要点

使用 TensorFlow, 你必须明白 TensorFlow:

使用图 (graph) 来表示计算任务.
在被称之为会话 (Session) 的上下文 (context) 中执行图.
使用 tensor 表示数据.
通过变量 (Variable) 维护状态.
使用 feed 和 fetch 可以为任意的操作(arbitrary operation) 赋值或者从其中获取数据.

tensorflow结构：会话（session）, 图(graph)，节点(operation)，边（tensor）

TensorFlow 是一个编程系统, 使用图来表示计算任务. 我们从最基础的元素开始说起。

边（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].
节点（operation）

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.
图（graph）

节点(operation)和边（tensor）相互连接成图.一个 TensorFlow 图描述了计算的过程.
会话（session）

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. 阅读 Graph 类文档来了解如何管理多个图.

[root@master tensorflow]# ipython
Python 2.7.5 (default, Nov 20 2015, 02:00:19)
Type "copyright", "credits" or "license" for more information.

IPython 5.0.0 -- An enhanced Interactive Python.
?         -> Introduction and overview of IPython‘s features.
%quickref -> Quick reference.
help      -> Python‘s own help system.
object?   -> Details about ‘object‘, use ‘object??‘ for extra details.

In [1]: import tensorflow as tf

In [2]: matrix1 = tf.constant([[3.0,3.0]])

In [3]: matrix2 = tf.constant([[2.0],[2.0]])

In [4]: product = tf.matmul(matrix1,matrix2)

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.

在一个会话里启动图

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.

欲了解完整的会话 API, 请阅读Session 类.

In [5]: sess = tf.Session()#没有参数就启动默认图
I tensorflow/core/common_runtime/local_device.cc:25] Local device intra op parallelism threads: 24
I tensorflow/core/common_runtime/local_session.cc:45] Local session inter op parallelism threads: 24

In [6]: result = sess.run(product)

In [7]: print result
[[ 12.]]

In [8]: 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.

In [9]: with tf.Session() as sess:
   ...:     result = sess.run([product])
   ...:     print result
   ...:
[array([[ 12.]], dtype=float32)]

在实现上, TensorFlow 将图形定义转换成分布式执行的操作, 以充分利用可用的计算资源(如 CPU 或 GPU). 一般你不需要显式指定使用 CPU 还是 GPU, TensorFlow 能自动检测. 如果检测到 GPU, TensorFlow 会尽可能地利用找到的第一个 GPU 来执行操作.

如果机器上有超过一个可用的 GPU, 除第一个外的其它 GPU 默认是不参与计算的. 为了让 TensorFlow 使用这些 GPU, 你必须将 op 明确指派给它们执行. with…Device 语句用来指派特定的 CPU 或 GPU 执行操作:

with tf.Session() as sess:
    with tf.device("/gpu:1"):
        matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])
        matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])
        product = tf.matmul(matrix1, matrix2)

设备用字符串进行标识. 目前支持的设备包括:

“/cpu:0”: 机器的 CPU，所有CPU
“/gpu:0”: 机器的第一个 GPU, 如果有的话.
“/gpu:1”: 机器的第二个 GPU, 以此类推.
阅读使用GPU章节, 了解 TensorFlow GPU 使用的更多信息.

IPython交互式使用

文档中的 Python 示例使用一个会话 Session 来启动图, 并调用 Session.run() 方法执行操作.

为了便于使用诸如 IPython 之类的 Python 交互环境, 可以使用 InteractiveSession 代替 Session 类, 使用 Tensor.eval() 和 Operation.run() 方法代替 Session.run(). 这样可以避免使用一个变量来持有会话.

