Keras 源码分析

Keras 源码分析

此文档中，凡代码里用pass，均系省略源码以便阅读，起“本枝百世”之用。此注明者，乃pass非源码所有，勿叫读者疑心不解也。

[TOC]

Keras 概览

我们从一个简单的全连接分类器来看Keras的设计原则和阅读源代码。在Keras的官网上有这样一个简单全连接网络的示例The Sequential model API：

import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Activation
from keras import backend as K

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_shape=(500,)))
model.add(Dense(10, activation='softmax'))
model.compile(optimizer='rmsprop',
      loss='categorical_crossentropy',
      metrics=['accuracy'])
model.fit(train['data'], train['label'], batch_size=32, 
      nb_epoch=10, verbose=1)

其中，Sequential模型的代码在keras/models.py中。
后端backend的代码在keras/backend里。
网络的核心概念——层(Layer)的核心源码则在keras/engine/topology.py中，Dense网络只是Layer类的一个继承，其他其他所有的层都是这样的一种继承，所以developer可以通过继承Layer类来实现自己需要的层。

从整体上看，Keras源码的组织和功能是这样的：

.
│  activations.py
│  callbacks.py
│  constraints.py
│  initializations.py
│  metrics.py
│  models.py
│  objectives.py
│  optimizers.py
│  regularizers.py
│  __init__.py
│  
├─applications
|      # 一些典型的应用
│      ...
│      
├─backend
|      # Theano, Tensorflow 后端
|      # tensorflow_backend.py 和 theano_backend.py 有一些同名的函数
|      # 这样 import backend as K 以后应用时，就不需要考虑 Tensorflow 和 Theano 的具体差别了
│      common.py
│      tensorflow_backend.py
│      theano_backend.py
│      __init__.py
│      
├─datasets
|      # 下载数据集的脚本
│      ...
|
├─engine
│      topology.py # Keras Layer, Input, Merge, Container的基础
│      training.py
│      __init__.py
│      
├─layers
|      # 相当于 engine 的应用
|      # 通过继承 engine/topology.py 的 Layer 来实现不同的层
│      convolutional.py
│      __init__.py
│      ...
│      
├─preprocessing
│      image.py
│      sequence.py
│      text.py
│      __init__.py
│      
├─utils
│      data_utils.py
│      generic_utils.py
│      io_utils.py
│      layer_utils.py
│      np_utils.py
│      test_utils.py
│      visualize_util.py
│      __init__.py
│      
└─wrappers
        scikit_learn.py
        __init__.py

backend 设计

首先要说一下后端设计。Keras最初后端只有Theano，现在可以支持Tensorflow。
Keras之所以易于扩展backend，是因为后端采用的函数名都一样。这等于说是在Tensorflow和Theano基础上又向上封装了一层。

在backend/theano_backend.py和tensorflow_backend.py两个文件中，封装到backend中的函数有：Backend functions

这些同名函数的功能基本上如字面意思所述，例如：

def maximum(x, y):
    return tf.maximum(x, y)
def maximum(x, y):
    return T.maximum(x, y)

Tensorflow和Theano的差别基本就如上例所示。由于存在大量同名的函数，所以在调用后端时只需要：

import backend as K
K.function_name(args)

我们可以通过这些重名的函数看到，哪些构件对于深度学习而言是基本的、必需的，这对于芯片设计会有一定的启发。

class Layer(object) 设计

class Sequential(Model)继承了keras/engine/training.py中的Model类，而Model类则继承了同目录下的keras/engine/topology.py中的Container类，Container类继承了同文件中的Layer类。

也就是说，Sequential模型实际上是泛型模型(functional API)的一个特殊情况。而泛型模型又是容器(Container)、是层(Layer)的特殊情况，因此有必要先搞清楚Layer的设计原理。

class Node(object)

Layer类和Node类很有关系。两个Layer之间用Node连接。Layer有inbound_nodes和outbound_nodes两种list，他们的元素都是Node，用来绑定输入与输出的张量。

