TensorFlow学习笔记：编程模型

1 计算图

在TensorFlow中，算法都被表示成计算图（computational graphs）。计算图也叫数据流图，可以把计算图看做是一种有向图，图中的节点表示操作，图中的边代表在不同操作之间的数据流动。

如图所示，左边的图表示 z=x+y 。从图中可以看到，x y z是图中的三个节点，x和y分别有一个箭头指到z，在z节点的下方有一个+号，表明是一个加法操作，因此最后的输出结果就是 z=x+y 。右图是一种相对复杂点的情况，随着计算图逐步分析可以得到 y^=σ(xTw+b) 。

在这样的数据流图中，有四个主要的元素：
* 操作(operations)
* 张量(tensors)
* 变量(variables)
* 会话(sessions)

操作

把算法表示成一个个操作的叠加，可以非常清晰地看到数据之间的关系，而且这样的基本操作也具有普遍性。在TensorFlow中，当数据流过操作节点的时候就可以对数据进行操作。一个操作可以有零个或多个输入，产生零个或多个输出。一个操作可能是一次数学计算，一个变量或常量，一个数据流走向控制，一次文件IO或者是一次网络通信。其中，一个常量可以看做是没有输入，只有一个固定输出的操作。具体操作如下所示：

操作类型	例子
元素运算	Add,Mul
矩阵运算	MatMul,MatrixInverse
数值产生	Constant,Variable
神经网络单元	SoftMax,ReLU,Conv2D
I/O	Save,Restore

每一种操作都需要相对应的底层计算支持，比如在GPU上使用就需要实现在GPU上的操作符，在CPU上使用就要实现在CPU上的操作符。

张量

在计算图中，每个边就代表数据从一个操作流到另一个操作。这些数据被表示为张量，一个张量可以看做是多维的数组或者高维的矩阵。
关于TensorFlow中的张量，需要注意的是张量本身并没有保存任何值，张量仅仅提供了访问数值的一个接口，可以看做是数值的一种引用。在TensorFlow实际使用中我们也可以发现，在run之前的张量并没有分配空间，此时的张量仅仅表示了一种数值的抽象，用来连接不同的节点，表示数据在不同操作之间的流动。
TensorFlow中还提供了SparseTensor数据结构，用来表示稀疏张量。

变量

变量是计算图中可以改变的节点。比如当计算权重的时候，随着迭代的进行，每次权重的值会发生相应的变化，这样的值就可以当做变量。在实际处理时，一般把需要训练的值指定为变量。在使用变量的时候，需要指定变量的初始值，变量的大小和数据类型就是根据初始值来推断的。

在构建计算图的时候，指定一个变量实际上需要增加三个节点：
* 实际的变量节点
* 一个产生初始值的操作，通常是一个常量节点
* 一个初始化操作，把初始值赋予到变量

如图所示，v代表的是实际的变量，i是产生初始值的节点，上面的assign节点将初始值赋予变量，assign操作以后，产生已经初始化的变量值v'。

会话

在TensorFlow中，所有操作都必须在会话（session）中执行，会话负责分配和管理各种资源。在会话中提供了一个run方法，可以用它来执行计算图整体或者其中的一部分节点。在进行run的时候，还需要用feed_dict把相关数据输入到计算图。
当run被调用的时候，TensorFlow将会从指定的输出节点开始，向前查找所有的依赖界节点，所有依赖节点都将被执行。这些操作随后将被分配到物理执行单元上（比如CPU或GPU），这种分配规则由TensorFlow中的分配算法决定。

---

2 执行

在执行的时候，TensorFlow支持两种方式：一种是单机版本，可以在单机上支持多个计算设备，还有一种是分布式版本，支持多机多设备。在TensorFlow刚出来的时候，只支持第一种方式，后来开源了分布式版本。

当client发出run请求时，master会将这个请求分配到不同的worker上，这些worker负责监控具体的计算设备。

计算设备

所有的计算任务最终都将分配到实际的硬件上执行。除了CPU和GPU之外，TensorFlow也支持自定义硬件，比如谷歌自己使用的TPU（Tensor Processing Unit）。一个worker需要管理多个设备，所以这些设备的名称需要加上worker的名字，比如/cpu:0表示第一个CPU。

任务分配算法

如何将某个计算节点分配到具体设备上，TensorFlow提供了分配算法（placement algorithm）。
分配算法首先模拟计算图的执行，从输入节点到输出节点进行遍历，在遍历过程中遇到节点v，需要决定将这个节点分配到设备 D={d1,...,dn} 中的某一个设备上，具体分配将使用一个成本模型 Cv(d) 。这个成本模型需要考虑四个方面的信息来决定最优的执行设备 d^=argmind∈DCv(d) ：

• 该设备是否实现了这个操作，比如某个操作不能在GPU上实现，那么所有的GPU成本都为无穷大。
• 估计节点的输入和输出数据大小
• 在设备上执行时间
• 如果输入的数据在另一个设备上，还需要考虑数据在不同设备间传输的成本

跨设备执行

如果用户系统有多个设备，任务分配算法就需要将节点分配到不同的设备上，在这个分配过程中，可能会出现一个设备中的输入依赖于另一个设备上的输出。此时就需要设备之间交叉执行。

如图所示，设备A上有节点 ν ，设备B上有节点 α 和 β ，其中 ν 的输出是 α 和 β 的输入。在计算图中， ν→α 和 ν→β 就需要跨设备执行。此时，TensorFlow将会自动在适当位置增加send和recv节点，在节点 ν 后面增加一个send节点，在 α 和 β 前面增加recv节点，send和recv节点之间使用额外的边进行链接。当数据流过这两个节点的时候就需要进行设备间通信，设备间通信方式包括TCP和RDMA等方式。此外，TensorFlow还会对recv节点进行进一步的优化，可以将设备B上的两个recv节点进行合并，减少通信次数，如图(c)所示。

---

3 优化

在编译的时候，TensorFlow还会进行一些优化以提高性能。

子图消除

在程序中，常常有一些重复的操作，可以把这些操作进行合并。可以将反复进行计算的同一个子图进行合并，保存其中的一个输出，在其他地方只需要直接调用就可以了。

调度优化

节点的执行越晚越好，这样的话，这个节点只在内存中保留较短的时间，可以有效降低内存的使用量。合理调度也能降低send和recv节点的网络冲突。

精度优化

许多机器学习算法不需要高的浮点精度，比如float32，只需要16位精度就够了，因此可以将32位精度降低为16位精度。当需要转换成32位精度时，只需要将尾部直接补0即可。

---

4 反向传播的计算图

在神经网络训练中，需要使用到反向传播算法。在TensorFlow等深度学习框架中，梯度计算都是自动进行的，不需要人工进行梯度计算，这样只需要使用者定义网络的结构，其他工作都由深度学习框架自动完成，大大简化了算法验证。在TensorFlow中，梯度计算也是采用了计算图的结构。

如图，在神经网络中常常需要对权重w进行求导。这样的函数前向计算的式子为:

z=h(y)，y=g(x)，x=f(w)

整合一下就可以得到：

z=h(g(f(w)))

使用链式求导法则，可以得到

dzdw=dzdydydxdxdw

在计算图中，每个节点边上会自动增加梯度节点，然后每个梯度节点与前一个梯度节点相乘，最终在右下角可以得到 dzdw 的值。