TensorFlow：基本使用

TensorFlow 入门（一）：基本使用

@author: demonSong
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基本使用

综述
TensorFlow 是一个编程系统, 使用图来表示计算任务. 图中的节点被称之为 op (operation 的缩写). 一个 op 获得 0 个或多个 Tensor, 执行计算, 产生 0 个或多个 Tensor. 每个 Tensor 是一个类型化的多维数组. 例如, 你可以将一小组图像集表示为一个四维浮点数数组, 这四个维度分别是 [batch, height, width, channels].

一个 TensorFlow 图描述了计算的过程. 为了进行计算, 图必须在 会话 里被启动. 会话 将图的 op 分发到诸如 CPU 或 GPU 之类的 设备 上, 同时提供执行 op 的方法. 这些方法执行后, 将产生的 tensor 返回. 在 Python 语言中, 返回的 tensor 是 numpy ndarray 对象; 在 C 和 C++ 语言中, 返回的 tensor 是 tensorflow::Tensor 实例.

计算图
TensorFlow 程序通常被组织成一个构建阶段和一个执行阶段. 在构建阶段, op 的执行步骤 被描述成一个图. 在执行阶段, 使用会话执行执行图中的 op.

例如, 通常在构建阶段创建一个图来表示和训练神经网络, 然后在执行阶段反复执行图中的训练 op.

TensorFlow 支持 C, C++, Python 编程语言. 目前, TensorFlow 的 Python 库更加易用, 它提供了大量的辅助函数来简化构建图的工作, 这些函数尚未被 C 和 C++ 库支持.

三种语言的会话库 (session libraries) 是一致的.

构建图
构建图的第一步, 是创建源 op (source op). 源 op 不需要任何输入, 例如 常量 (Constant). 源 op 的输出被传递给其它 op 做运算.

Python 库中, op 构造器的返回值代表被构造出的 op 的输出, 这些返回值可以传递给其它 op 构造器作为输入.

TensorFlow Python 库有一个默认图 (default graph), op 构造器可以为其增加节点. 这个默认图对 许多程序来说已经足够用了.

import tensorflow as tf
# 创建一个常量 op, 产生一个 1x2 矩阵. 这个 op 被作为一个节点
# 加到默认图中.
# 构造器的返回值代表该常量 op 的返回值.
matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])

# 创建另外一个常量 op, 产生一个 2x1 矩阵.
matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])

# 创建一个矩阵乘法 matmul op , 把 'matrix1' 和 'matrix2' 作为输入.
# 返回值 'product' 代表矩阵乘法的结果.
product = tf.matmul(matrix1, matrix2)

注意：默认图现在有三个节点, 两个 constant() op, 和一个matmul() op. 为了真正进行矩阵相乘运算, 并得到矩阵乘法的 结果, 你必须在会话里启动这个图.

在一个会话中启动图
构造阶段完成后, 才能启动图. 启动图的第一步是创建一个 Session 对象, 如果无任何创建参数, 会话构造器将启动默认图.

# 启动默认图.
sess = tf.Session()

# 调用 sess 的 'run()' 方法来执行矩阵乘法 op, 传入 'product' 作为该方法的参数. 
# 上面提到, 'product' 代表了矩阵乘法 op 的输出, 传入它是向方法表明, 我们希望取回
# 矩阵乘法 op 的输出.
#
# 整个执行过程是自动化的, 会话负责传递 op 所需的全部输入. op 通常是并发执行的.
# 
# 函数调用 'run(product)' 触发了图中三个 op (两个常量 op 和一个矩阵乘法 op) 的执行.
#
# 返回值 'result' 是一个 numpy `ndarray` 对象.
result = sess.run(product)
print(result)
# ==> [[ 12.]]