每当一个Layer接收新的输入张量时，就在layer.inbound_nodes中增加一个Node。同理，当一个输出张量被另一层Layer调用时，在layer.outbound_nodes增加新的节点。Node的作用类似于函数之间的参数传递。

class Node(object):
    def __init__(self, outbound_layer,
                 inbound_layers, node_indices, tensor_indices,
                 input_tensors, output_tensors,
                 input_masks, output_masks,
                 input_shapes, output_shapes):
        '''
        构造函数
        outbound_layer 
            此 Node 绑定的输出 Layer ，也就是说当前 Node 在 outbound_layer 的 inbound_nodes 中；
        inbound_layers
            输入 Layer，当前 Node 作为其 outbound_nodes 的元素

        下面的循环将 Node 加入到所有要绑定的输入 Layer 中。
        同时，也绑定了要输出的 Layer 的 Node。
        '''
        for layer in inbound_layers:
            if layer is not None:
                layer.outbound_nodes.append(self)
        outbound_layer.inbound_nodes.append(self)

    @classmethod # 指定函数 create_node 为类方法而非实例方法，因此可以直接进行类调用 Node.create_node()

    def create_node(cls, outbound_layer,
                    inbound_layers, node_indices=None, tensor_indices=None):
        '''
        inbound_layers
            从 inbound_layers.inbound_nodes 中读取所有的输入 Node 信息，包括数据、mask、shape。
        outbound_layer
            根据从 inbound_layers 读到的足够多的信息来确定新建一个 Node 传递给 outbound_layers 。
        函数返还一个outbound_layers 的 Node 类节点。
        '''
        return cls(outbound_layer,
                   inbound_layers, node_indices, tensor_indices,
                   input_tensors, output_tensors,
                   input_masks, output_masks,
                   input_shapes, output_shapes)

    def get_config(self):
        '''
        返还输入输出层的名字、节点与张量的索引
        '''
        return {'outbound_layer': self.outbound_layer.name if self.outbound_layer else None,
                'inbound_layers': inbound_names,
                'node_indices': self.node_indices,
                'tensor_indices': self.tensor_indices}

Node和Layer互为成员变量，所以在Layer创建的时候就已经创建了，不需要单独创建。

class Layer(object)

至于Layer类，它主要包括这些成员变量(properties)、实例方法(methods)和类方法(class methods)

主要的 Properties

• input_spec

  class InputSpec的list。每一个元素描述了对于输入的要求，例如维度ndim和数据类型dtype。

• trainable

  用来标志这个Layer在训练中权重是否更新(训练)的bool值

• input_shape, output_shape

• inbound_nodes, outbound_nodes

  Layer之间存放的Node的list

• input, output

  输入输出的张量（tensor）

• trainable_weights, non_trainable_weights, weights
  可以训练、不可以训练的变量list，weights是他们的串接。它们是以函数形式存在的property，返回list。

关键的 Methods

• I/O相关的 Methods

  • def create_input_layer(self, batch_input_shape, input_dtype=None, name=None)

    这个函数会按照输入参数修改当前Layer的batch_input_shape和input_dtype，并且调用函数def Input(shape=None, batch_shape=None, name=None, dtype=K.floatx(), sparse=False, tensor=None)得到一个Keras tensor，x。

      x = Input(batch_shape=batch_input_shape,
        dtype=input_dtype, name=name)
      self(x)
    

    Keras tensor是在backend的 tensor 基础之上增加内容的张量。用返还的Keras tensor将自身实例化为Layer，这是为了创造当前Layer与刚刚创造的输入Layer之间的连接Node。
    Keras tensor实际上是InputLayer输入Node的输出张量：

      input_layer = InputLayer(batch_input_shape=batch_shape,
                               name=name, input_dtype=dtype,
                               sparse=sparse,
                               input_tensor=tensor)
      outputs = input_layer.inbound_nodes[0].output_tensors
      if len(outputs) == 1:
          return outputs[0]
      else:
          return outputs
    

