简介

本指南旨在指导您使用低级别 TensorFlow API (TensorFlow Core) 开始编程。您可以学习执行以下操作:

我们建议尽可能使用更高阶的 API 构建模型。以下是 TensorFlow Core 为何很重要的原因:

  • 如果您能够直接使用低阶 TensorFlow 操作,实验和调试都会更直接。
  • 在使用更高阶的 API 时,能够理解其内部工作原理。

设置

在使用本指南之前,请先安装 TensorFlow

要充分理解本指南中的内容,您应当具备以下方面的知识:

  • 如何使用 Python 编程。
  • 对阵列有所了解。
  • 理想情况下,最好对机器学习有一定的了解。

您随时可以启动 python,并按照以下演示进行操作。运行以下行来设置您的 Python 环境:

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

import numpy as np
import tensorflow as tf

张量值

TensorFlow 中的核心数据单位是张量。一个张量由一组形成阵列(任意维数)的原始值组成。张量的是它的维数,而它的形状是一个整数元组,指定了阵列每个维度的长度。以下是张量值的一些示例:

3. # a rank 0 tensor; a scalar with shape [],
[1., 2., 3.] # a rank 1 tensor; a vector with shape [3]
[[1., 2., 3.], [4., 5., 6.]] # a rank 2 tensor; a matrix with shape [2, 3]
[[[1., 2., 3.]], [[7., 8., 9.]]] # a rank 3 tensor with shape [2, 1, 3]

TensorFlow 使用 numpy 阵列来表示张量

TensorFlow Core 演示

您可以将 TensorFlow Core 程序看作由两个互相独立的部分组成:

  1. 构建计算图 (tf.Graph)。
  2. 运行计算图(使用 tf.Session)。

计算图是排列成一个图的一系列 TensorFlow 指令。图由两种类型的对象组成。

  • 操作(简称“op”):图的节点。操作描述了消耗和生成张量的计算。
  • 张量:图的边。它们代表将流经图的值。大多数 TensorFlow 函数会返回 tf.Tensors

我们来构建一个简单的计算图。最基本的指令是一个常量。构建指令的 Python 函数将一个张量值作为输入值。生成的指令不需要输入值。它在运行时输出的是被传递给构造函数的值。我们可以创建如下所示的两个浮点数常量 ab

a = tf.constant(3.0, dtype=tf.float32)
b = tf.constant(4.0) # also tf.float32 implicitly
total = a + b
print(a)
print(b)
print(total)

打印语句会生成:

Tensor("Const:0", shape=(), dtype=float32)
Tensor("Const_1:0", shape=(), dtype=float32)
Tensor("add:0", shape=(), dtype=float32)

请注意,打印张量并不会如您可能预期的那样输出值 3.04.07.0。上述语句只会构建计算图。这些 tf.Tensor 对象仅代表将要运行的操作的结果。

图中的每个指令都拥有唯一的名称。这个名称不同于使用 Python 分配给相应对象的名称。张量是根据生成它们的指令命名的,后面跟着输出索引,如上文的 "add:0" 所示。

TensorBoard

TensorFlow 提供了一个名为 TensorBoard 的实用程序。TensorBoard 的诸多功能之一是将计算图可视化。您只需要使用几个简单的命令就能轻松完成此操作。

首先将计算图保存为 TensorBoard 摘要文件,具体操作如下所示:

writer = tf.summary.FileWriter('.')
writer.add_graph(tf.get_default_graph())

这将在当前目录中生成一个 event 文件,其名称格式如下:

events.out.tfevents.{timestamp}.{hostname}

现在,在新的终端中使用以下 shell 命令启动 TensorBoard:

tensorboard --logdir .

接下来,在您的浏览器中打开 TensorBoard 的图页面,您应该会看到与以下图形类似的图:

TensorBoard screenshot

要详细了解 TensorBoard 的计算图可视化工具,请参阅 TensorBoard:图的直观展示

会话 (Session)

要评估张量,需要实例化一个 tf.Session 对象(非正式名称为会话)。会话会封装 TensorFlow 运行时的状态,并运行 TensorFlow 操作。如果说 tf.Graph 像一个 .py 文件,那么 tf.Session 就像一个 python 可执行对象。

下面的代码会创建一个 tf.Session 对象,然后调用其 run 方法来评估我们在上文中创建的 total 张量:

sess = tf.Session()
print(sess.run(total))

当您使用 Session.run 请求输出节点时,TensorFlow 会回溯整个图,并流经提供了所请求的输出节点对应的输入值的所有节点。因此此指令会打印预期的值 7.0:

7.0

您可以将多个张量传递给 tf.Session.runrun 方法以透明方式处理元组或字典的任何组合,如下例所示:

print(sess.run({'ab':(a, b), 'total':total}))

它返回的结果拥有相同的布局结构:

{'total': 7.0, 'ab': (3.0, 4.0)}

在调用 tf.Session.run 期间,任何 tf.Tensor 都只有单个值。例如,以下代码调用 tf.random_uniform 来生成一个 tf.Tensor,后者会生成随机的三元素矢量(值位于 [0,1) 区间内):

vec = tf.random_uniform(shape=(3,))
out1 = vec + 1
out2 = vec + 2
print(sess.run(vec))
print(sess.run(vec))
print(sess.run((out1, out2)))

每次调用 run 时,结果都会显示不同的随机值,但在单个 run 期间(out1out2 接收到相同的随机输入值),结果显示的值是一致的:

[ 0.52917576  0.64076328  0.68353939]
[ 0.66192627  0.89126778  0.06254101]
(
  array([ 1.88408756,  1.87149239,  1.84057522], dtype=float32),
  array([ 2.88408756,  2.87149239,  2.84057522], dtype=float32)
)

部分 TensorFlow 函数会返回 tf.Operations,而不是 tf.Tensors。对指令调用 run 的结果是 None。您运行指令是为了产生副作用,而不是为了检索一个值。这方面的例子包括稍后将演示的初始化训练操作。

供给

目前来讲,这个图不是特别有趣,因为它总是生成一个常量结果。图可以参数化以便接受外部输入,也称为占位符占位符表示承诺在稍后提供值,它就像函数参数。

x = tf.placeholder(tf.float32)
y = tf.placeholder(tf.float32)
z = x + y

前面三行有点像函数。我们定义了这个函数的两个输入参数(xy),然后对它们运行指令。我们可以使用 run 方法feed_dict 参数为占位符提供具体的值,从而评估这个具有多个输入的图:

print(sess.run(z, feed_dict={x: 3, y: 4.5}))
print(sess.run(z, feed_dict={x: [1, 3], y: [2, 4]}))

上述操作的结果是输出以下内容:

7.5
[ 3.  7.]

另请注意,feed_dict 参数可用于覆盖图中的任何张量。占位符和其他 tf.Tensors 的唯一不同之处在于如果没有为占位符提供值,那么占位符会抛出错误。

数据集

占位符适用于简单的实验,而数据集是将数据流式传输到模型的首选方法。

要从数据集中获取可运行的 tf.Tensor,您必须先将其转换成 tf.data.Iterator,然后调用迭代器的 get_next 方法。

创建迭代器的最简单的方式是采用 make_one_shot_iterator 方法。例如,在下面的代码中,next_item 张量将在每次 run 调用时从 my_data 阵列返回一行:

my_data = [
    [0, 1,],
    [2, 3,],
    [4, 5,],
    [6, 7,],
]
slices = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(my_data)
next_item = slices.make_one_shot_iterator().get_next()

到达数据流末端时,Dataset 会抛出 OutOfRangeError。例如,下面的代码会一直读取 next_item,直到没有数据可读:

while True:
  try:
    print(sess.run(next_item))
  except tf.errors.OutOfRangeError:
    break

如果 Dataset 依赖于有状态操作,则可能需要在使用迭代器之前先初始化它,如下所示:

r = tf.random_normal([10,3])
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(r)
iterator = dataset.make_initializable_iterator()
next_row = iterator.get_next()

sess.run(iterator.initializer)
while True:
  try:
    print(sess.run(next_row))
  except tf.errors.OutOfRangeError:
    break

要详细了解数据集和迭代器,请参阅导入数据

可训练的模型必须修改图中的值,以便在输入相同值的情况下获得新的输出值。将可训练参数添加到图中的首选方法是

层将变量和作用于它们的操作打包在一起。例如,密集连接层会对每个输出对应的所有输入执行加权和,并应用激活函数(可选)。连接权重和偏差由层对象管理。

创建层

下面的代码会创建一个 Dense 层,该层会接受一批输入矢量,并为每个矢量生成一个输出值。要将层应用于输入值,请将该层当做函数来调用。例如:

x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 3])
linear_model = tf.layers.Dense(units=1)
y = linear_model(x)

层会检查其输入数据,以确定其内部变量的大小。因此,我们必须在这里设置 x 占位符的形状,以便层构建正确大小的权重矩阵。

我们现在已经定义了输出值 y 的计算,在我们运行计算之前,还需要处理一个细节。

初始化层

层包含的变量必须先初始化,然后才能使用。尽管可以单独初始化各个变量,但也可以轻松地初始化一个 TensorFlow 图中的所有变量(如下所示):

init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

另请注意,此 global_variables_initializer 仅会初始化创建初始化程序时图中就存在的变量。因此您应该在构建图表的最后一步添加初始化程序。

执行层

我们现在已经完成了层的初始化,可以像处理任何其他张量一样评估 linear_model 的输出张量了。例如,下面的代码:

print(sess.run(y, {x: [[1, 2, 3],[4, 5, 6]]}))

会生成一个两元素输出向量,如下所示:

[[-3.41378999]
 [-9.14999008]]

层函数的快捷方式

对于每个层类(如 tf.layers.Dense),TensorFlow 还提供了一个快捷函数(如 tf.layers.dense)。两者唯一的区别是快捷函数版本是在单次调用中创建和运行层。例如,以下代码等同于较早的版本:

x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 3])
y = tf.layers.dense(x, units=1)

init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

print(sess.run(y, {x: [[1, 2, 3], [4, 5, 6]]}))

