Python黑马头条推荐系统第四天 TensorFlow框架介绍和深度学习
2024-05-06 03:08:17
深度学习与推荐系统
6.1 推荐系统与深度学习关联
学习目标
- 目标
- 无
- 应用
- 无
6.1.1 深度学习到推荐系统
深度学习发展成功与局限
最近几年深度学习的流行，大家一般认为是从2012年 AlexNet 在图像识别领域的成功作为一个里程碑。AlexNet 提升了整个业界对机器学习的接受程度：以前很多机器学习算法都处在“差不多能做 demo ”的程度，但是 AlexNet 的效果跨过了很多应用的门槛，造成了应用领域井喷式的兴趣。
- 成功的原因：是大数据，是高性能计算。
- 大量的数据，比如说移动互联网的兴起，以及 AWS 这样低成本获得标注数据的平台，使机器学习算法得以打破数据的限制；
- 由于 GPGPU 等高性能运算的兴起，又使得我们可以在可以控制的时间内（以天为单位甚至更短）进行 exaflop 级别的计算，从而使得训练复杂网络变得可能。
- 局限的地方：一点是结构化的理解，一点是小数据上的有效学习算法。
- 很多深度学习的算法还是在感知这个层面上形成了突破，可以从语音、图像，这些非结构化的数据中进行识别的工作。面对更加结构化的问题的时候，简单地套用深度学习算法可能并不能达到很好的效果
- 在数据量非常小的时候，深度学习的复杂网络往往无法取得很好的效果，但是很多领域，特别是类似医疗这样的领域，数据是非常难获得的。
推荐系统的应用需求
- 实际上深度学习在自然语言处理，图像处理，图像识别等领域迅猛发展的近4年来，深度学习在其他领域，例如推荐系统也得到快速的发展。除了语音和图像之外，如何解决更多问题。在阿里、美团等很多互联网企业中有一个“沉默的大多数”的应用，就是推荐系统：它常常占据了超过80%甚至90%的机器学习算力，如何将深度学习和传统推荐系统进一步整合，如何寻找新的模型，如何对搜索和推荐的效果建模，也是公司不可缺少的技能。
6.1.2 推荐系统为什么加入深度学习？
为什么我们会想到使用深度学习去处理推荐系统里面的事情呢，推荐系统从基于内容的推荐，到协同过滤的推荐，协同过滤的推荐在整个推荐算法领域里独领风烧了多年。或许深度学习在推荐系统里面没有像图像处理算法那样一枝独秀，但是深度学习对于推荐系统的帮助确实起到了，推波助澜的功效。
- 能够直接从内容中提取特征，表征能力强
- 容易对噪声数据进行处理，抗噪能量强
- 深度学习便于对负责数据进行统一处理
具体的基于深度的推荐模型后面讲TensorFlow详细介绍
6.2 深度学习应用简介
学习目标
- 目标
- 无
- 应用
- 无
6.2.1 区别
特征提取方面
- 机器学习的特征工程步骤是要靠手动完成的，而且需要大量领域专业知识
- 深度学习通常由多个层组成，它们通常将更简单的模型组合在一起，通过将数据从一层传递到另一层来构建更复杂的模型。通过大量数据的训练自动得到模型，不需要人工设计特征提取环节。
深度学习算法试图从数据中学习高级功能，这是深度学习的一个非常独特的部分。因此，减少了为每个问题开发新特征提取器的任务。适合用在难提取特征的图像、语音、自然语言领域
数据量
机器学习需要的执行时间远少于深度学习，深度学习参数往往很庞大，需要通过大量数据的多次优化来训练参数。
第一、它们需要大量的训练数据集
第二、是训练深度神经网络需要大量的算力
可能要花费数天、甚至数周的时间，才能使用数百万张图像的数据集训练出一个深度网络。所以以后
- 需要强大对的GPU服务器来进行计算
- 全面管理的分布式训练与预测服务——比如谷歌 TensorFlow 云机器学习平台——可能会解决这些问题，为大家提供成本合理的基于云的 CPU 和 GPU
算法代表
- 机器学习
- 朴素贝叶斯、决策树等
- 深度学习
- 神经网络
6.2.2 深度学习主要应用
- 图像识别
- 物体识别
- 场景识别
- 车型识别
- 人脸检测跟踪
- 人脸关键点定位
- 人脸身份认证
- 自然语言处理技术
- 机器翻译
- 文本识别
- 聊天对话
- 语音技术
- 语音识别
- 推荐系统
前几年一直关注AI框架，但是近年来框架的同质化说明了它不再是一个需要花大精力解决的问题，TensorFlow、Pytorch这样的框架在工业界的广泛应用，以及各种框架利用 Python 在建模领域的优秀表现，已经可以帮助我们解决很多以前需要自己编程实现的问题，如果作为 AI 工程师，我们应该跳出框架的桎梏，往更广泛的领域寻找价值。
6.2.3 常见深度学习框架对比
tensorflow的github：
1.2.2 TensorFlow的特点
官网：https://www.tensorflow.org/
语言多样（Language Options）
- TensorFlow使用C++实现的，然后用Python封装。谷歌号召社区通过SWIG开发更多的语言接口来支持TensorFlow
使用分发策略进行分发训练
- 对于大型 ML 训练任务，分发策略 API使在不更改模型定义的情况下，可以轻松地在不同的硬件配置上分发和训练模型。由于 TensorFlow 支持一系列硬件加速器，如 CPU、GPU 和 TPU
Tensorboard可视化
- TensorBoard是TensorFlow的一组Web应用，用来监控TensorFlow运行过程
在任何平台上的生产中进行强大的模型部署
一旦您训练并保存了模型，就可以直接在应用程序中执行它，或者使用部署库为其提供服务：
- TensorFlow 服务：允许模型通过 HTTP/REST 或 GRPC/协议缓冲区提供服务的 TensorFlow 库构建。
- TensorFlow Lite：TensorFlow 针对移动和嵌入式设备的轻量级解决方案提供了在 Android、iOS 和嵌入式系统上部署模型的能力。
- tensorflow.js：支持在 JavaScript 环境中部署模型，例如在 Web 浏览器或服务器端通过 Node.js 部署模型。TensorFlow.js 还支持在 JavaScript 中定义模型，并使用类似于 Kera 的 API 直接在 Web 浏览器中进行训练。
1.2.3 TensorFlow的安装
安装 TensorFlow在64 位系统上测试这些系统支持 TensorFlow：
- Ubuntu 16.04 或更高版本
- Windows 7 或更高版本
- macOS 10.12.6 (Sierra) 或更高版本（不支持 GPU）
进入虚拟环境当中再安装。刚开始的环境比较简单，只要下载tensorflow即可
- 环境包：
安装较慢，指定镜像源，请在带有numpy等库的虚拟环境中安装
- ubuntu安装
pip install tensorflow==1.13 -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple
- MacOS安装