    因为在子类InputLayer中并没有调用该函数，所以没有矛盾的地方。

• 与Losses, Update有关的 Methods

  • def add_loss(self, losses, inputs=None)

    这个函数会不断添加self.losses列表，参数losses会被转化为list然后被加到self.losses后面。
    然后根据参数inputs，获得它的用户级编号uid作为hash值。uid是根据python的id()函数得到的，某种意义上类似于C的内存地址。

      inputs_hash = object_list_uid(inputs)
    

    然后将losses列表加入对应的hash值位置：

      self._per_input_losses[inputs_hash] += losses
    

  • def get_losses_for(self, inputs)

    将add_loss函数设定的inputs位置的losses取出来

  • update类的函数

    基本上和losses都一样，只是将关键字losses改成updates。

• Weight相关的 Methods

  • def weights(self)

    串接可训练与不可训练的权重：

      return self.trainable_weights + self.non_trainable_weights
    

  • def set_weights(self, weights)

    将self.weights和参数weights的张量载入到[numpy.array]形式的weight_value_tuples

  • def get_weights(self)

    以[numpy.array]的形式返回当前Layer的张量

以 Dense 层为例

Dense层是Keras中最简单的一个全连接的网络。整个Dense层的代码大致如下：

class Dense(Layer):
    def __init__(self, output_dim, init='glorot_uniform',
                 activation=None, weights=None,
                 W_regularizer=None, b_regularizer=None, activity_regularizer=None,
                 W_constraint=None, b_constraint=None,
                 bias=True, input_dim=None, **kwargs):
        pass
        super(Dense, self).__init__(**kwargs)

    def build(self, input_shape):
        pass

    def call(self, x, mask=None):
        output = K.dot(x, self.W)
        if self.bias:
            output += self.b
        return self.activation(output)

    def get_output_shape_for(self, input_shape):
        pass

    def get_config(self):
        pass

首先，Dense是对父类Layer的继承，但是覆盖了

• build
  定义权重。可以训练的加入self.trainable_weights，不可以训练的加入self.non_trainabe_weights，需要更新的以(old_tensor, new_tensor)的形式加入self.updates。
• call
  定义功能，具体的数学运算。
• get_output_shape_for
  给Keras指明shape的变化。
• get_config
  给出Layer的确认信息，包括output_dim, W_constraint等。

这四个函数，这四个函数具有“多态”的特点。

在Dense实例化时，在构造函数__init__的结尾调用父类Layer的构造函数，这时候Layer调用的多态函数就被子类覆盖了，实现了子类的特有功能。

在官方手册Writing your own Keras layers中，并不需要用户实现get_config，只需要自己编写另外三个多态函数即可。

数学运算

可见Layer的计算功能集中在call函数。

Dense的call如上面的代码所示，它实际上还是按照输入的activation关键字调用了keras/activations.py中的激活函数。
keras/activations.py提供了如下这些激活类型，

• def softmax(x)
• def elu(x, alpha=1.0)
• def softplus(x)
• def softsign(x)
• def relu(x, alpha=0., max_value=None)
• def tanh(x)
• def sigmoid(x)
• def hard_sigmoid(x)
• def linear(x)

在不指定activation参数的情况下，参数传递为None，默认调用linear。

由此可见，Layer只具有前向传播的计算能力，不具备反向传播的计算能力。

class Container(Layer) 设计

Container是由Layer组成的有向无环的计算图(a directed acyclic graph of layers)，实际上是一个Model的拓扑结构。Container和Model之间的差别在于训练，所以在构造时，Model是对Container的继承。

__init__() 函数

构造函数__init__()通过一种“自顶向下”的方法构造了计算图模型。在__init__()中，首先会将参数输入的input, output这两张层的张量处理好：

def __init__(self, input, output, name=None):
    # 先将输入的张量`input`, `output`
    # 处理成`Container`专用的`tensor list`
    # Container-specific properties.
    if isinstance(input, (list, tuple)):
        self.inputs = list(input)  # Tensor or list of tensors.
    else:
        self.inputs = [input]
    if isinstance(output, (list, tuple)):
        self.outputs = list(output)
    else:
        self.outputs = [output]

