TensorFlow是什么？如何啟動并運(yùn)行TensorFlow？

TensorFlow 是一款用于數(shù)值計(jì)算的強(qiáng)大的開源軟件庫，特別適用于大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)的微調(diào)。 它的基本原理很簡單：首先在 Python 中定義要執(zhí)行的計(jì)算圖（例如圖 9-1），然后 TensorFlow 使用該圖并使用優(yōu)化的 C++ 代碼高效運(yùn)行該圖。

最重要的是，Tensorflow 可以將圖分解為多個(gè)塊并在多個(gè) CPU 或 GPU 上并行運(yùn)行（如圖 9-2 所示）。 TensorFlow 還支持分布式計(jì)算，因此您可以在數(shù)百臺服務(wù)器上分割計(jì)算，從而在合理的時(shí)間內(nèi)在龐大的訓(xùn)練集上訓(xùn)練龐大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（請參閱第 12 章）。 TensorFlow 可以訓(xùn)練一個(gè)擁有數(shù)百萬個(gè)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練集由數(shù)十億個(gè)具有數(shù)百萬個(gè)特征的實(shí)例組成。 這應(yīng)該不會讓您吃驚，因?yàn)?TensorFlow 是 由Google 大腦團(tuán)隊(duì)開發(fā)的，它支持谷歌的大量服務(wù)，例如 Google Cloud Speech，Google Photos 和 Google Search。

當(dāng) TensorFlow 于 2015 年 11 月開放源代碼時(shí)，已有許多深度學(xué)習(xí)的流行開源庫（表 9-1 列出了一些），公平地說，大部分 TensorFlow 的功能已經(jīng)存在于一個(gè)庫或另一個(gè)庫中。 盡管如此，TensorFlow 的整潔設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性，靈活性和出色的文檔（更不用說谷歌的名字）迅速將其推向了榜首。 簡而言之，TensorFlow 的設(shè)計(jì)靈活性，可擴(kuò)展性和生產(chǎn)就緒性，現(xiàn)有框架可以說只有其中三種可用。 這里有一些 TensorFlow 的亮點(diǎn)：

它不僅在 Windows，Linux 和 MacOS 上運(yùn)行，而且在移動設(shè)備上運(yùn)行，包括 iOS 和 Android。

它提供了一個(gè)非常簡單的 Python API，名為 TF.Learn2（tensorflow.con trib.learn），與 Scikit-Learn 兼容。正如你將會看到的，你可以用幾行代碼來訓(xùn)練不同類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。之前是一個(gè)名為 Scikit Flow（或 Skow）的獨(dú)立項(xiàng)目。

它還提供了另一個(gè)簡單的稱為 TF-slim（tensorflow.contrib.slim）的 API 來簡化構(gòu)建，訓(xùn)練和求出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

其他幾個(gè)高級 API 已經(jīng)在 TensorFlow 之上獨(dú)立構(gòu)建，如Keras或Pretty Tensor。

它的主要 Python API 提供了更多的靈活性（以更高復(fù)雜度為代價(jià)）來創(chuàng)建各種計(jì)算，包括任何你能想到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

它包括許多 ML 操作的高效 C ++ 實(shí)現(xiàn)，特別是構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的 C++ 實(shí)現(xiàn)。還有一個(gè) C++ API 來定義您自己的高性能操作。

它提供了幾個(gè)高級優(yōu)化節(jié)點(diǎn)來搜索最小化損失函數(shù)的參數(shù)。由于 TensorFlow 自動處理計(jì)算您定義的函數(shù)的梯度，因此這些非常易于使用。這稱為自動分解（或autodi）。