pip install tensorflow==1.13 -i https://mirrors.aliyun.com/pypi/simple
注：如果需要下载GPU版本的（TensorFlow只提供windows和linux版本的，没有Macos版本的）参考官网https://www.tensorflow.org/install/gpu?hl=zh-cn,
1、虚拟机下linux也是用不了GPU版本TensorFlow
2、本机单独的windows和本机单独的unbuntu可以使用GPU版本TensorFlow，需要安装相关驱动
1.2.4 Tenssorlfow使用技巧
- 使用** tf.keras** 构建、训练和验证您的模型，tf相关API用于损失计算修改等
- tensorflow提供模型训练模型部署
TensorFlow框架介绍
2.1 TF数据流图
学习目标
- 目标
- 说明TensorFlow的数据流图结构
- 应用
- 无
- 内容预览
- 2.1.1 案例：TensorFlow实现一个加法运算
- 1 代码
- 2 TensorFlow结构分析
- 2.1.2 数据流图介绍
- 2.1.1 案例：TensorFlow实现一个加法运算
2.1.1 案例：TensorFlow实现一个加法运算
2.1.1.1 代码
def tensorflow_demo():"""通过简单案例来了解tensorflow的基础结构:return: None"""# 一、原生python实现加法运算a = 10b = 20c = a + bprint("原生Python实现加法运算方法1：\n", c)def add(a, b):return a + bsum = add(a, b)print("原生python实现加法运算方法2：\n", sum)# 二、tensorflow实现加法运算a_t = tf.constant(10)b_t = tf.constant(20)# 不提倡直接运用这种符号运算符进行计算# 更常用tensorflow提供的函数进行计算# c_t = a_t + b_tc_t = tf.add(a_t, b_t)print("tensorflow实现加法运算：\n", c_t)# 如何让计算结果出现？# 开启会话with tf.Session() as sess:sum_t = sess.run(c_t)print("在sess当中的sum_t:\n", sum_t)return None
注意问题：警告指出你的CPU支持AVX运算加速了线性代数计算，即点积，矩阵乘法，卷积等。可以从源代码安装TensorFlow来编译，当然也可以选择关闭
import os os.environ['TF_CPP_MIN_LOG_LEVEL']='2'
2.1.1.2 TensorFlow结构分析
TensorFlow 程序通常被组织成一个构建图阶段和一个执行图阶段。
在构建阶段，数据与操作的执行步骤被描述成一个图。
在执行阶段，使用会话执行构建好的图中的操作。
- 图和会话 ：
- 图：这是 TensorFlow 将计算表示为指令之间的依赖关系的一种表示法
- 会话：TensorFlow 跨一个或多个本地或远程设备运行数据流图的机制
- 张量：TensorFlow 中的基本数据对象
- 节点：提供图当中执行的操作
2.1.2 数据流图介绍
TensorFlow是一个采用数据流图（data flow graphs），用于数值计算的开源框架。
节点（Operation）在图中表示数学操作，线（edges）则表示在节点间相互联系的多维数据数组，即张量（tensor）。
2.2 图与TensorBoard
学习目标
- 目标
- 说明图的基本使用
- 应用tf.Graph创建图、tf.get_default_graph获取默认图
- 知道开启TensorBoard过程
- 知道图当中op的名字以及命名空间
- 应用
- 无
- 内容预览
- 2.2.1 什么是图结构
- 2.2.2 图相关操作
- 1 默认图
- 2 创建图
- 2.2.3 TensorBoard:可视化学习
- 1 数据序列化-events文件
- 2 启动TensorBoard
- 2.2.4 OP
- 1 常见OP
- 2 指令名称
2.2.1 什么是图结构
图包含了一组tf.Operation代表的计算单元对象和tf.Tensor代表的计算单元之间流动的数据。
2.2.2 图相关操作
1 默认图
通常TensorFlow会默认帮我们创建一张图。
查看默认图的两种方法：
- 通过调用tf.get_default_graph()访问 ，要将操作添加到默认图形中，直接创建OP即可。
- op、sess都含有graph属性 ，默认都在一张图中
def graph_demo():# 图的演示a_t = tf.constant(10)b_t = tf.constant(20)# 不提倡直接运用这种符号运算符进行计算# 更常用tensorflow提供的函数进行计算# c_t = a_t + b_tc_t = tf.add(a_t, b_t)print("tensorflow实现加法运算：\n", c_t)# 获取默认图default_g = tf.get_default_graph()print("获取默认图：\n", default_g)# 数据的图属性print("a_t的graph:\n", a_t.graph)print("b_t的graph:\n", b_t.graph)# 操作的图属性print("c_t的graph:\n", c_t.graph)# 开启会话with tf.Session() as sess:sum_t = sess.run(c_t)print("在sess当中的sum_t:\n", sum_t)# 会话的图属性print("会话的图属性：\n", sess.graph)return None
2 创建图
- 可以通过tf.Graph()自定义创建图
- 如果要在这张图中创建OP，典型用法是使用tf.Graph.as_default()上下文管理器