    # Build self.output_layers:
    for x in self.outputs:
        layer, node_index, tensor_index = x._keras_history
        # 添加输出*层*
        self.output_layers.append(layer)
        # 添加输出层的*结点*
        self.output_layers_node_indices.append(node_index)
        # 添加*张量*
        self.output_layers_tensor_indices.append(tensor_index)

    # Build self.input_layers:
    for x in self.inputs:
        layer, node_index, tensor_index = x._keras_history
        # It's supposed to be an input layer, so only one node
        # and one tensor output.
        assert node_index == 0
        assert tensor_index == 0
        self.input_layers.append(layer)
        self.input_layers_node_indices.append(node_index)
        self.input_layers_tensor_indices.append(tensor_index)

    # `output_layers`, `input_layers` 的 cache 处理

Graph 构建

接下来会通过下面这个__init__内部定义的函数来递归地构造计算图

    def build_map_of_graph(tensor, seen_nodes=set(), depth=0,
                           layer=None, node_index=None, tensor_index=None):

构造出来的计算图大致是这样的：

output layer
|
#------------#------------#
|            |            |
node   ...   node   ...   node
                          |
#------------#------------#
|            |            |
layer  ...   layer  ...   layer
|
#------------#------------#
|            |            |
node   ...   node   ...   node
...          ...          ...
#
|
input layer

“自顶向下”的构造从output layer 开始，逐个检查它的inbound_nodes列表中的结点，将结点加入“图可见结点”(seen_nodes)中。因为output layer 到 input layer 之间并不是所有结点都有用的，只有在seen_nodes中的才是计算图模型所需要的。

最后再遍历当前结点的inbound_layers。对于每一个layer，需要继续向下添加seen_nodes。这样，就递归地构建了计算图。

同时，对于一个新构造的Container而言，作为不带有训练功能的拓扑结构，它的inbound node只有一个，并且没有outbound node。

Depth 环路避免

为了在有向图中防止出现环，所以采用depth（深度）对Node和Layer进行描述。按照depth的顺序，获得经过排序的self.layers_by_depth和self.nodes_by_depth。

在有向图中利用depth来避免出现环是很容易理解的，因为如果出现有向环的话，那么Node和Layer的深度就会不断增加以至于无穷大，也就是所谓的“无穷计数问题”。

有关训练的 Property Methods

Update

在方法def updates(self)中，确定某一个Layer是否需要更新的方法就是检查'updates'属性：

@property
def updates(self):
    updates = []
    for layer in self.layers:
        if hasattr(layer, 'updates'):
            # 根据`layer.inbound_nodes`进行更新
            pass
    return updates

Loss

损失函数也一样，通过检查'losses'属性和检查layer.inbound_nodes来完成。

Weights 相关的 Methods

@property
def trainable_weights(self):
    pass

@property
def non_trainable_weights(self):
    pass

这两个函数中的权重选取就根据Layer.trainable这个属性来进行选择。在model.summary()中，可以查看可训练与不可训练的参数数量，就是通过这两个函数实现的。

前向传播计算

output 计算

在这里最重要的函数是

def run_internal_graph(self, inputs, masks=None):
    # Computes output tensors for new inputs.
    pass

因为之前在建图的时候有记录depth信息，所以数据的流动、计算可以逐层进行：

    depth_keys = list(self.nodes_by_depth.keys())
    depth_keys.sort(reverse=True)
    for depth in depth_keys:
        nodes = self.nodes_by_depth[depth]
        for node in nodes:
            # This is always a single layer, never a list.
            pass

因为是有向无环图，而且图又自有深度学习任务的特点，所以必然在每一层都只有一个Layer。这是上面这段大循环的基础，这段循环将从深depth到浅depth遍历层，也就是从input layer到output layer遍历。

