Tensorflow编程系统

Tensorflow工具或者说深度学习本身就是一个连贯紧密的系统。一般的系统是一个自治独立的、能实现复杂功能的整体。系统的主要任务是对输入进行处理，以得到想要的输出结果。我们之前见过的很多系统都是线性的，就像汽车生产工厂的流水线一样，输入->系统处理->输出。系统内部由很多单一的基本部件构成，这些单一部件具有特定的功能，且需要稳定的特性；系统设计者通过特殊的连接方式，让这些简单部件进行连接，以使它们之间可以进行数据交流和信息互换，来达到相互配合而完成具体工作的目的。

对于任何一个系统来说，都应该拥有稳定、独立、能处理特殊任务的单一部件；且拥有一套良好的内部沟通机制，以让系统可以健康安全的运行。

现实中的很多系统都是线性的，被设计好的、不能进行更改的，比如工厂的流水线,这样的系统并不具备自我调整的能力，无法对外界的环境做出反应，因此也就不具备“智能”。

深度学习（神经网络）之所以具备智能，就是因为它具有反馈机制。深度学习具有一套对输出所做的评价函数（损失函数），损失函数在对神经网络做出评价后，会通过某种方式（梯度下降法）更新网络的组成参数，以期望系统得到更好的输出数据。

由此可见，神经网络的系统主要由以下几个方面组成：

• 输入
• 系统本身（神经网络结构），以及涉及到系统本身构建的问题：如网络构建方式、网络执行方式、变量维护、模型存储和恢复等等问题
• 损失函数
• 反馈方式：训练方式

定义好以上的组成部分，我们就可以用流程化的方式将其组合起来，让系统对输入进行学习，调整参数。因为该系统的反馈机制，所以，组成的方式肯定需要循环。

而对于Tensorflow来说，其设计理念肯定离不开神经网络本身。所以，学习Tensorflow之前，对神经网络有一个整体、深刻的理解也是必须的。如下图：Tensorflow的执行示意。

那么对于以上所列的几点，什么才是最重要的呢？我想肯定是有关系统本身所涉及到的问题。即如何构建、执行一个神经网络？在Tensorflow中，用计算图来构建网络，用会话来具体执行网络。深入理解了这两点，我想，对于Tensorflow的设计思路，以及运行机制，也就略知一二了。

图（tf.Graph）：计算图，主要用于构建网络，本身不进行任何实际的计算。计算图的设计启发是高等数学里面的链式求导法则的图。我们可以将计算图理解为是一个计算模板或者计划书。

会话（tf.session）：会话，主要用于执行网络。所有关于神经网络的计算都在这里进行，它执行的依据是计算图或者计算图的一部分，同时，会话也会负责分配计算资源和变量存放，以及维护执行过程中的变量。

接下来，我们主要从计算图开始，看一看Tensorflow是如何构建、执行网络的。

计算图

在开始之前，我们先复习一下Tensorflow的几种基本数据类型：

tf.constant(value, dtype=None, shape=None, name='Const', verify_shape=False)
tf.Variable(initializer, name)
tf.placeholder(dtype, shape=None, name=None)

复习完毕。

graph = tf.Graph()
with graph.as_default():
 img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])

以上代码中定义了一个计算图，在该计算图中定义了一个常量。Tensorflow默认会创建一张计算图。所以上面代码中的前两行，可以省略。默认情况下，计算图是空的。

在执行完img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])以后，计算图中生成了一个node，一个node结点由name, op, input, attrs组成，即结点名称、操作、输入以及一系列的属性（类型、形状、值）等组成，计算图就是由这样一个个的node组成的。对于tf.constant()函数，只会生成一个node，但对于有的函数，如tf.Variable(initializer, name)（注意其第一个参数是初始化器）就会生成多个node结点（后面会讲到）。

那么执行完img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])后，计算图中就多一个node结点。（因为每个node的属性很多，我只表示name，op，input属性）

继续添加代码：

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])

代码执行后的计算图如下：

需要注意的是，如果没有对结点进行命名，Tensorflow自动会将其命名为：Const、Const_1、const_2......。其他类型的结点类同。

现在，我们添加一个变量：

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])
kernel = tf.Variable(k)

该变量用一个常量作为初始化器。我们先看一下计算图：

如图所示：
执行完tf.Variable()函数后，一共产生了三个结点：

• Variable：变量维护（不存放实际的值）
• Variable/Assign：变量分配
• Variable/read：变量使用

图中只是完成了操作的定义，但并没有执行操作（如Variable/Assign结点的Assign操作，所以，此时候变量依然不可以使用，这就是为什么要在会话中初始化的原因）。

我们继续添加代码：

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])
kernel = tf.Variable(k)
y = tf.nn.conv2d(img, kernel, strides=[1,2,2,1], padding="SAME")

得到的计算图如下：

可以看出，变量读取是通过Variable/read来进行的。

如果在这里我们直接开启会话，并执行计算图中的卷积操作，系统就会报错。

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])
kernel = tf.Variable(k)
y2 = tf.nn.conv2d(img, kernel, strides=[1,2,2,1], padding="SAME")
with tf.Session() as sess:
  sess.run(y2)

这段代码错误的原因在于，变量并没有初始化就被使用，而从图中清晰的可以看到，直接执行卷积，是回溯不到变量的值（Const_1）的（箭头方向）。

所以，在执行之前，要进行初始化，代码如下：

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])
kernel = tf.Variable(k)
y2 = tf.nn.conv2d(img, kernel, strides=[1,2,2,1], padding="SAME")
init = tf.global_variables_initializer()

执行完tf.global_variables_initializer()函数以后，计算图如下：

tf.global_variables_initializer()产生了一个名为init的node，该结点将所有的Variable/Assign结点作为输入，以达到对整张计算图中的变量进行初始化。
所以，在开启会话后，执行的第一步操作，就是变量初始化(当然变量初始化的方式有很多种，我们也可以显示调用tf.assign()来完成对单个结点的初始化)。
完整代码如下：

img = tf.constant(1.0, shape=[1,5,5,3])
k = tf.constant(1.0, shape=[3,3,3,1])
kernel = tf.Variable(k)
y2 = tf.nn.conv2d(img, kernel, strides=[1,2,2,1], padding="SAME")
init = tf.global_variables_initializer()
with tf.Session() as sess:
  sess.run(init)
  # do someting....

会话

在上述代码中，我已经使用会话（tf.session()）来执行计算图了。在tf.session()中，我们重点掌握无所不能的sess.run()。

一个session()中包含了Operation被执行，以及Tensor被evaluated的环境。

tf.Session().run()函数的定义：

run(
  fetches,
  feed_dict=None,
  options=None,
  run_metadata=None
)

tf.Session().run()函数的功能为：执行fetches参数所提供的operation操作或计算其所提供的Tensor。

run()函数每执行一步，都会执行与fetches有关的图中的所有结点的计算，以完成fetches中的任务。其中，feed_dict提供了部分数据输入的功能。（和tf.Placeholder()搭配使用，很舒服）

参数说明：

• fetches：可以是图中的一个结点，也可以是一个List或者字典，此时候返回值与fetches格式一致；该参数还可以是一个Operation，此时候返回值为None。
• feed_dict：字典格式。给模型输入其计算过程中所需要的值。

当我们把模型的计算图构建好以后，就可以利用会话来进行执行训练了。

在明白了计算图是如何构建的，以及如何被会话正确的执行以后，我们就可以愉快的开始Tensorflow之旅啦。

参考链接

https://jacobbuckman.com/

https://danijar.com/what-is-a-tensorflow-session/

http://looop.cn/?p=3365