# 任务完成, 关闭会话.
sess.close()

Session 对象在使用完后需要关闭以释放资源. 除了显式调用 close 外, 也可以使用 “with” 代码块 来自动完成关闭动作.

with tf.Session() as sess:
    result = sess.run([product])
    print result

总结
1. tensorflow 第一步构建图，实际上就是各种变量的定义，虽然有add等这种操作，但却不执行。
2. 执行都在session中完成，统一用run()来执行。

再来看一个计数器的例子：

state = tf.Variable(0, name = "counter")

one = tf.constant(1)
new_value = tf.add(state, one)
update = tf.assign(state, new_value)

init_op = tf.global_variables_initializer()

with tf.Session() as sess:
    sess.run(init_op)
    print(sess.run(state))
    for _ in range(3):
        sess.run(update)
        print(sess.run(state))

# 输出：
# 0
# 1
# 2
# 3

代码中 assign() 操作是图所描绘的表达式的一部分, 正如 add() 操作一样. 所以在调用 run() 执行表达式之前, 它并不会真正执行赋值操作.

通常会将一个统计模型中的参数表示为一组变量. 例如, 你可以将一个神经网络的权重作为某个变量存储在一个 tensor 中. 在训练过程中, 通过重复运行训练图, 更新这个 tensor.

返回多个结果
为了取回操作的输出内容, 可以在使用 Session 对象的 run() 调用 执行图时, 传入一些 tensor, 这些 tensor 会帮助你取回结果. 在之前的例子里, 我们只取回了单个节点 state, 但是你也可以取回多个 tensor:

# 取回多个操作
input1 = tf.constant(3.0)
input2 = tf.constant(2.0)
input3 = tf.constant(5.0)
intermed = tf.add(input2, input3)
mul = tf.multiply(input1, intermed)

with tf.Session() as sess:
    result = sess.run([mul, intermed])
    print(result)

需要获取的多个 tensor 值，在 op 的一次运行中一起获得（而不是逐个去获取 tensor）。

占位
上述示例在计算图中引入了 tensor, 以常量或变量的形式存储. TensorFlow 还提供了 feed 机制, 该机制 可以临时替代图中的任意操作中的 tensor 可以对图中任何操作提交补丁, 直接插入一个 tensor.

feed 使用一个 tensor 值临时替换一个操作的输出结果. 你可以提供 feed 数据作为 run() 调用的参数. feed 只在调用它的方法内有效, 方法结束, feed 就会消失. 最常见的用例是将某些特殊的操作指定为 “feed” 操作, 标记的方法是使用 tf.placeholder() 为这些操作创建占位符.

input1 = tf.placeholder(tf.float32)
input2 = tf.placeholder(tf.float32)
output = tf.multiply(input1, input2)

with tf.Session() as sess:
    print (sess.run([output], feed_dict={input1:[7.], input2:[2.]}))

再举一个官方实现iris分类的例子吧，没有太多东西，上手代码

iris_data.py
从网络获取数据集，并且转换成tensorflow的数据结构

import pandas as pd
import tensorflow as tf

TRAIN_URL = "http://download.tensorflow.org/data/iris_training.csv"
TEST_URL = "http://download.tensorflow.org/data/iris_test.csv"

CSV_COLUMN_NAMES = ['SepalLength', 'SepalWidth',
                    'PetalLength', 'PetalWidth', 'Species']
SPECIES = ['Sentosa', 'Versicolor', 'Virginica']

def maybe_download():
    train_path = tf.keras.utils.get_file(TRAIN_URL.split('/')[-1], TRAIN_URL)
    test_path = tf.keras.utils.get_file(TEST_URL.split('/')[-1], TEST_URL)

    return train_path, test_path

def load_data(y_name='Species'):
    """Returns the iris dataset as (train_x, train_y), (test_x, test_y)."""
    train_path, test_path = maybe_download()

    train = pd.read_csv(train_path, names=CSV_COLUMN_NAMES, header=0)
    train_x, train_y = train, train.pop(y_name)

    test = pd.read_csv(test_path, names=CSV_COLUMN_NAMES, header=0)
    test_x, test_y = test, test.pop(y_name)

    return (train_x, train_y), (test_x, test_y)


def train_input_fn(features, labels, batch_size):
    """An input function for training"""
    # Convert the inputs to a Dataset.
    dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((dict(features), labels))

    # Shuffle, repeat, and batch the examples.
    dataset = dataset.shuffle(1000).repeat().batch(batch_size)

    # Return the read end of the pipeline.
    return dataset.make_one_shot_iterator().get_next()


def eval_input_fn(features, labels, batch_size):
    """An input function for evaluation or prediction"""
    features=dict(features)
    if labels is None:
        # No labels, use only features.
        inputs = features
    else:
        inputs = (features, labels)

    # Convert the inputs to a Dataset.
    dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(inputs)

    # Batch the examples
    assert batch_size is not None, "batch_size must not be None"
    dataset = dataset.batch(batch_size)

    # Return the read end of the pipeline.
    return dataset.make_one_shot_iterator().get_next()


# The remainder of this file contains a simple example of a csv parser,
#     implemented using a the `Dataset` class.

# `tf.parse_csv` sets the types of the outputs to match the examples given in
#     the `record_defaults` argument.
CSV_TYPES = [[0.0], [0.0], [0.0], [0.0], [0]]

def _parse_line(line):
    # Decode the line into its fields
    fields = tf.decode_csv(line, record_defaults=CSV_TYPES)

    # Pack the result into a dictionary
    features = dict(zip(CSV_COLUMN_NAMES, fields))

    # Separate the label from the features
    label = features.pop('Species')

    return features, label


def csv_input_fn(csv_path, batch_size):
    # Create a dataset containing the text lines.
    dataset = tf.data.TextLineDataset(csv_path).skip(1)

    # Parse each line.
    dataset = dataset.map(_parse_line)

    # Shuffle, repeat, and batch the examples.
    dataset = dataset.shuffle(1000).repeat().batch(batch_size)

    # Return the read end of the pipeline.
    return dataset.make_one_shot_iterator().get_next()

训练代码：

from __future__ import absolute_import
from __future__ import division
from __future__ import print_function

import argparse
import tensorflow as tf

import iris_data


parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--batch_size', default=100, type=int, help='batch size')
parser.add_argument('--train_steps', default=1000, type=int,
                    help='number of training steps')

def main(argv):
    args = parser.parse_args(argv[1:])

    # Fetch the data
    (train_x, train_y), (test_x, test_y) = iris_data.load_data()

    # Feature columns describe how to use the input.
    my_feature_columns = []
    for key in train_x.keys():
        my_feature_columns.append(tf.feature_column.numeric_column(key=key))

    # Build 2 hidden layer DNN with 10, 10 units respectively.
    classifier = tf.estimator.DNNClassifier(
        feature_columns=my_feature_columns,
        # Two hidden layers of 10 nodes each.
        hidden_units=[10, 10],
        # The model must choose between 3 classes.
        n_classes=3)

    # Train the Model.
    classifier.train(
        input_fn=lambda:iris_data.train_input_fn(train_x, train_y,
                                                 args.batch_size),
        steps=args.train_steps)

    # Evaluate the model.
    eval_result = classifier.evaluate(
        input_fn=lambda:iris_data.eval_input_fn(test_x, test_y,
                                                args.batch_size))

    print('\nTest set accuracy: {accuracy:0.3f}\n'.format(**eval_result))

    # Generate predictions from the model
    expected = ['Setosa', 'Versicolor', 'Virginica']
    predict_x = {
        'SepalLength': [5.1, 5.9, 6.9],
        'SepalWidth': [3.3, 3.0, 3.1],
        'PetalLength': [1.7, 4.2, 5.4],
        'PetalWidth': [0.5, 1.5, 2.1],
    }

    predictions = classifier.predict(
        input_fn=lambda:iris_data.eval_input_fn(predict_x,
                                                labels=None,
                                                batch_size=args.batch_size))

    for pred_dict, expec in zip(predictions, expected):
        template = ('\nPrediction is "{}" ({:.1f}%), expected "{}"')

        class_id = pred_dict['class_ids'][0]
        probability = pred_dict['probabilities'][class_id]

        print(template.format(iris_data.SPECIES[class_id],
                              100 * probability, expec))


if __name__ == '__main__':
    tf.logging.set_verbosity(tf.logging.INFO)
    tf.app.run(main)

直接运行：python premade_estimator.py

输出结果如下：

Prediction is "Setosa" (99.6%), expected "Setosa"
Prediction is "Versicolor" (99.8%), expected "Versicolor"
Prediction is "Virginica" (97.9%), expected "Virginica"