从零开始的tensorflow小白使用指北

从零开始的pytorch小白使用指北这篇博客介绍了Python深度学习的量大框架之一——pytorch，今天来对照学习另一个框架：TensorFlow。

TensorFlow是什么

TensorFlow是一个开源的深度学习库，Tensor(张量)意味着 N 维数组，Flow(流)意味着基于数据流图的计算，TensorFlow即为张量从图的一端流动到另一端。其作用主要体现在以下两个方面：

1. 支持异构设备分布式计算，从电话、单个CPU / GPU到成百上千GPU卡组成的分布式系统。
2. 可以对定义在 Tensor(张量)上的函数自动求导。

TensorFlow搭建神经网络

数据准备

这里以deepctr中预定义的DeepFM系列为例进行数据准备，模型从deepctr.models导入，自定义的模型构建在后面具体讲解。

需要构建sparse_feat_dict、dense_feat_list，两类特征共同组成data_input，以及data_labels。
以 kaggle 上的一个CTR预估竞赛数据集The Criteo Display Ads dataset 为例，里面包含13个数值特征：I1-I13，和26个类别特征：C1-C26。
数据获取：https://github.com/shenweichen/DeepCTR/blob/master/examples/criteo_sample.txt
`

import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder, MinMaxScaler
from deepctr.models import DeepFM

data = pd.read_csv('./criteo_sample.txt')
sparse_features = ['C' + str(i) for i in range(1, 27)]
dense_features = ['I'+str(i) for i in range(1, 14)]
data[sparse_features] = data[sparse_features].fillna('-1', )
data[dense_features] = data[dense_features].fillna(0,)
target = ['label']
data.head(5)

# 特征预处理
# 类别特征：使用LabelEncoder重新编码(或者哈希编码)
for feat in sparse_features:
    lbe = LabelEncoder()
    data[feat] = lbe.fit_transform(data[feat])
# 数值特征：使用MinMaxScaler压缩到0~1之间
mms = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
data[dense_features] = mms.fit_transform(data[dense_features])
data.head(5)

# 因为模型要对类别特征进行Embedding，所以需要告诉模型每一个特征组有多少个embbedding向量，可通过pandas的nunique()方法统计：
sparse_feature_dict = {feat: data[feat].nunique() for feat in sparse_features}
dense_feature_list = dense_features
# 进行Embedding
sparse_feat_columns = [SparseFeat(k,vocabulary_size = v,embedding_dim = 8) for k,v in sparse_feature_dict.items()]
dense_feat_columns = [DenseFeat(k, dimension = 1) for k in dense_feature_list]
print(sparse_feat_columns[0])
print(dense_feat_columns[0])

# 分别指定dnn网络和LR网络的输入数据，一般都选择全部特征
dnn_feat_columns = sparse_feat_columns + dense_feat_columns
linear_feat_columns = sparse_feat_columns + dense_feat_columns
# 构造DeepFM网络，其实这里只指定了网络结构，并没有输入实际的数据
model = DeepFM({"sparse": sparse_feature_dict, "dense": dense_feature_list}, 
                 final_activation='sigmoid')
model.compile("adam", "binary_crossentropy",
                 metrics=['binary_crossentropy'], )

# 拼接sparse特征和dense特征输入模型进行训练（这里才实际输入了数据）
# data[col].values: 将Series转化为 ndarray
model_input = [data[feat].values for feat in sparse_feature_dict] + [data[feat].values for feat in dense_feature_list]  
history = model.fit(model_input, data[target].values, batch_size=256, epochs=10, verbose=2, validation_split=0.2, )
print("train done")

构建data_iterator

模型准备

主要分为Model和Layer两个层次。
Model：tensorflow定义的神经网络，对应pytorch的nn.Module；
Layer：神经网络的层，对应pytorch的nn.Linear，nn.Conv2d等。

用法一：和pytorch类似，自定义Model子类继承 tf.keras.Model，被自定义的神经网络类所继承。
自定义一个神经网络class通常包括两部分：init() 定义网络层，call() 函数定义网络计算函数。