对于每一个层而言，前向传播计算就是将从input层来的、已经算过的张量拿过来计算，并且传给下一层。具体的计算就要通过Layer的call方法实现：

output_tensors = to_list(layer.call(computed_tensors,
                                    computed_masks))
output_masks = to_list(layer.compute_mask(computed_tensors,
                                          computed_masks))

每完成一张层的前向计算，要添加一下update，loss以及缓冲池的记录，并且更新_keras_shape。这样方便将来的训练。当上面的大循环走完时，数据流也就从input layer流到了output layer。此时再将数据收集起来即可：

    for x in self.outputs:
        tensor, mask = tensor_map[str(id(x))]
        pass
        output_tensors.append(tensor)
        output_masks.append(mask)

Method call 与 cache 策略

call函数没有承担主要计算任务，计算任务主要还是由run_internal_graph方法实现的。

但是call利用了一个巧妙的缓冲策略降低了调用run_internal_graph的次数（显然，这个函数要进行一次图的全局计算，代价相对比较高）。在Container的构造函数__init__中，特别预置了三个dict：

    self._output_mask_cache = {}
    self._output_tensor_cache = {}
    self._output_shape_cache = {}

就是为了起到缓冲作用，降低调用run_internal_graph的次数。在call中，可以清晰地看到它们的作用：

def call(self, input, mask=None):
    pass
    if cache_key in self._output_tensor_cache:
        return self._output_tensor_cache[cache_key]
    else:
        output_tensors, output_masks, output_shapes = self.run_internal_graph(inputs, masks)
        return output_tensors

这个缓冲的设计，或许也可以作为芯片设计的参考。

到此为止，keras/engine/topology.py中的主要三个类：

• Node
• Layer
• Container

已经解释过了，其实还有诸如Merge之类的内容也是很重要的。但如果只是Sequential模型，就未必需要在这里添加说明以起探微Keras代码之功效，读者可以自去读源码。

class Model(Container) 设计

Model类相比于Container类而言，最大的特点就是它具有了反向传播的能力，换而言之也就是说Model可以进行训练，这一点落在fit函数上。至于其他的方法，诸如predict之类，对于理解深度学习框架而言并不十分重要。因此，主要需要理解的就是compile和fit两个函数，实际上用户在进行训练时，也是这两个函数最重要。

Method compile

compile函数对输入进行了一些确认

def compile(self, optimizer, loss, metrics=None, loss_weights=None,
            sample_weight_mode=None, **kwargs):
    pass

注意到用户在调用compile时，实际上还没有填充训练集与样本标签，例如我们最开始使用的例子：

model.compile(optimizer='rmsprop',
      loss='categorical_crossentropy',
      metrics=['accuracy'])

化归格式

compile会对用来设定模型的参数进行检查，包括数据类型检查等等，以化归到恰当的形式。例如loss可能有dict和list的表达，那么compile要分别处理两种表达的输入。

准备预测

预测结果用self.targets来储存：

    self.targets = []
    for i in range(len(self.outputs)):
        shape = self.internal_output_shapes[i]
        name = self.output_names[i]
        self.targets.append(K.placeholder(ndim=len(shape),
                            name=name + '_target',
                            sparse=K.is_sparse(self.outputs[i]),
                            dtype=K.dtype(self.outputs[i])))

用Tensorflow和Theano后端产生一个占位符。

loss 计算

误差计算用函数参数loss_weights计算权重，加权计算总的误差：

    total_loss = None
    for i in range(len(self.outputs)):
        y_true = self.targets[i]
        y_pred = self.outputs[i]
        weighted_loss = weighted_losses[i]
        sample_weight = sample_weights[i]
        mask = masks[i]
        loss_weight = loss_weights_list[i]
        output_loss = weighted_loss(y_true, y_pred,
                                    sample_weight, mask)
        if len(self.outputs) > 1:
            self.metrics_tensors.append(output_loss)
            self.metrics_names.append(self.output_names[i] + '_loss')
        if total_loss is None:
            total_loss = loss_weight * output_loss
        else:
            total_loss += loss_weight * output_loss