尽管这种方法很方便,但无法访问 tf.layers.Layer 对象。这会让自省和调试变得更加困难,并且无法重复使用相应的层。

特征列

使用特征列进行实验的最简单方法是使用 tf.feature_column.input_layer 函数。此函数只接受密集列作为输入,因此要查看类别列的结果,您必须将其封装在 tf.feature_column.indicator_column 中。例如:

features = {
    'sales' : [[5], [10], [8], [9]],
    'department': ['sports', 'sports', 'gardening', 'gardening']}

department_column = tf.feature_column.categorical_column_with_vocabulary_list(
        'department', ['sports', 'gardening'])
department_column = tf.feature_column.indicator_column(department_column)

columns = [
    tf.feature_column.numeric_column('sales'),
    department_column
]

inputs = tf.feature_column.input_layer(features, columns)

运行 inputs 张量会将 features 解析为一批向量。

特征列和层一样具有内部状态,因此通常需要将它们初始化。类别列会在内部使用对照表,而这些表需要单独的初始化操作 tf.tables_initializer

var_init = tf.global_variables_initializer()
table_init = tf.tables_initializer()
sess = tf.Session()
sess.run((var_init, table_init))

初始化内部状态后,您可以运行 inputs(像运行任何其他 tf.Tensor 一样):

print(sess.run(inputs))

这显示了特征列如何打包输入矢量,并将独热“department”作为第一和第二个索引,将“sales”作为第三个索引。

[[  1.   0.   5.]
 [  1.   0.  10.]
 [  0.   1.   8.]
 [  0.   1.   9.]]

训练

您现在已经了解 TensorFlow 核心部分的基础知识了,我们来手动训练一个小型回归模型吧。

定义数据

我们首先来定义一些输入值 x,以及每个输入值的预期输出值 y_true

x = tf.constant([[1], [2], [3], [4]], dtype=tf.float32)
y_true = tf.constant([[0], [-1], [-2], [-3]], dtype=tf.float32)

定义模型

接下来,建立一个简单的线性模型,其输出值只有 1 个:

linear_model = tf.layers.Dense(units=1)

y_pred = linear_model(x)

您可以如下评估预测值:

sess = tf.Session()
init = tf.global_variables_initializer()
sess.run(init)

print(sess.run(y_pred))

该模型尚未接受训练,因此四个“预测”值并不理想。以下是我们得到的结果,您自己的输出应该有所不同:

[[ 0.02631879]
 [ 0.05263758]
 [ 0.07895637]
 [ 0.10527515]]

损失

要优化模型,您首先需要定义损失。我们将使用均方误差,这是回归问题的标准损失。

虽然您可以使用较低级别的数学运算手动定义,但 tf.losses 模块提供了一系列常用的损失函数。您可以使用它来计算均方误差,具体操作如下所示:

loss = tf.losses.mean_squared_error(labels=y_true, predictions=y_pred)

print(sess.run(loss))

这会生成如下所示的一个损失值:

2.23962

训练

TensorFlow 提供了执行标准优化算法的优化器。这些优化器被实现为 tf.train.Optimizer 的子类。它们会逐渐改变每个变量,以便将损失最小化。最简单的优化算法是梯度下降法,由 tf.train.GradientDescentOptimizer 实现。它会根据损失相对于变量的导数大小来修改各个变量。例如:

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01)
train = optimizer.minimize(loss)

该代码构建了优化所需的所有图组件,并返回一个训练指令。该训练指令在运行时会更新图中的变量。您可以按以下方式运行该指令:

for i in range(100):
  _, loss_value = sess.run((train, loss))
  print(loss_value)

由于 train 是一个指令而不是张量,因此它在运行时不会返回一个值。为了查看训练期间损失的进展,我们会同时运行损失张量,生成如下所示的输出值:

1.35659
1.00412
0.759167
0.588829
0.470264
0.387626
0.329918
0.289511
0.261112
0.241046
...

完整程序

x = tf.constant([[1], [2], [3], [4]], dtype=tf.float32)
y_true = tf.constant([[0], [-1], [-2], [-3]], dtype=tf.float32)

linear_model = tf.layers.Dense(units=1)

y_pred = linear_model(x)
loss = tf.losses.mean_squared_error(labels=y_true, predictions=y_pred)

optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.01)
train = optimizer.minimize(loss)

init = tf.global_variables_initializer()

sess = tf.Session()
sess.run(init)
for i in range(100):
  _, loss_value = sess.run((train, loss))
  print(loss_value)

print(sess.run(y_pred))

后续步骤

要详细了解如何使用 TensorFlow 构建模型,请参阅以下内容:

  • 自定义 Estimator,了解如何使用 TensorFlow 构建自定义模型。掌握 TensorFlow Core 知识有助于理解和调试您自己的模型。

如果您想详细了解 TensorFlow 的内部工作原理,请参阅以下文档。这些文档深入探讨了这篇文章中提及的许多主题: