【Tensorflow教程笔记】TensorFlow Serving

Tensorflow教程笔记

1. 基础
   TensorFlow 基础
   TensorFlow 模型建立与训练
   基础示例：多层感知机（MLP）
   卷积神经网络（CNN）
   循环神经网络（RNN）
   深度强化学习（DRL）
   Keras Pipeline
   自定义层、损失函数和评估指标
   常用模块 tf.train.Checkpoint ：变量的保存与恢复
   常用模块 TensorBoard：训练过程可视化
   常用模块 tf.data ：数据集的构建与预处理
   常用模块 TFRecord ：TensorFlow 数据集存储格式
   常用模块 tf.function ：图执行模式
   常用模块 tf.TensorArray ：TensorFlow 动态数组
   常用模块 tf.config：GPU 的使用与分配

2. 部署
   TensorFlow 模型导出
   TensorFlow Serving
   TensorFlow Lite

3. 大规模训练与加速
   TensorFlow 分布式训练
   使用 TPU 训练 TensorFlow 模型

4. 扩展
   TensorFlow Hub 模型复用
   TensorFlow Datasets 数据集载入

5. 附录
   强化学习基础简介

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当我们将模型训练完毕后，往往需要将模型在生产环境中部署。最常见的方式，是在服务器上提供一个 API，即客户机向服务器的某个 API 发送特定格式的请求，服务器收到请求数据后通过模型进行计算，并返回结果。如果仅仅是做一个 Demo，不考虑高并发和性能问题，其实配合 Flask 等 Python 下的 Web 框架就能非常轻松地实现服务器 API。不过，如果是在真的实际生产环境中部署，这样的方式就显得力不从心了。这时，TensorFlow 为我们提供了 TensorFlow Serving 这一组件，能够帮助我们在实际生产环境中灵活且高性能地部署机器学习模型。

TensorFlow Serving 安装

TensorFlow Serving 可以使用 apt-get 或 Docker 安装。在生产环境中，推荐 使用 Docker 部署 TensorFlow Serving 。不过此处出于教学目的，介绍依赖环境较少的 apt-get 安装 。

首先设置安装源：

# 添加Google的TensorFlow Serving源
echo "deb [arch=amd64] http://storage.googleapis.com/tensorflow-serving-apt stable tensorflow-model-server tensorflow-model-server-universal" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/tensorflow-serving.list
# 添加gpg key
curl https://storage.googleapis.com/tensorflow-serving-apt/tensorflow-serving.release.pub.gpg | sudo apt-key add -

更新源后，即可使用 apt-get 安装 TensorFlow Serving

sudo apt-get update
sudo apt-get install tensorflow-model-server

在运行 curl 和 apt-get 命令时，可能需要设置代理。

curl 设置代理的方式为 -x 选项或设置 http_proxy 环境变量，即

export http_proxy=http://代理服务器IP:端口

或

curl -x http://代理服务器IP:端口 URL

apt-get 设置代理的方式为 -o 选项，即

sudo apt-get -o Acquire::http::proxy="http://代理服务器IP:端口" ...

Windows 10 下，可以在 Linux 子系统（WSL） 内使用相同的方式安装 TensorFlow Serving。

TensorFlow Serving 模型部署

TensorFlow Serving 可以直接读取 SavedModel 格式的模型进行部署（导出模型到 SavedModel 文件的方法见 前文 ）。使用以下命令即可：

tensorflow_model_server \
    --rest_api_port=端口号（如8501） \
    --model_name=模型名 \
    --model_base_path="SavedModel格式模型的文件夹绝对地址（不含版本号）"

TensorFlow Serving 支持热更新模型，其典型的模型文件夹结构如下：

/saved_model_files
    /1      # 版本号为1的模型文件
        /assets
        /variables
        saved_model.pb
    ...
    /N      # 版本号为N的模型文件
        /assets
        /variables
        saved_model.pb

上面 1~N 的子文件夹代表不同版本号的模型。当指定 --model_base_path 时，只需要指定根目录的 绝对地址 （不是相对地址）即可。例如，如果上述文件夹结构存放在 home/snowkylin 文件夹内，则 --model_base_path 应当设置为 home/snowkylin/saved_model_files （不附带模型版本号）。TensorFlow Serving 会自动选择版本号最大的模型进行载入。

Keras Sequential 模式模型的部署

由于 Sequential 模式的输入和输出都很固定，因此这种类型的模型很容易部署，无需其他额外操作。例如，要将 前文使用 SavedModel 导出的 MNIST 手写体识别模型 （使用 Keras Sequential 模式建立）以 MLP 的模型名在 8501 端口进行部署，可以直接使用以下命令：

tensorflow_model_server \
    --rest_api_port=8501 \
    --model_name=MLP \
    --model_base_path="/home/.../.../saved"  # 文件夹绝对地址根据自身情况填写，无需加入版本号

然后就可以按照 后文的介绍 ，使用 gRPC 或者 RESTful API 在客户端调用模型了。

自定义 Keras 模型的部署

使用继承 tf.keras.Model 类建立的自定义 Keras 模型的自由度相对更高。因此当使用 TensorFlow Serving 部署模型时，对导出的 SavedModel 文件也有更多的要求：

• 需要导出到 SavedModel 格式的方法（比如 call ）不仅需要使用 @tf.function 修饰，还要在修饰时指定 input_signature 参数，以显式说明输入的形状。该参数传入一个由 tf.TensorSpec 组成的列表，指定每个输入张量的形状和类型。例如，对于 MNIST 手写体数字识别，我们的输入是一个 [None, 28, 28, 1] 的四维张量（ None 表示第一维即 Batch Size 的大小不固定），此时我们可以将模型的call方法做以下修饰：

class MLP(tf.keras.Model):
    ...

