keras通过model.fit_generator训练模型（节省内存）

前言
前段时间在训练模型的时候，发现当训练集的数量过大，并且输入的图片维度过大时，很容易就超内存了，举个简单例子，如果我们有20000个样本，输入图片的维度是224x224x3，用float32存储，那么如果我们一次性将全部数据载入内存的话，总共就需要20000x224x224x3x32bit/8=11.2GB 这么大的内存，所以如果一次性要加载全部数据集的话是需要很大内存的。

如果我们直接用keras的fit函数来训练模型的话，是需要传入全部训练数据，但是好在提供了fit_generator，可以分批次的读取数据，节省了我们的内存，我们唯一要做的就是实现一个生成器（generator）。

1.fit_generator函数简介

fit_generator(generator, 
				steps_per_epoch=None, 
				epochs=1, 
				verbose=1, 
				callbacks=None, 
				validation_data=None, 
				validation_steps=None, 
				class_weight=None, 
				max_queue_size=10, 
				workers=1, 
				use_multiprocessing=False, 
				shuffle=True, 
				initial_epoch=0)

参数：

• generator：一个生成器，或者一个 Sequence (keras.utils.Sequence) 对象的实例。这是我们实现的重点，后面会着介绍生成器和sequence的两种实现方式。
• steps_per_epoch：这个是我们在每个epoch中需要执行多少次生成器来生产数据，fit_generator函数没有batch_size这个参数，是通过steps_per_epoch来实现的，每次生产的数据就是一个batch，因此steps_per_epoch的值我们通过会设为（样本数/batch_size）。如果我们的generator是sequence类型，那么这个参数是可选的，默认使用len(generator) 。
• epochs：即我们训练的迭代次数。
• verbose：0, 1 或 2。日志显示模式。 0 = 安静模式, 1 = 进度条, 2 = 每轮一行
• callbacks：在训练时调用的一系列回调函数。
• validation_data：和我们的generator类似，只是这个使用于验证的，不参与训练。
• validation_steps：和前面的steps_per_epoch类似。
• class_weight：可选的将类索引（整数）映射到权重（浮点）值的字典，用于加权损失函数（仅在训练期间）。 这可以用来告诉模型「更多地关注」来自代表性不足的类的样本。（感觉这个参数用的比较少）
• max_queue_size：整数。生成器队列的最大尺寸。默认为10.
• workers：整数。使用的最大进程数量，如果使用基于进程的多线程。 如未指定，workers 将默认为 1。如果为 0，将在主线程上执行生成器。
• use_multiprocessing：布尔值。如果 True，则使用基于进程的多线程。默认为False。
• shuffle：是否在每轮迭代之前打乱 batch 的顺序。 只能与Sequence(keras.utils.Sequence) 实例同用。
• initial_epoch: 开始训练的轮次（有助于恢复之前的训练）

2.generator实现

2.1生成器的实现方式

样例代码：

import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
import numpy as np
from sklearn.model_selection import train_test_split
from PIL import Image

def process_x(path):
    img = Image.open(path)
    img = img.resize((96,96))
    img = img.convert('RGB')
    img = np.array(img)

    img = np.asarray(img, np.float32) / 255.0
    #也可以进行进行一些数据数据增强的处理
    return img

count =1
def generate_arrays_from_file(x_y):
    #x_y 是我们的训练集包括标签，每一行的第一个是我们的图片路径，后面的是我们的独热化后的标签

    global count
    batch_size = 8
    while 1:
        batch_x = x_y[(count - 1) * batch_size:count * batch_size, 0]
        batch_y = x_y[(count - 1) * batch_size:count * batch_size, 1:]

        batch_x = np.array([process_x(img_path) for img_path in batch_x])
        batch_y = np.array(batch_y).astype(np.float32)
        print("count:"+str(count))
        count = count+1
        yield (batch_x, batch_y)

model = Sequential()
model.add(Dense(units=1000, activation='relu', input_dim=2))
model.add(Dense(units=2, activation='softmax'))
model.compile(loss='categorical_crossentropy',optimizer='sgd',metrics=['accuracy'])

x_y = []
model.fit_generator(generate_arrays_from_file(x_y),steps_per_epoch=10, epochs=2,max_queue_size=1,workers=1)

在理解上面代码之前我们需要首先了解yield的用法。
yield关键字：
我们先通过一个例子看一下yield的用法：

def foo():
    print("starting...")
    while True:
        res = yield 4
        print("res:",res)
g = foo()
print(next(g))
print("----------")
print(next(g))