最后，对于每一组真实值与预测值，都要确定计算他们之间loss的目标函数：

    for i in range(len(self.outputs)):
        y_true = self.targets[i]
        y_pred = self.outputs[i]
        output_metrics = nested_metrics[i]

        for metric in output_metrics:
            if metric == 'accuracy' or metric == 'acc':
                output_shape = self.internal_output_shapes[i]
                acc_fn = None
                # 选用不同的目标函数
                if output_shape[-1] == 1 or self.loss_functions[i] == objectives.binary_crossentropy:
                    acc_fn = metrics_module.binary_accuracy
                elif self.loss_functions[i] == objectives.sparse_categorical_crossentropy:
                    acc_fn = metrics_module.sparse_categorical_accuracy
                else:
                    acc_fn = metrics_module.categorical_accuracy

                append_metric(i, 'acc', acc_fn(y_true, y_pred))
            else:
                pass

目标函数本身是在keras/metrics.py中，在keras/engine/training.py中被调用为metrics_module

from .. import metrics as metrics_module

这部分代码是用backend写成的。以(0, 1)二值标签为例，目标函数为：

def binary_accuracy(y_true, y_pred):
    return K.mean(K.equal(y_true, K.round(y_pred)))

Method fit

fit函数是具有批量反向传播训练能力的函数：

def fit(self, x, y, batch_size=32, nb_epoch=10, verbose=1, callbacks=None,
        validation_split=0., validation_data=None, shuffle=True,
        class_weight=None, sample_weight=None, initial_epoch=0):
    pass

数据标准化

在fit函数中，首先会调用类方法_standardize_user_data以进行数据处理：

    x, y, sample_weights = self._standardize_user_data(
        x, y,
        sample_weight=sample_weight,
        class_weight=class_weight,
        check_batch_dim=False,
        batch_size=batch_size)

这样得到标准化的数据。

训练函数

关于验证数据validation_data这部分，因为有时候用户不会使用，所以就不在这里说明了。接下来就是要准备输入数据和训练函数（目标函数）：

    # prepare input arrays and training function
    if self.uses_learning_phase and not isinstance(K.learning_phase(), int):
        ins = x + y + sample_weights + [1.]
    else:
        ins = x + y + sample_weights
    # 准备算子`self.train_function`
    self._make_train_function()
    # 给出`self.train_function`算子，供`_fit_loop`使用
    f = self.train_function

其中属性uses_learning_phase是从Layer继承来的，经过Container和Model的封装。它的本意是用来标志Layer是否会用到后端函数K.in_training_phase()或K.in_test_phase()。

调用_make_train_function以准备数据，以及准备好目标函数的算子：

def _make_train_function(self):
    pass
    if self.train_function is None:
        # 准备`inputs`
        if self.uses_learning_phase and not isinstance(K.learning_phase(), int):
            inputs = self.inputs + self.targets + self.sample_weights + [K.learning_phase()]
        else:
            inputs = self.inputs + self.targets + self.sample_weights
        # 准备`updates`
        training_updates = self.optimizer.get_updates(self._collected_trainable_weights,
                                                      self.constraints,
                                                      self.total_loss)
        updates = self.updates + training_updates
        # 调用backend，准备好目标函数的算子
        self.train_function = K.function(inputs,
                                         [self.total_loss] + self.metrics_tensors,
                                         updates=updates,
                                         **self._function_kwargs)

Theano 后端的 Function

后端函数function用传递来的参数实例化一个Keras的Function类返回：

def function(inputs, outputs, updates=[], **kwargs):
    pass
    return Function(inputs, outputs, updates=updates, **kwargs)

Function类只有两个函数，除了__init__以外还有一个__call__，使其成为“可调用的类”。这相当于Function的对象当作函数来使用，相当于重载了括号运算符。这样就可以通过下面的代码直接求出outputs:

outputs = self.train_function(ins)