# Model定义
class LinearModel(tf.keras.Model):
    def __init__(self):
        super().__init__()	# python2使用super(MyModel,self).__init__()
        self.layer1 = tf.keras.layers.Dense(units=1, 
        					kernel_initializer=tf.zeros_initializer(),
            				bias_initializer=tf.zeros_initializer())
        self.layer2 = tf.keras.layers.BuiltinLayer/CustomLayer(...)
        
    def call(self, input):
        x = self.layer1(input)
        output = self.layer2(x)
        return output

myModel = LinearModel()

Layer：作为Model中的元素，代表一个网络层。
可以使用tf.keras.layer.内置函数，也可以自定义神经网络层。

'''
Embedding层：将每个特征转化为一个指定维数的向量，只能作为神经网络的第一层。
层输入是1*input_dim向量。输出是1*input_dim*output_dim向量。
'''
tf.keras.layers.Embedding(
 		input_dim = voc_size,ouput_dim = embedding_size, embeddings_initializer
 		)
'''
dense层：全连接层，对输入变量进行线性变换+激活函数处理
activation: tf.nn.relu, tf.nn.tanh, tf.nn.sigmoid等
name: string，该层的名字，可在model.compile指定各输出的loss和loss_weight时使用
'''
tf.keras.layers.Dense(
			units = output_dim,activation,use_bias,name
			)
'''
Lambda(): 构建自定义函数层，将输入变量进行lambda函数转化
该例传入[output_prob,embedding_tensor]二元组，计算操作取二元组的第一个元素和第二个元素进行matmul(矩阵乘法)
'''
self.mylayer = tf.keras.layser.Lambda(lambda x: tf.matmul(x[0],x[1]))
output = self.mylayer([output_prob,embedding_tensor])

用法二：定义一个forward chain，通过指定 tf.keras.Mode 的 input 和 output定义网络结构。
deepctr即采用了这种方式

import tensorflow as tf
def MyModel(inputs): # 注意，这里是def function，而非定义class
	x = tf.kera.layers.Dense(4,activation = tf.nn.relu)(input)
	outputs = tf.keras.layer.Dense(5,activation = tf.nn.softmax)(x)
	model = tf.keras.Model(inputs = inputs,outputs = outputs)
model = MyModel(tf.keras.Input(shape=(3,))

模型训练

model.compile()：指定loss等参数，model.fit()使用设置好结构和参数的模型进行训练
model.fit()：使用设置好结构和参数的模型进行训练。可以修改Keras内置的fit() 函数，在不同epoch动态调整模型参数。

'''
optimizer: string or optimizer instance
loss: loss function,可自定义，当model的output有多个时，可使用功能字典指定不同loss函数
metrics: 用于参考的指标，可指定多个，不用于loss计算和参数更新
loss_weights: 字典，当model有多个output时，可以分别指定其权重，最终loss为其加权和
'''
model.compile(tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate = 0.001),
			  loss = 'binary_crossentropy'
			  metrics=['binaray_crossentropy')
# 多输出示例
def MyModel(input_list):
	output1 = tf.keras.layers.Dense(...,name = 'loss1')
	output2 = tf.keras.layers.Dense(...,name = 'loss2')
	model = tf.keras.models.Model(inputs = input_list,outputs = [output1,output2])
	return model
model = MyModel(...)
model.compile(...,loss = {'loss1':'binary_crossentropy',
						  'loss2':'binary_crossentropy'}
				  loss_weights = {'loss1':0.5,'loss2':0.5}
				  ...)
model.fit(
		train_data, train_labels,
        batch_size, num_epochs, verbose=2, validation_split=0.01)

保存/加载模型参数

model.save_weights() & model.load_weights()
其中，model_path为.pkl文件。

if not exists(model_path):
	model.compile()
	model.fit()
	model.save_weights(model_path)
else:
	model.load_weights(model_path)

模型评价

probs = model.predict(data)
calc_all_metrics(labels.probs)