def graph_demo():# 图的演示a_t = tf.constant(10)b_t = tf.constant(20)# 不提倡直接运用这种符号运算符进行计算# 更常用tensorflow提供的函数进行计算# c_t = a_t + b_tc_t = tf.add(a_t, b_t)print("tensorflow实现加法运算：\n", c_t)# 获取默认图default_g = tf.get_default_graph()print("获取默认图：\n", default_g)# 数据的图属性print("a_t的graph:\n", a_t.graph)print("b_t的graph:\n", b_t.graph)# 操作的图属性print("c_t的graph:\n", c_t.graph)# 自定义图new_g = tf.Graph()print("自定义图：\n", new_g)# 在自定义图中去定义数据和操作with new_g.as_default():new_a = tf.constant(30)new_b = tf.constant(40)new_c = tf.add(new_a, new_b)# 数据的图属性print("new_a的graph:\n", new_a.graph)print("new_b的graph:\n", new_b.graph)# 操作的图属性print("new_c的graph:\n", new_c.graph)# 开启会话with tf.Session() as sess:sum_t = sess.run(c_t)print("在sess当中的sum_t:\n", sum_t)# 会话的图属性print("会话的图属性：\n", sess.graph)# 不同的图之间不能互相访问# sum_new = sess.run(new_c)# print("在sess当中的sum_new:\n", sum_new)with tf.Session(graph=new_g) as sess2:sum_new = sess2.run(new_c)print("在sess2当中的sum_new:\n", sum_new)print("会话的图属性：\n", sess2.graph)# 很少会同时开启不同的图，一般用默认的图就够了return None
TensorFlow有一个亮点就是，我们能看到自己写的程序的可视化效果，这个功能就是Tensorboard。在这里我们先简单介绍一下其基本功能。
2.2.3 TensorBoard:可视化学习
TensorFlow 可用于训练大规模深度神经网络所需的计算，使用该工具涉及的计算往往复杂而深奥。为了更方便 TensorFlow 程序的理解、调试与优化，TensorFlow提供了TensorBoard 可视化工具。
实现程序可视化过程：
1 数据序列化-events文件
TensorBoard 通过读取 TensorFlow 的事件文件来运行，需要将数据生成一个序列化的 Summary protobuf 对象。
# 返回filewriter,写入事件文件到指定目录(最好用绝对路径)，以提供给tensorboard使用
tf.summary.FileWriter('./tmp/summary/test/', graph=sess.graph)
这将在指定目录中生成一个 event 文件，其名称格式如下：
events.out.tfevents.{timestamp}.{hostname}
2 启动TensorBoard
tensorboard --logdir="./tmp/tensorflow/summary/test/"
在浏览器中打开 TensorBoard 的图页面 127.0.0.1:6006 ，会看到与以下图形类似的图,在GRAPHS模块我们可以看到以下图结构
2.2.4 OP
2.2.4.1 常见OP
哪些是OP？
| 类型 | 实例 |
|---|---|
| 标量运算 | add, sub, mul, div, exp, log, greater, less, equal |
| 向量运算 | concat, slice, splot, constant, rank, shape, shuffle |
| 矩阵运算 | matmul, matrixinverse, matrixdateminant |
| 带状态的运算 | Variable, assgin, assginadd |
| 神经网络组件 | softmax, sigmoid, relu,convolution,max_pool |
| 存储, 恢复 | Save, Restroe |
| 队列及同步运算 | Enqueue, Dequeue, MutexAcquire, MutexRelease |
| 控制流 | Merge, Switch, Enter, Leave, NextIteration |
一个操作对象（Operation）是TensorFlow图中的一个节点, 可以接收0个或者多个输入Tensor, 并且可以输出0个或者多个Tensor，Operation对象是通过op构造函数（如tf.matmul()）创建的。
例如: c = tf.matmul(a, b) 创建了一个Operation对象，类型为 MatMul类型, 它将张量a, b作为输入，c作为输出,，并且输出数据，打印的时候也是打印的数据。其中tf.matmul()是函数，在执行matmul函数的过程中会通过MatMul类创建一个与之对应的对象
# 实现一个加法运算
con_a = tf.constant(3.0)
con_b = tf.constant(4.0)sum_c = tf.add(con_a, con_b)print("打印con_a：\n", con_a)
print("打印con_b：\n", con_b)
print("打印sum_c：\n", sum_c)
打印语句会生成：
打印con_a：Tensor("Const:0", shape=(), dtype=float32)
打印con_b：Tensor("Const_1:0", shape=(), dtype=float32)
打印sum_c：Tensor("Add:0", shape=(), dtype=float32)
注意，打印出来的是张量值，可以理解成OP当中包含了这个值。并且每一个OP指令都对应一个唯一的名称，如上面的Const:0，这个在TensorBoard上面也可以显示
请注意，tf.Tensor 对象以输出该张量的 tf.Operation 明确命名。张量名称的形式为 “<OP_NAME>:”，其中：
- “<OP_NAME>” 是生成该张量的指令的名称
- “” 是一个整数，它表示该张量在指令的输出中的索引
2.2.4.2 指令名称
tf.Graph对象为其包含的 tf.Operation对象定义的一个命名空间。TensorFlow 会自动为图中的每个指令选择一个唯一名称，用户也可以指定描述性名称，使程序阅读起来更轻松。我们可以以以下方式改写指令名称
- 每个创建新的 tf.Operation 或返回新的 tf.Tensor 的 API 函数可以接受可选的 name 参数。
例如，tf.constant(42.0, name=“answer”) 创建了一个名为 “answer” 的新 tf.Operation 并返回一个名为 “answer:0” 的 tf.Tensor。如果默认图已包含名为 “answer” 的指令，则 TensorFlow 会在名称上附加 “1”、“2” 等字符，以便让名称具有唯一性。
- 当修改好之后，我们在Tensorboard显示的名字也会被修改
a = tf.constant(3.0, name="a")
b = tf.constant(4.0, name="b" )
2.3 会话、张量、变量OP