    @tf.function(input_signature=[tf.TensorSpec([None, 28, 28, 1], tf.float32)])
    def call(self, inputs):
        ...

• 在将模型使用 tf.saved_model.save 导出时，需要通过 signature 参数提供待导出的函数的签名（Signature）。简单说来，由于自定义的模型类里可能有多个方法都需要导出，因此，需要告诉 TensorFlow Serving 每个方法在被客户端调用时分别叫做什么名字。例如，如果我们希望客户端在调用模型时使用 call 这一签名来调用 model.call 方法时，我们可以在导出时传入 signature 参数，以 dict 的键值对形式告知导出的方法对应的签名，代码如下：

model = MLP()
...
tf.saved_model.save(model, "saved_with_signature/1", signatures={"call": model.call})

以上两步均完成后，即可使用以下命令部署：

tensorflow_model_server \
    --rest_api_port=8501 \
    --model_name=MLP \
    --model_base_path="/home/.../.../saved_with_signature"  # 修改为自己模型的绝对地址

在客户端调用以 TensorFlow Serving 部署的模型

TensorFlow Serving 支持以 gRPC 和 RESTful API 调用以 TensorFlow Serving 部署的模型。本手册主要介绍较为通用的 RESTful API 方法。

RESTful API 以标准的 HTTP POST 方法进行交互，请求和回复均为 JSON 对象。为了调用服务器端的模型，我们在客户端向服务器发送以下格式的请求：

服务器 URI： http://服务器地址:端口号/v1/models/模型名:predict

请求内容：

{
    "signature_name": "需要调用的函数签名（Sequential模式不需要）",
    "instances": 输入数据
}

回复为：

{
    "predictions": 返回值
}

Python 客户端示例

以下示例使用 Python 的 Requests 库 （你可能需要使用 pip install requests 安装该库）向本机的 TensorFlow Serving 服务器发送 MNIST 测试集的前 10 幅图像并返回预测结果，同时与测试集的真实标签进行比较。

import json
import numpy as np
import requests
from zh.model.utils import MNISTLoader


data_loader = MNISTLoader()
data = json.dumps({
    "instances": data_loader.test_data[0:3].tolist()
    })
headers = {"content-type": "application/json"}
json_response = requests.post(
    'http://localhost:8501/v1/models/MLP:predict',
    data=data, headers=headers)
predictions = np.array(json.loads(json_response.text)['predictions'])
print(np.argmax(predictions, axis=-1))
print(data_loader.test_label[0:10])

输出：

[7 2 1 0 4 1 4 9 6 9]
[7 2 1 0 4 1 4 9 5 9]

可见预测结果与真实标签值非常接近。

对于自定义的 Keras 模型，在发送的数据中加入 signature_name 键值即可，即将上面代码的 data 建立过程改为

data = json.dumps({
    "signature_name": "call",
    "instances": data_loader.test_data[0:10].tolist()
    })

Node.js 客户端示例

以下示例使用 Node.js 将下图转换为 28*28 的灰度图，发送给本机的 TensorFlow Serving 服务器，并输出返回的预测值和概率。（其中使用了 图像处理库 jimp 和 HTTP 库 superagent ，可使用 npm install jimp 和 npm install superagent 安装）

const Jimp = require('jimp')
const superagent = require('superagent')

const url = 'http://localhost:8501/v1/models/MLP:predict'

const getPixelGrey = (pic, x, y) => {
  const pointColor = pic.getPixelColor(x, y)
  const { r, g, b } = Jimp.intToRGBA(pointColor)
  const gray =  +(r * 0.299 + g * 0.587 + b * 0.114).toFixed(0)
  return [ gray / 255 ]
}

const getPicGreyArray = async (fileName) => {
  const pic = await Jimp.read(fileName)
  const resizedPic = pic.resize(28, 28)
  const greyArray = []
  for ( let i = 0; i< 28; i ++ ) {
    let line = []
    for (let j = 0; j < 28; j ++) {
      line.push(getPixelGrey(resizedPic, j, i))
    }
    console.log(line.map(_ => _ > 0.3 ? ' ' : '1').join(' '))
    greyArray.push(line)
  }
  return greyArray
}

const evaluatePic = async (fileName) => {
  const arr = await getPicGreyArray(fileName)
  const result = await superagent.post(url)
    .send({
      instances: [arr]
    })
  result.body.predictions.map(res => {
    const sortedRes = res.map((_, i) => [_, i])
    .sort((a, b) => b[0] - a[0])
    console.log(`我们猜这个数字是${sortedRes[0][1]}，概率是${sortedRes[0][0]}`)
  })
}

evaluatePic('test_pic_tag_5.png')

运行结果为：

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1     1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
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1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
我们猜这个数字是5，概率是0.846008837

可见输出结果符合预期。

如果你不熟悉 HTTP POST，可以参考 这里 。事实上，当你在用浏览器填写表单（比方说性格测试）并点击 “提交” 按钮，然后获得返回结果（比如说 “你的性格是 ISTJ”）时，就很有可能是在向服务器发送一个 HTTP POST 请求并获得了服务器的回复。

RESTful API 是一个流行的 API 设计理论，可以参考 这里 获得简要介绍。

关于 TensorFlow Serving 的 RESTful API 的完整使用方式可参考 文档 。