它還附帶一個(gè)名為 TensorBoard 的強(qiáng)大可視化工具，可讓您瀏覽計(jì)算圖表，查看學(xué)習(xí)曲線等。

Google 還推出了云服務(wù)來運(yùn)行 TensorFlow 表。

最后，它擁有一支充滿熱情和樂于助人的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，以及一個(gè)不斷成長的社區(qū)，致力于改善它。它是 GitHub 上最受歡迎的開源項(xiàng)目之一，并且越來越多的優(yōu)秀項(xiàng)目正在構(gòu)建之上（例如，查看https://www.tensorflow.org/或https://github.com/jtoy/awesome-tensorflow）。 要問技術(shù)問題，您應(yīng)該使用http://stackoverflow.com/并用tensorflow標(biāo)記您的問題。您可以通過 GitHub 提交錯誤和功能請求。有關(guān)一般討論，請加入Google 小組。

在本章中，我們將介紹 TensorFlow 的基礎(chǔ)知識，從安裝到創(chuàng)建，運(yùn)行，保存和可視化簡單的計(jì)算圖。 在構(gòu)建第一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前掌握這些基礎(chǔ)知識很重要（我們將在下一章中介紹）。

安裝

讓我們開始吧！假設(shè)您按照第 2 章中的安裝說明安裝了 Jupyter 和 Scikit-Learn，您可以簡單地使用pip來安裝 TensorFlow。 如果你使用virtualenv創(chuàng)建了一個(gè)獨(dú)立的環(huán)境，你首先需要激活它：

$ cd $ML_PATH #Your ML working directory(e.g., $HOME/ml)$ source env/bin/activate

下一步，安裝 Tensorflow。

$ pip3 install --upgrade tensorflow

對于 GPU 支持，你需要安裝tensorflow-gpu而不是tensorflow。具體請參見 12 章內(nèi)容。

為了測試您的安裝，請輸入一下命令。其輸出應(yīng)該是您安裝的 Tensorflow 的版本號。

$ python -c 'import tensorflow; print(tensorflow.__version__)'1.0.0

創(chuàng)造第一個(gè)圖譜，然后運(yùn)行它

import tensorflow as tf x = tf.Variable(3, name="x") y = tf.Variable(4, name="y") f = x*x*y + y + 2

這就是它的一切！ 最重要的是要知道這個(gè)代碼實(shí)際上并不執(zhí)行任何計(jì)算，即使它看起來像(尤其是最后一行）。 它只是創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算圖譜。 事實(shí)上，變量都沒有初始化.要求出此圖，您需要打開一個(gè) TensorFlow 會話并使用它初始化變量并求出f。TensorFlow 會話負(fù)責(zé)處理在諸如 CPU 和 GPU 之類的設(shè)備上的操作并運(yùn)行它們，并且它保留所有變量值。以下代碼創(chuàng)建一個(gè)會話，初始化變量，并求出f，然后關(guān)閉會話（釋放資源）：

# way1 sess = tf.Session() sess.run(x.initializer) sess.run(y.initializer) result = sess.run(f) print(result) sess.close()

不得不每次重復(fù)sess.run() 有點(diǎn)麻煩，但幸運(yùn)的是有一個(gè)更好的方法：

# way2 with tf.Session() as sess: x.initializer.run() y.initializer.run() result = f.eval() print(result)

在with塊中，會話被設(shè)置為默認(rèn)會話。 調(diào)用x.initializer.run()等效于調(diào)用tf.get_default_session().run(x.initial)，f.eval()等效于調(diào)用tf.get_default_session().run(f)。 這使得代碼更容易閱讀。 此外，會話在塊的末尾自動關(guān)閉。

你可以使用global_variables_initializer()函數(shù)，而不是手動初始化每個(gè)變量。 請注意，它實(shí)際上沒有立即執(zhí)行初始化，而是在圖譜中創(chuàng)建一個(gè)當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)所有變量都會初始化的節(jié)點(diǎn)：

# way3 # init = tf.global_variables_initializer() # with tf.Session() as sess: # init.run() # result = f.eval() # print(result)

在 Jupyter 內(nèi)部或在 Python shell 中，您可能更喜歡創(chuàng)建一個(gè)InteractiveSession。 與常規(guī)會話的唯一區(qū)別是，當(dāng)創(chuàng)建InteractiveSession時(shí)，它將自動將其自身設(shè)置為默認(rèn)會話，因此您不需要使用模塊（但是您需要在完成后手動關(guān)閉會話）：