学习目标
- 目标
- 应用sess.run或者eval运行图程序并获取张量值
- 应用feed_dict机制实现运行时填充数据
- 应用placeholder实现创建占位符
- 知道常见的TensorFlow创建张量
- 知道常见的张量数学运算操作
- 说明numpy的数组和张量相同性
- 说明张量的两种形状改变特点
- 应用set_shape和tf.reshape实现张量形状的修改
- 应用tf.matmul实现张量的矩阵运算修改
- 应用tf.cast实现张量的类型
- 说明变量op的特殊作用
- 说明变量op的trainable参数的作用
- 应用global_variables_initializer实现变量op的初始化
- 应用
- 无
- 内容预览
2.3.1 会话
一个运行TensorFlow operation的类。会话包含以下两种开启方式
- tf.Session：用于完整的程序当中
- tf.InteractiveSession：用于交互式上下文中的TensorFlow ，例如shell
1 TensorFlow 使用 tf.Session 类来表示客户端程序（通常为 Python 程序，但也提供了使用其他语言的类似接口）与 C++ 运行时之间的连接
2 tf.Session 对象使用分布式 TensorFlow 运行时提供对本地计算机中的设备和远程设备的访问权限。
2.3.1.1 init(target=‘’, graph=None, config=None)
会话可能拥有的资源，如 tf.Variable，tf.QueueBase和tf.ReaderBase。当这些资源不再需要时，释放这些资源非常重要。因此，需要调用tf.Session.close会话中的方法，或将会话用作上下文管理器。以下两个例子作用是一样的：
def session_demo():"""会话演示:return:"""a_t = tf.constant(10)b_t = tf.constant(20)# 不提倡直接运用这种符号运算符进行计算# 更常用tensorflow提供的函数进行计算# c_t = a_t + b_tc_t = tf.add(a_t, b_t)print("tensorflow实现加法运算：\n", c_t)# 开启会话# 传统的会话定义# sess = tf.Session()# sum_t = sess.run(c_t)# print("sum_t:\n", sum_t)# sess.close()# 开启会话with tf.Session() as sess:# sum_t = sess.run(c_t)# 想同时执行多个tensorprint(sess.run([a_t, b_t, c_t]))# 方便获取张量值的方法# print("在sess当中的sum_t:\n", c_t.eval())# 会话的图属性print("会话的图属性：\n", sess.graph)return None
- target：如果将此参数留空（默认设置），会话将仅使用本地计算机中的设备。可以指定 grpc:// 网址，以便指定 TensorFlow 服务器的地址，这使得会话可以访问该服务器控制的计算机上的所有设备。
- graph：默认情况下，新的 tf.Session 将绑定到当前的默认图。
- config：此参数允许您指定一个 tf.ConfigProto 以便控制会话的行为。例如，ConfigProto协议用于打印设备使用信息
# 运行会话并打印设备信息
sess = tf.Session(config=tf.ConfigProto(allow_soft_placement=True,log_device_placement=True))
会话可以分配不同的资源在不同的设备上运行。
/job:worker/replica:0/task:0/device:CPU:0
device_type：类型设备（例如CPU，GPU，TPU）
2.3.1.2 会话的run()
- run(fetches,feed_dict=None, options=None, run_metadata=None)
- 通过使用sess.run()来运行operation
- fetches：单一的operation，或者列表、元组(其它不属于tensorflow的类型不行)
- feed_dict：参数允许调用者覆盖图中张量的值，运行时赋值
- 与tf.placeholder搭配使用，则会检查值的形状是否与占位符兼容。
使用tf.operation.eval()也可运行operation，但需要在会话中运行
# 创建图
a = tf.constant(5.0)
b = tf.constant(6.0)
c = a * b# 创建会话
sess = tf.Session()# 计算C的值
print(sess.run(c))
print(c.eval(session=sess))
2.3.1.3 feed操作
- placeholder提供占位符，run时候通过feed_dict指定参数
def session_run_demo():"""会话的run方法:return:"""# 定义占位符a = tf.placeholder(tf.float32)b = tf.placeholder(tf.float32)sum_ab = tf.add(a, b)print("sum_ab:\n", sum_ab)# 开启会话with tf.Session() as sess:print("占位符的结果：\n", sess.run(sum_ab, feed_dict={a: 3.0, b: 4.0}))return None
请注意运行时候报的错误error:
RuntimeError：如果这Session是无效状态（例如已关闭）。 TypeError：如果fetches或者feed_dict键的类型不合适。 ValueError：如果fetches或feed_dict键无效或引用 Tensor不存在的键。
在编写 TensorFlow 程序时，程序传递和运算的主要目标是tf.Tensor
2.3.2 张量(Tensor)
TensorFlow 的张量就是一个 n 维数组， 类型为tf.Tensor。Tensor具有以下两个重要的属性
- type:数据类型
- shape:形状(阶)
2.3.2.1 张量的类型
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5l9M4fqE-1650942232063)(images/%E7%B1%BB%E5%9E%8B.png)]
2.3.2.2 张量的阶
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Seo5A0jf-1650942232064)(images/%E9%98%B6.png)]
形状有0阶、1阶、2阶….
