音、扩大数据集等操作）
在生成batch的时候需要更多的处理
对于我自己来说，除了数据集太大的缘故之外，我需要在生成batch的时候，对输入数据进行padding，所以fit_generator()就派上了用场。下面介绍如何使用这三种函数。

fit()函数

fit()函数其实没什么好说的，大家在看TensorFlow教程的时候已经见识过了。此外插一句话，tf.data.Dataset对不规则的序列数据真是不友好。

import tensorflow as tf

model = tf.keras.models.Sequential([
... // 你的模型
])

model.fit(train_x, // 训练输入
train_y, // 训练标签
epochs=5 // 训练5轮
)
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fit_generator()函数

fit_generator()函数就比较重要了，也是本文讨论的重点。fit_generator()与fit()的主要区别就在一个generator上。之前，我们把整个训练数据都输入到fit()里，我们也不需要考虑batch的细节；现在，我们使用一个generator，每次生成一个batch送给fit_generator()训练。

def generator(x, y, b_size):
... // 处理函数

model.fit_generator(generator(train_x, train_y, batch_size),
step_per_epochs=np.ceil(len(train_x)/batch_size),
epochs=5
)
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从上述代码中，我们发现有两处不同：

一个我们自定义的generator()函数，作为fit_generator()函数的第一个参数；
fit_generator()函数的step_per_epochs参数
自定义的generator()函数

该函数即是我们数据的生成器，在训练的时候，fit_generator()函数会不断地执行generator()函数，获取一个个的batch。

def generator(x, y, b_size):
"""Generates batch and batch and batch then feed into models.
Args:
x: input data;
y: input labels;
b_size: batch_size.
Yield:
(batch_x, batch_label): batched x and y.
"""
while 1: // 死循环
idx = ...
batch_x = ...
batch_y = ...
... // 任何你想要对这个`batch`中的数据执行的操作
yield (batch_x, batch_y)
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需要注意的是，不要使用return或者exit。

step_per_epochs参数

由于generator()函数的循环没有终止条件，fit_generator也不知道一个epoch什么时候结束，所以我们需要手动指定step_per_epochs参数，一般的数值即为len(y)//batch_size。如果数据集大小不能整除batch_size，而且你打算使用最后一个batch的数据（该batch比batch_size要小），此时使用np.ceil(len(y)/batch_size)。

keras.utils.Sequence类（2019年6月10日更新）

除了写generator()函数，我们还可以利用keras.utils.Sequence类来生成batch。先扔代码：

class Generator(keras.utils.Sequence):
def __init__(self, x, y, b_size):
self.x, self.y = x, y
self.batch_size = b_size

def __len__(self):
return math.ceil(len(self.y)/self.batch_size

def __getitem__(self, idx):
b_x = self.x[idx*self.batch_size:(idx+1)*self.batch_size]
b_y = self.y[idx*self.batch_size:(idx+1)*self.batch_size]
... // 对`batch`的其余操作
return np.array(b_x), np.array(b_y)

def on_epoch_end(self):
"""执行完一个`epoch`之后，还可以做一些其他的事情！"""
...
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我们首先定义__init__函数，读取训练集数据，然后定义__len__函数，返回一个epoch中需要执行的step数（此时在fit_generator()函数中就不需要指定steps_per_epoch参数了），最后定义__getitem__函数，返回一个batch的数据。代码如下：

train_generator = Generator(train_x, train_y, batch_size)
val_generator = Generator(val_x, val_y, batch_size)

model.fit_generator(generator=train_generator,
epochs=3197747,
validation_data=val_generator
)
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根据官方 [2] 的说法，使用Sequence类可以保证在多进程的情况下，每个epoch中的样本只会被训练一次。总之，使用keras.utils.Sequence也是很方便的啦！

train_on_batch()函数

train_on_batch()函数接受一个batch的输入和标签，然后开始反向传播，更新参数等。大部分情况下你都不需要用到train_on_batch()函数，除非你有着充足的理由去定制化你的模型的训练流程。

结语

本文到此结束啦！也不知道讲清楚没有，如果有疑问或者有错误，还请读者不吝赐教啦！

Reference

A. Rosebrock. (December 24, 2018). How to use Keras fit and fit_generator (a hands-on tutorial). Retrieved from https://www.pyimagesearch.com/2018/12/24/how-to-use-keras-fit-and-fit_generator-a-hands-on-tutorial/
tf.keras.utils.Sequence. (July 10, 2019). Retrieved from https://www.tensorflow.org/versions/r2.0/api_docs/python/tf/keras/utils/Sequence
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