Function的构造函数主要完成变量的更新：

class Function(object):

    def __init__(self, inputs, outputs, updates=[], **kwargs):
        unique_variables_to_update = {}
        for v, nv in updates:
            if v not in unique_variables_to_update:
                unique_variables_to_update[v] = nv
        updates = unique_variables_to_update.items()
        self.function = theano.function(inputs, outputs, updates=updates,
                                        allow_input_downcast=True,
                                        on_unused_input='ignore',
                                        **kwargs)

同时，定义好了形式上的输入输出函数self.function。这是通过theano.function实现的，关于这个有用的函数可以去看Theano的官方手册function - defines theano.function

__call__函数的主要任务则是进行数据计算，给出outputs表达式的数值：

    def __call__(self, inputs):
        assert isinstance(inputs, (list, tuple))
        return self.function(*inputs)

_fit_loop

函数fit最终就是返回_fit_loop的结果，这是训练过程中的一切历史记录信息。此时原始输入的训练集已经被改造成ins，样本标签也成为out_labels，其他的参数都传递给训练函数_fit_loop了：

    return self._fit_loop(f, ins, out_labels=out_labels,
                          batch_size=batch_size, nb_epoch=nb_epoch,
                          verbose=verbose, callbacks=callbacks,
                          val_f=val_f, val_ins=val_ins, shuffle=shuffle,
                          callback_metrics=callback_metrics,
                          initial_epoch=initial_epoch)

_fit_loop是一个抽象的函数f(ins)，这里f是从后端构建来的算子self.train_function，ins是输入的训练集。

历史记录是通过keras/callbacks.py搜集的：

self.history = cbks.History()

撇开数据的处理、准备，训练的主要代码是这段循环，非常关键：

    for epoch in range(initial_epoch, nb_epoch):
        # 记录本回epoch的历史信息
        callbacks.on_epoch_begin(epoch)
        # 按照batch批次打混索引
        if shuffle == 'batch':
            index_array = batch_shuffle(index_array, batch_size)
        elif shuffle:
            np.random.shuffle(index_array)
        # 得到一个批次的索引
        batches = make_batches(nb_train_sample, batch_size)
        epoch_logs = {}

以下的循环是批量对训练集进行训练，首先是准备训练集的数据切片，切片大小自然是按照批次设定的：

        for batch_index, (batch_start, batch_end) in enumerate(batches):
            batch_ids = index_array[batch_start:batch_end]
            try:
                if isinstance(ins[-1], float):
                    # do not slice the training phase flag
                    ins_batch = slice_X(ins[:-1], batch_ids) + [ins[-1]]
                else:
                    ins_batch = slice_X(ins, batch_ids)
            except TypeError:
                raise TypeError('TypeError while preparing batch. '
                                'If using HDF5 input data, '
                                'pass shuffle="batch".')

这里调用了函数slice_X，这个函数是用来截取python的list和numpy的array两种格式的列表的。如此获得的ins_batch自然就是此回epoch、此batch批次的输入ins。

            batch_logs = {}
            batch_logs['batch'] = batch_index
            batch_logs['size'] = len(batch_ids)
            callbacks.on_batch_begin(batch_index, batch_logs)
            outs = f(ins_batch)
            if not isinstance(outs, list):
                outs = [outs]
            for l, o in zip(out_labels, outs):
                batch_logs[l] = o

            callbacks.on_batch_end(batch_index, batch_logs)

            if batch_index == len(batches) - 1:  # last batch
                # validation
                if do_validation:
                    # replace with self._evaluate
                    val_outs = self._test_loop(val_f, val_ins,
                                               batch_size=batch_size,
                                               verbose=0)
                    if not isinstance(val_outs, list):
                        val_outs = [val_outs]
                    # same labels assumed
                    for l, o in zip(out_labels, val_outs):
                        epoch_logs['val_' + l] = o
        callbacks.on_epoch_end(epoch, epoch_logs)
        if callback_model.stop_training:
            break