tensor1 = tf.constant(4.0)
tensor2 = tf.constant([1, 2, 3, 4])
linear_squares = tf.constant([[4], [9], [16], [25]], dtype=tf.int32)print(tensor1.shape)
# 0维：() 1维：(10, ) 2维：(3, 4) 3维：(3, 4, 5)
2.3.3 创建张量的指令
- 固定值张量
- 随机值张量
- 其它特殊的创建张量的op
- tf.Variable
- tf.placeholder
2.3.4 张量的变换
2.3.4.1 类型改变
2.3.4.2 形状改变
TensorFlow的张量具有两种形状变换，动态形状和静态形状
- tf.reshape
- tf.set_shape
关于动态形状和静态形状必须符合以下规则
- 静态形状
- 转换静态形状的时候，1-D到1-D，2-D到2-D，不能跨阶数改变形状
- 对于已经固定的张量的静态形状的张量，不能再次设置静态形状
- 动态形状
- tf.reshape()动态创建新张量时，张量的元素个数必须匹配
def tensor_demo():"""张量的介绍:return:"""a = tf.constant(value=30.0, dtype=tf.float32, name="a")b = tf.constant([[1, 2], [3, 4]], dtype=tf.int32, name="b")a2 = tf.constant(value=30.0, dtype=tf.float32, name="a2")c = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[2, 3, 4], name="c")sum = tf.add(a, a2, name="my_add")print(a, a2, b, c)print(sum)# 获取张量属性print("a的图属性：\n", a.graph)print("b的名字：\n", b.name)print("a2的形状：\n", a2.shape)print("c的数据类型：\n", c.dtype)print("sum的op:\n", sum.op)# 获取静态形状print("b的静态形状：\n", b.get_shape())# 定义占位符a_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, None])b_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[None, 10])c_p = tf.placeholder(dtype=tf.float32, shape=[3, 2])# 获取静态形状print("a_p的静态形状为：\n", a_p.get_shape())print("b_p的静态形状为：\n", b_p.get_shape())print("c_p的静态形状为：\n", c_p.get_shape())# 形状更新# a_p.set_shape([2, 3])# 静态形状已经固定部分就不能修改了# b_p.set_shape([10, 3])# c_p.set_shape([2, 3])# 静态形状已经固定的部分包括它的阶数，如果阶数固定了，就不能跨阶更新形状# 如果想要跨阶改变形状，就要用动态形状# a_p.set_shape([1, 2, 3])# 获取静态形状print("a_p的静态形状为：\n", a_p.get_shape())print("b_p的静态形状为：\n", b_p.get_shape())print("c_p的静态形状为：\n", c_p.get_shape())# 动态形状# c_p_r = tf.reshape(c_p, [1, 2, 3])c_p_r = tf.reshape(c_p, [2, 3])# 动态形状，改变的时候，不能改变元素的总个数# c_p_r2 = tf.reshape(c_p, [3, 1])print("动态形状的结果：\n", c_p_r)# print("动态形状的结果2：\n", c_p_r2)return None
2.3.5 张量的数学运算
- 算术运算符
- 基本数学函数
- 矩阵运算
- reduce操作
- 序列索引操作
详细请参考: https://www.tensorflow.org/versions/r1.8/api_guides/python/math_ops
这些API使用，我们在使用的时候介绍，具体参考文档
2.3.6 变量
TensorFlow变量是表示程序处理的共享持久状态的最佳方法。变量通过 tf.Variable OP类进行操作。变量的特点：
- 存储持久化
- 可修改值
- 可指定被训练
2.3.6.1 创建变量
tf.Variable(
initial_value=None,trainable=True,collections=None
,name=None)
- initial_value:初始化的值
- trainable:是否被训练
- collections：新变量将添加到列出的图的集合中collections，默认为[GraphKeys.GLOBAL_VARIABLES]，如果trainable是True变量也被添加到图形集合 GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES
变量需要显式初始化，才能运行值
def variable_demo():"""变量的演示:return:"""# 定义变量a = tf.Variable(initial_value=30)b = tf.Variable(initial_value=40)sum = tf.add(a, b)# 初始化变量init = tf.global_variables_initializer()# 开启会话with tf.Session() as sess:# 变量初始化sess.run(init)print("sum:\n", sess.run(sum))return None
2.3.6.2 使用tf.variable_scope()修改变量的命名空间
会在OP的名字前面增加命名空间的指定名字
with tf.variable_scope("name"):var = tf.Variable(name='var', initial_value=[4], dtype=tf.float32)var_double = tf.Variable(name='var', initial_value=[4], dtype=tf.float32)<tf.Variable 'name/var:0' shape=() dtype=float32_ref>
<tf.Variable 'name/var_1:0' shape=() dtype=float32_ref>
2.4 案例：实现线性回归
学习目标
- 目标
- 应用op的name参数实现op的名字修改
- 应用variable_scope实现图程序作用域的添加
- 应用scalar或histogram实现张量值的跟踪显示
- 应用merge_all实现张量值的合并
- 应用add_summary实现张量值写入文件
- 应用tf.train.saver实现TensorFlow的模型保存以及加载
- 应用tf.app.flags实现命令行参数添加和使用
- 应用reduce_mean、square实现均方误差计算
- 应用tf.train.GradientDescentOptimizer实现有梯度下降优化器创建
- 应用minimize函数优化损失
- 知道梯度爆炸以及常见解决技巧
- 应用
- 实现线性回归模型
- 内容预览
- 2.6.1 线性回归原理复习
- 2.6.2 案例：实现线性回归的训练
- 2.6.3 增加其他功能
- 1 增加变量显示
- 2 增加命名空间
- 3 模型的保存与加载
- 4 命令行参数使用
2.4.1 线性回归原理复习
根据数据建立回归模型，w1x1+w2x2+……+b = y，通过真实值与预测值之间建立误差，使用梯度下降优化得到损失最小对应的权重和偏置。最终确定模型的权重和偏置参数。最后可以用这些参数进行预测。
2.4.2 案例：实现线性回归的训练
1 案例确定
- 假设随机指定100个点，只有一个特征
- 数据本身的分布为 y = 0.8 * x + 0.7
这里将数据分布的规律确定，是为了使我们训练出的参数跟真实的参数（即0.8和0.7）比较是否训练准确
2 API
运算
- 矩阵运算
- tf.matmul(x, w)
- 平方
- tf.square(error)
- 均值
- tf.reduce_mean(error)
梯度下降优化
- tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate)
- 梯度下降优化
- learning_rate:学习率，一般为0~1之间比较小的值
- method:
- minimize(loss)
- return:梯度下降op
3 步骤分析
- 1 准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本
- 2 建立线性模型
- 随机初始化W1和b1
- y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b
- 3 确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差
- 4 梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）
4 实现完整功能
import tensorflow as tf