# 进入一个交互式 TensorFlow 会话.
import tensorflow as tf
sess = tf.InteractiveSession()

x = tf.Variable([1.0, 2.0])
a = tf.constant([3.0, 3.0])

# 使用初始化器 initializer op 的 run() 方法初始化 ‘x‘
x.initializer.run()

# 增加一个减法 sub op, 从 ‘x‘ 减去 ‘a‘. 运行减法 op, 输出结果
sub = tf.sub(x, a)
print sub.eval()
# ==> [-2. -1.]

结果：

Tensor

TensorFlow 程序使用 tensor 数据结构来代表所有的数据, 计算图中, 操作间传递的数据都是 tensor. 你可以把 TensorFlow tensor 看作是一个 n 维的数组或列表. 一个 tensor 包含一个静态类型 rank, 和一个动态类型shape. 想了解 TensorFlow 是如何处理这些概念的, 参见 Rank, Shape, 和 Type.

阶（Rank）

在TensorFlow系统中，张量的维数来被描述为阶. 但是张量的阶和矩阵的阶并不是同一个概念. 张量的阶（有时是关于如顺序或度数或者是n维）是张量维数的一个数量描述. 比如，下面的张量（使用Python中list定义的）就是2阶.

 t = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]

你可以认为一个二阶张量就是我们平常所说的矩阵，一阶张量可以认为是一个向量. 对于一个二阶张量你可以用语句t[i, j]来访问其中的任何元素. 而对于三阶张量你可以用’t[i, j, k]’来访问其中的任何元素.

形状 (Shape)

TensorFlow文档中使用了三种记号来方便地描述张量的维度：阶，形状以及维数.下表展示了他们之间的关系：

形状可以通过Python中的整数列表或元祖（int list或tuples）来表示，也或者用TensorShape class.

数据类型 (Type)

除了维度，Tensors有一个数据类型属性.你可以为一个张量指定下列数据类型中的任意一个类型：

变量

变量维护图执行过程中的状态信息. 下面的例子演示了如何使用变量实现一个简单的计数器. 参见变量章节了解更多细节.

#coding:utf-8
import tensorflow as tf

# 创建一个变量 state . 初始化为标量 0.
state = tf.Variable(0, name="counter")

# 创建一个 op, 其作用是使 state 增加 1

one = tf.constant(1)
new_value = tf.add(state, one) # 定义一个操作
update = tf.assign(state, new_value)# 用操作的返回值更新 state 值

# 启动图后, 变量必须先经过`初始化` (init) op 初始化,
# 首先必须增加一个`初始化` op 到图中.
init_op = tf.initialize_all_variables()

# 启动图, 运行 op
with tf.Session() as sess:
    # 运行 ‘init‘ op
    sess.run(init_op)
    # 打印 ‘state‘ 的初始值
    print sess.run(state)
    # 运行 op, 更新 ‘state‘, 并打印 ‘state‘
    for _ in range(3):
        sess.run(update)
        print sess.run(state)

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.

运行结果：

Fetch（取回）

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:

#coding:utf-8
import tensorflow as tf

input1 = tf.constant(3.0)
input2 = tf.constant(2.0)
input3 = tf.constant(5.0)
intermed = tf.add(input2, input3)
mul = tf.mul(input1, intermed)

with tf.Session() as sess:
    result = sess.run([mul, intermed])#在 op 的一次运行中一起获得多个tensor值。
    print result
# 输出:
# [array([ 21.], dtype=float32), array([ 7.], dtype=float32)]

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）。

输出结果：

Feed（注入）

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.

#coding:utf-8
import tensorflow as tf

input1 = tf.placeholder(tf.types.float32)
input2 = tf.placeholder(tf.types.float32)
output = tf.mul(input1, input2)

with tf.Session() as sess:
    print sess.run([output], feed_dict={input1:[7.], input2:[2.]})#通过feed_dict词典向op里注入实际的值。

如果没有正确提供 feed, placeholder() 操作将会产生错误. MNIST 全连通 feed 教程 (source code) 给出了一个更大规模的使用 feed 的例子.

运行结果：

时间： 2024-08-01 15:36:16

[02]tensorflow基本用法

要点

tensorflow结构：会话（session）, 图(graph)，节点(operation)，边（tensor）

计算图

构建图

在一个会话里启动图

IPython交互式使用

Tensor

阶（Rank）

形状 (Shape)

数据类型 (Type)

变量

Fetch（取回）

Feed（注入）

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