# way4 init = tf.global_variables_initializer() sess = tf.InteractiveSession() init.run() result = f.eval() print(result) sess.close()

TensorFlow 程序通常分為兩部分：第一部分構(gòu)建計(jì)算圖譜（這稱為構(gòu)造階段），第二部分運(yùn)行它（這是執(zhí)行階段）。 建設(shè)階段通常構(gòu)建一個(gè)表示 ML 模型的計(jì)算圖譜,然后對其進(jìn)行訓(xùn)練,計(jì)算。 執(zhí)行階段通常運(yùn)行循環(huán)，重復(fù)地求出訓(xùn)練步驟（例如，每個(gè)小批次），逐漸改進(jìn)模型參數(shù)。

管理圖譜

您創(chuàng)建的任何節(jié)點(diǎn)都會自動添加到默認(rèn)圖形中：

>>> x1 = tf.Variable(1) >>> x1.graph is tf.get_default_graph() True

在大多數(shù)情況下，這是很好的，但有時(shí)您可能需要管理多個(gè)獨(dú)立圖形。 您可以通過創(chuàng)建一個(gè)新的圖形并暫時(shí)將其設(shè)置為一個(gè)塊中的默認(rèn)圖形，如下所示：

>>> graph = tf.Graph() >>> with graph.as_default(): ... x2 = tf.Variable(2) ... >>> x2.graph is graph True >>> x2.graph is tf.get_default_graph() False

在 Jupyter（或 Python shell）中，通常在實(shí)驗(yàn)時(shí)多次運(yùn)行相同的命令。 因此，您可能會收到包含許多重復(fù)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)圖形。 一個(gè)解決方案是重新啟動 Jupyter 內(nèi)核（或 Python shell），但是一個(gè)更方便的解決方案是通過運(yùn)行tf.reset_default_graph()來重置默認(rèn)圖。

節(jié)點(diǎn)值的生命周期

求出節(jié)點(diǎn)時(shí)，TensorFlow 會自動確定所依賴的節(jié)點(diǎn)集，并首先求出這些節(jié)點(diǎn)。 例如，考慮以下代碼：

# w = tf.constant(3) # x = w + 2 # y = x + 5 # z = x * 3 # with tf.Session() as sess: # print(y.eval()) # print(z.eval())

首先，這個(gè)代碼定義了一個(gè)非常簡單的圖。然后，它啟動一個(gè)會話并運(yùn)行圖來求出y：TensorFlow 自動檢測到y(tǒng)取決于x，它取決于w，所以它首先求出w，然后x，然后y，并返回y的值。最后，代碼運(yùn)行圖來求出z。同樣，TensorFlow 檢測到它必須首先求出w和x。重要的是要注意，它不會復(fù)用以前的w和x的求出結(jié)果。簡而言之，前面的代碼求出w和x兩次。所有節(jié)點(diǎn)值都在圖運(yùn)行之間刪除，除了變量值，由會話跨圖形運(yùn)行維護(hù)（隊(duì)列和讀者也保持一些狀態(tài)）。變量在其初始化程序運(yùn)行時(shí)啟動其生命周期，并且在會話關(guān)閉時(shí)結(jié)束。如果要有效地求出y和z，而不像之前的代碼那樣求出w和x兩次，那么您必須要求 TensorFlow 在一個(gè)圖形運(yùn)行中求出y和z，如下面的代碼所示：

# with tf.Session() as sess: # y_val, z_val = sess.run([y, z]) # print(y_val) # 10 # print(z_val) # 15

在單進(jìn)程 TensorFlow 中，多個(gè)會話不共享任何狀態(tài)，即使它們復(fù)用同一個(gè)圖（每個(gè)會話都有自己的每個(gè)變量的副本）。 在分布式 TensorFlow 中，變量狀態(tài)存儲在服務(wù)器上，而不是在會話中，因此多個(gè)會話可以共享相同的變量。