import osdef linear_regression():"""自实现线性回归:return: None"""# 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本# 特征值X, 目标值y_trueX = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2)# y_true [100, 1]# 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)y_true = tf.matmul(X, [[0.8]]) + 0.7# 2）建立线性模型：# y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b# 3）随机初始化W1和b1weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)))bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)))y_predict = tf.matmul(X, weights) + bias# 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true))# 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）# W2 = W1 - 学习率*(方向)# b2 = b1 - 学习率*(方向)optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01).minimize(error)# 初始化变量init = tf.global_variables_initializer()# 开启会话进行训练with tf.Session() as sess:# 运行初始化变量Opsess.run(init)print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))# 训练模型for i in range(100):sess.run(optimizer)print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))return None
6 变量的trainable设置观察
trainable的参数作用，指定是否训练
weight = tf.Variable(tf.random_normal([1, 1], mean=0.0, stddev=1.0), name="weights", trainable=False)
2.4.3 增加其他功能
- 增加命名空间
- 命令行参数设置
2 增加命名空间
是代码结构更加清晰，Tensorboard图结构清楚
with tf.variable_scope("lr_model"):
def linear_regression():# 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本# 特征值X, 目标值y_truewith tf.variable_scope("original_data"):X = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2, name="original_data_x")# y_true [100, 1]# 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)y_true = tf.matmul(X, [[0.8]], name="original_matmul") + 0.7# 2）建立线性模型：# y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b# 3）随机初始化W1和b1with tf.variable_scope("linear_model"):weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="weights")bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="bias")y_predict = tf.matmul(X, weights, name="model_matmul") + bias# 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差with tf.variable_scope("loss"):error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true), name="error_op")# 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）# W2 = W1 - 学习率*(方向)# b2 = b1 - 学习率*(方向)with tf.variable_scope("gd_optimizer"):optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01, name="optimizer").minimize(error)# 2）收集变量tf.summary.scalar("error", error)tf.summary.histogram("weights", weights)tf.summary.histogram("bias", bias)# 3）合并变量merge = tf.summary.merge_all()# 初始化变量init = tf.global_variables_initializer()# 开启会话进行训练with tf.Session() as sess:# 运行初始化变量Opsess.run(init)print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))# 1）创建事件文件file_writer = tf.summary.FileWriter(logdir="./summary", graph=sess.graph)# 训练模型for i in range(100):sess.run(optimizer)print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))# 4）运行合并变量opsummary = sess.run(merge)file_writer.add_summary(summary, i)return None
3 模型的保存与加载
- tf.train.Saver(var_list=None,max_to_keep=5)
- 保存和加载模型（保存文件格式：checkpoint文件）
- var_list:指定将要保存和还原的变量。它可以作为一个dict或一个列表传递.
- max_to_keep：指示要保留的最近检查点文件的最大数量。创建新文件时，会删除较旧的文件。如果无或0，则保留所有检查点文件。默认为5（即保留最新的5个检查点文件。）
使用
例如：
指定目录+模型名字
saver.save(sess, '/tmp/ckpt/test/myregression.ckpt')
saver.restore(sess, '/tmp/ckpt/test/myregression.ckpt')
如要判断模型是否存在，直接指定目录
checkpoint = tf.train.latest_checkpoint("./tmp/model/")saver.restore(sess, checkpoint)
4 命令行参数使用
- 1、
- 2、 tf.app.flags.,在flags有一个FLAGS标志，它在程序中可以调用到我们
前面具体定义的flag_name
- 3、通过tf.app.run()启动main(argv)函数
# 定义一些常用的命令行参数
# 训练步数
tf.app.flags.DEFINE_integer("max_step", 0, "训练模型的步数")
# 定义模型的路径
tf.app.flags.DEFINE_string("model_dir", " ", "模型保存的路径+模型名字")# 定义获取命令行参数
FLAGS = tf.app.flags.FLAGS# 开启训练
# 训练的步数（依据模型大小而定）
for i in range(FLAGS.max_step):sess.run(train_op)
完整代码
import tensorflow as tf
import ostf.app.flags.DEFINE_string("model_path", "./linear_regression/", "模型保存的路径和文件名")