运行结果：

starting...
4
----------
res: None
4

带yield的函数是一个生成器，而不是一个函数。因为foo函数中有yield关键字，所以foo函数并不会真的执行，而是先得到一个生成器的实例，当我们第一次调用next函数的时候，foo函数才开始行，首先先执行foo函数中的print方法，然后进入while循环，循环执行到yield时，yield其实相当于return，函数返回4，程序停止。所以我们第一次调用next(g)的输出结果是前面两行。
然后当我们再次调用next(g)时，这个时候是从上一次停止的地方继续执行，也就是要执行res的赋值操作，因为4已经在上一次执行被return了，随意赋值res为None，然后执行print(“res:”,res)打印res: None，再次循环到yield返回4，程序停止。

所以yield关键字的作用就是我们能够从上一次程序停止的地方继续执行，这样我们用作生成器的时候，就避免一次性读入数据造成内存不足的情况。

现在看到上面的示例代码：
generate_arrays_from_file函数就是我们的生成器，每次循环读取一个batch大小的数据，然后处理数据，并返回。x_y是我们的把路径和标签合并后的训练集，类似于如下形式：

['data/img\\fimg_4092.jpg' '0' '1' '0' '0' '0' ]

至于格式不一定要这样，可以是自己的格式，至于怎么处理，根于自己的格式，在process_x进行处理，这里因为是存放的图片路径，所以在process_x函数的主要作用就是读取图片并进行归一化等操作，也可以在这里定义自己需要进行的操作，例如对图像进行实时数据增强。

2.2使用Sequence实现generator

示例代码：

class BaseSequence(Sequence):
    """
    基础的数据流生成器，每次迭代返回一个batch
    BaseSequence可直接用于fit_generator的generator参数
    fit_generator会将BaseSequence再次封装为一个多进程的数据流生成器
    而且能保证在多进程下的一个epoch中不会重复取相同的样本
    """
    def __init__(self, img_paths, labels, batch_size, img_size):
        #np.hstack在水平方向上平铺
        self.x_y = np.hstack((np.array(img_paths).reshape(len(img_paths), 1), np.array(labels)))
        self.batch_size = batch_size
        self.img_size = img_size

    def __len__(self):
        #math.ceil表示向上取整
        #调用len(BaseSequence)时返回，返回的是每个epoch我们需要读取数据的次数
        return math.ceil(len(self.x_y) / self.batch_size)

    def preprocess_img(self, img_path):

        img = Image.open(img_path)
        resize_scale = self.img_size[0] / max(img.size[:2])
        img = img.resize((self.img_size[0], self.img_size[0]))
        img = img.convert('RGB')
        img = np.array(img)

        # 数据归一化
        img = np.asarray(img, np.float32) / 255.0
        return img

    def __getitem__(self, idx):
        batch_x = self.x_y[idx * self.batch_size: (idx + 1) * self.batch_size, 0]
        batch_y = self.x_y[idx * self.batch_size: (idx + 1) * self.batch_size, 1:]
        batch_x = np.array([self.preprocess_img(img_path) for img_path in batch_x])
        batch_y = np.array(batch_y).astype(np.float32)
        print(batch_x.shape)
        return batch_x, batch_y
	#重写的父类Sequence中的on_epoch_end方法，在每次迭代完后调用。
    def on_epoch_end(self):
        #每次迭代后重新打乱训练集数据
        np.random.shuffle(self.x_y)

在上面代码中，__len __和__getitem __，是我们重写的魔法方法，__len __是当我们调用len(BaseSequence)函数时调用，这里我们返回（样本总量/batch_size），供我们传入fit_generator中的steps_per_epoch参数；__getitem __可以让对象实现迭代功能，这样在将BaseSequence的对象传入fit_generator中后，不断执行generator就可循环的读取数据了。

举个例子说明一下getitem的作用：

class Animal:
    def __init__(self, animal_list):
        self.animals_name = animal_list

    def __getitem__(self, index):
        return self.animals_name[index]

animals = Animal(["dog","cat","fish"])
for animal in animals:
    print(animal)

输出结果：

dog
cat
fish

并且使用Sequence类可以保证在多进程的情况下，每个epoch中的样本只会被训练一次。

参考文章：
Python.__getitem__方法
keras中文文档
python中yield的用法详解——最简单，最清晰的解释