FLAGS = tf.app.flags.FLAGSdef linear_regression():# 1）准备好数据集：y = 0.8x + 0.7 100个样本# 特征值X, 目标值y_truewith tf.variable_scope("original_data"):X = tf.random_normal(shape=(100, 1), mean=2, stddev=2, name="original_data_x")# y_true [100, 1]# 矩阵运算 X（100， 1）* （1, 1）= y_true(100, 1)y_true = tf.matmul(X, [[0.8]], name="original_matmul") + 0.7# 2）建立线性模型：# y = W·X + b，目标：求出权重W和偏置b# 3）随机初始化W1和b1with tf.variable_scope("linear_model"):weights = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="weights")bias = tf.Variable(initial_value=tf.random_normal(shape=(1, 1)), name="bias")y_predict = tf.matmul(X, weights, name="model_matmul") + bias# 4）确定损失函数（预测值与真实值之间的误差）-均方误差with tf.variable_scope("loss"):error = tf.reduce_mean(tf.square(y_predict - y_true), name="error_op")# 5）梯度下降优化损失：需要指定学习率（超参数）# W2 = W1 - 学习率*(方向)# b2 = b1 - 学习率*(方向)with tf.variable_scope("gd_optimizer"):optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.01, name="optimizer").minimize(error)# 2）收集变量tf.summary.scalar("error", error)tf.summary.histogram("weights", weights)tf.summary.histogram("bias", bias)# 3）合并变量merge = tf.summary.merge_all()# 初始化变量init = tf.global_variables_initializer()# 开启会话进行训练with tf.Session() as sess:# 运行初始化变量Opsess.run(init)# 未经训练的权重和偏置print("随机初始化的权重为%f， 偏置为%f" % (weights.eval(), bias.eval()))# 当存在checkpoint文件，就加载模型# 1）创建事件文件file_writer = tf.summary.FileWriter(logdir="./summary", graph=sess.graph)# 训练模型for i in range(100):sess.run(optimizer)print("第%d步的误差为%f，权重为%f， 偏置为%f" % (i, error.eval(), weights.eval(), bias.eval()))# 4）运行合并变量opsummary = sess.run(merge)file_writer.add_summary(summary, i)return Nonedef main(argv):print("这是main函数")print(argv)print(FLAGS.model_path)linear_regression()if __name__ == "__main__":tf.app.run()
作业：将面向过程改为面向对象
参考代码
# 用tensorflow自实现一个线性回归案例# 定义一些常用的命令行参数
# 训练步数
tf.app.flags.DEFINE_integer("max_step", 0, "训练模型的步数")
# 定义模型的路径
tf.app.flags.DEFINE_string("model_dir", " ", "模型保存的路径+模型名字")FLAGS = tf.app.flags.FLAGSclass MyLinearRegression(object):"""自实现线性回归"""def __init__(self):passdef inputs(self):"""获取特征值目标值数据数据:return:"""x_data = tf.random_normal([100, 1], mean=1.0, stddev=1.0, name="x_data")y_true = tf.matmul(x_data, [[0.7]]) + 0.8return x_data, y_truedef inference(self, feature):"""根据输入数据建立模型:param feature::param label::return:"""with tf.variable_scope("linea_model"):# 2、建立回归模型，分析别人的数据的特征数量--->权重数量， 偏置b# 由于有梯度下降算法优化，所以一开始给随机的参数，权重和偏置# 被优化的参数，必须得使用变量op去定义# 变量初始化权重和偏置# weight 2维[1, 1] bias [1]# 变量op当中会有trainable参数决定是否训练self.weight = tf.Variable(tf.random_normal([1, 1], mean=0.0, stddev=1.0),name="weights")self.bias = tf.Variable(0.0, name='biases')# 建立回归公式去得出预测结果y_predict = tf.matmul(feature, self.weight) + self.biasreturn y_predictdef loss(self, y_true, y_predict):"""目标值和真实值计算损失:return: loss"""# 3、求出我们模型跟真实数据之间的损失# 均方误差公式loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_true - y_predict))return lossdef merge_summary(self, loss):# 1、收集张量的值tf.summary.scalar("losses", loss)tf.summary.histogram("w", self.weight)tf.summary.histogram('b', self.bias)# 2、合并变量merged = tf.summary.merge_all()return mergeddef sgd_op(self, loss):"""获取训练OP:return:"""# 4、使用梯度下降优化器优化# 填充学习率：0 ~ 1 学习率是非常小，# 学习率大小决定你到达损失一个步数多少# 最小化损失train_op = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.1).minimize(loss)return train_opdef train(self):"""训练模型:param loss::return:"""g = tf.get_default_graph()with g.as_default():x_data, y_true = self.inputs()y_predict = self.inference(x_data)loss = self.loss(y_true, y_predict)train_op = self.sgd_op(loss)# 收集观察的结果值merged = self.merge_summary(loss)saver = tf.train.Saver()with tf.Session() as sess:sess.run(tf.global_variables_initializer())# 在没训练，模型的参数值print("初始化的权重：%f, 偏置：%f" % (self.weight.eval(), self.bias.eval()))# 开启训练# 训练的步数（依据模型大小而定）for i in range(FLAGS.max_step):sess.run(train_op)# 生成事件文件，观察图结构file_writer = tf.summary.FileWriter("./tmp/summary/", graph=sess.graph)print("训练第%d步之后的损失:%f, 权重：%f, 偏置：%f" % (i,loss.eval(),self.weight.eval(),self.bias.eval()))# 运行收集变量的结果summary = sess.run(merged)# 添加到文件file_writer.add_summary(summary, i)if __name__ == '__main__':lr = MyLinearRegression()lr.train()
2.5 TFAPI使用2.0建议
学习目标
- 目标
- 无
- 应用
- 无
2.5.2 TF2.0最新架构图
- 饱受诟病TF1.0的API混乱
- 删除 queue runner 以支持 tf.data。
- 删除图形集合。
- API 符号的移动和重命名。
- tf.contrib 将从核心 TensorFlow 存储库和构建过程中移除
TensorFlow 2.0 将专注于 简单性 和 易用性，具有以下更新：
- 使用 Keras 和 eager execution，轻松构建模型
- 在任意平台上实现生产环境的稳健模型部署
- 为研究提供强大的实验工具
- 通过清理废弃的 API 和减少重复来简化 API
**1、使用tf.data加载数据。**使用输入管道读取训练数据，输入管道使用tf.data创建。利用tf.feature_column描述特征，如分段和特征交叉。
2、使用tf.keras构建、训练并验证模型，或者使用Premade Estimators。
- Keras与TensorFlow的其余部分紧密集成，因此用户可以随时访问TensorFlow的函数。如线性或逻辑回归、梯度上升树、随机森林等也可以直接使用（使用tf.estimatorAPI实现）。
- 如果不想从头开始训练模型，用户也可以很快利用迁移学习来训练使用TensorFlow Hub模块的Keras或Estimator模型。(迁移学习)
**3、使用分布式策略进行分布式训练。**对于大型机器学习训练任务，分布式策略API可以轻松地在不同硬件配置上分配和训练模型，无需更改模型的定义。由于TensorFlow支持各种硬件加速器，如CPU，GPU和TPU，因此用户可以将训练负载分配到单节点/多加速器以及多节点/多加速器配置上（包括TPU Pod）。
4、导出到Saved Model。 TensorFlow将对Saved Model进行标准化，作为TensorFlow服务的一部分，他将成为TensorFlow Lite、TensorFlow.js、TensorFlow Hub等格式的可互换格式。
工作流程
2.5.3 API
- 高层API (High level): 包括Estimators、Keras以及预构建好的Premade estimator(如线性回归、逻辑回归这些、推荐排序模型wide&deep)；
- 中层API (Mid level): 包括layers, datasets, loss和metrics等具有功能性的函数，例如网络层的定义，Loss Function，对结果的测量函数等；
- 底层API (Low level): 包括具体的加减乘除、具有解析式的数学函数、卷积、对Tensor属性的测量等。
2.8 TFRecords与黑马训练数据存储
学习目标
- 目标
- 说明Example的结构
- 应用
- 应用TF保存Spark构建的样本到TFRecords文件
2.8.1 模型构造流程与离线样本
2.8.2 什么是TFRecords文件
TFRecords其实是一种二进制文件，虽然它不如其他格式好理解，但是它能更好的利用内存，更方便复制和移动，并且不需要单独的标签文件。
TFRecords文件包含了tf.train.Example 协议内存块(protocol buffer)(协议内存块包含了字段 Features)。可以获取你的数据， 将数据填入到Example协议内存块(protocol buffer)，将协议内存块序列化为一个字符串， 并且通过tf.python_io.TFRecordWriter 写入到TFRecords文件。
- 文件格式 *.tfrecords
2.8.3 Example结构解析
tf.train.Example 协议内存块(protocol buffer)(协议内存块包含了字段 Features)，Features包含了一个Feature字段，Features中包含要写入的数据、并指明数据类型。这是一个样本的结构，批数据需要循环存入这样的结构
example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={"features": tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[features])),"label": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[label])),}))
tf.train.Example(
features
=None)
- 写入tfrecords文件
- features:tf.train.Features类型的特征实例
- return：example格式协议块
tf.train.
Features
(
feature
=None)
- 构建每个样本的信息键值对
- feature:字典数据,key为要保存的名字
- value为tf.train.Feature实例
- return:Features类型
tf.train.
Feature
(options)
- options：例如
- bytes_list=tf.train. BytesList(value=[Bytes])
- int64_list=tf.train. Int64List(value=[Value])
- 支持存入的类型如下
- tf.train.Int64List(value=[Value])
- tf.train.BytesList(value=[Bytes])
- tf.train.FloatList(value=[value])
- options：例如
这种结构是不是很好的解决了数据和标签(训练的类别标签)或者其他属性数据存储在同一个文件中
2.8.4 案例：CIFAR10数据存入TFRecords文件
2.8.4.1 分析
- 构造存储实例，tf.python_io.TFRecordWriter(path)
- 写入tfrecords文件
- path: TFRecords文件的路径
- return：写文件
- method
- write(record):向文件中写入一个example
- close():关闭文件写入器
- 循环将数据填入到
Example协议内存块(protocol buffer)
2.8.4.2 代码
对于每一个点击事件样本数据，都需要写入到example当中，所以这里需要取出每一样本进行构造存入
# 保存到TFRecords文件中
df = train_res.select(['user_id', 'article_id', 'clicked', 'features'])
df_array = df.collect()
import pandas as pd
df = pd.DataFrame(df_array)
存储
import tensorflow as tf
def write_to_tfrecords(click_batch, feature_batch):"""将数据存进tfrecords，方便管理每个样本的属性:param image_batch: 特征值:param label_batch: 目标值:return: None"""# 1、构造tfrecords的存储实例writer = tf.python_io.TFRecordWriter("./train_ctr_201905.tfrecords")# 2、循环将每个样本写入到文件当中for i in range(len(click_batch)):click = click_batch[i]feature = feature_batch[i].tostring()# 绑定每个样本的属性example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={"label": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[click])),"feature": tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[feature])),}))writer.write(example.SerializeToString())# 文件需要关闭writer.close()return None# 开启会话打印内容
with tf.Session() as sess:# 创建线程协调器coord = tf.train.Coordinator()# 开启子线程去读取数据# 返回子线程实例threads = tf.train.start_queue_runners(sess=sess, coord=coord)# 存入数据write_to_tfrecords(df.iloc[:, 2], df.iloc[:, 3])# 关闭子线程，回收coord.request_stop()coord.join(threads)
取出每一样本进行构造存入```python
# 保存到TFRecords文件中
df = train_res.select(['user_id', 'article_id', 'clicked', 'features'])
df_array = df.collect()
import pandas as pd
df = pd.DataFrame(df_array)
存储
import tensorflow as tf
def write_to_tfrecords(click_batch, feature_batch):"""将数据存进tfrecords，方便管理每个样本的属性:param image_batch: 特征值:param label_batch: 目标值:return: None"""# 1、构造tfrecords的存储实例writer = tf.python_io.TFRecordWriter("./train_ctr_201905.tfrecords")# 2、循环将每个样本写入到文件当中for i in range(len(click_batch)):click = click_batch[i]feature = feature_batch[i].tostring()# 绑定每个样本的属性example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature={"label": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[click])),"feature": tf.train.Feature(bytes_list=tf.train.BytesList(value=[feature])),}))writer.write(example.SerializeToString())# 文件需要关闭writer.close()return None# 开启会话打印内容
with tf.Session() as sess:# 创建线程协调器coord = tf.train.Coordinator()# 开启子线程去读取数据# 返回子线程实例threads = tf.train.start_queue_runners(sess=sess, coord=coord)# 存入数据write_to_tfrecords(df.iloc[:, 2], df.iloc[:, 3])# 关闭子线程，回收coord.request_stop()coord.join(threads)
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