tensorflow初探三之Tensorflow基本概念——Tensorflow技术解析与实战学习》笔记

基础知识

下面就自底向上详细介绍一下 TensorFlow 的系统架构。最下层是网络通信层和设备管理层。网络通信层包括 gRPC（google Remote Procedure Call Protocol）和远程直接数据存取（Remote Direct Memory Access， RDMA），这都是在分布式计算时需要用到的。设备管理层包括 TensorFlow 分别在 CPU、 GPU、 FPGA 等设备上的实现，也就是对上层提供了一个统一的接口，使上层只需要处理卷积等逻辑，而不需要关心在硬件上的卷积的实现过程。

其上是数据操作层，主要包括卷积函数、激活函数等操作。再往上是图计算层，也是我们要了解的核心，包含本地计算图和分布式计算图的实现。再往上是 API 层和应用层

整体架构

Tensorflow的特点

TensorFlow是符号式编程。将图的定义和图的运行完全分开。因此， TensorFlow 被认为是一个“符号主义”的库。相比于命令式编程来说不易理解和调试，但是运行速度相对很快。
符号式计算一般是先定义各种变量，然后建立一个数据流图，在数据流图中规定各个变量之间的计算关系，最后需要对数据流图进行编译，但此时的数据流图还是一个空壳儿，里面没有任何实际数据，只有把需要运算的输入放进去后，才能在整个模型中形成数据流，从而形成输出值。

TensorFlow 中涉及的运算都要放在图中，而图的运行只发生在会话（session）中。开启会话后，就可以用数据去填充节点，进行运算；关闭会话后，就不能进行计算了。因此，会话提供了操作运行和 Tensor 求值的环境。

import tensorflow as tf
# 创建图
a = tf.constant([1.0, 2.0])
b = tf.constant([3.0, 4.0])
c = a * b
# 创建会话
sess = tf.Session()
# 计算 c
print sess.run(c) # 进行矩阵乘法，输出[3., 8.]
sess.close()

Tensorflow的运行原理（编程模型）

下面这张图是一个简单的回归模型。图中包含输入（input）、塑形（reshape）、 Relu 层（Relu layer）、 Logit 层（Logit layer）、 Softmax、交叉熵（cross entropy）、梯度（gradient）、 SGD 训练（SGD Trainer）等部分。
它的计算过程是，首先从输入开始，经过塑形后，一层一层进行前向传播运算。 Relu 层（隐藏层）里会有两个参数，即 Wh1和 bh1，在输出前使用ReLu（Rectified Linear Units）激活函数做非线性处理。然后进入 Logit 层（输出层），学习两个参数 Wsm和 bsm。用 Softmax 来计算输出结果中各个类别的概率分布。用交叉熵来度量两个概率分布（源样本的概率分布和输出结果的概率分布）之间的相似性。然后开始计算梯度，这里是需要参数 Wh1、 bh1、 Wsm和 bsm，以及交叉熵后的结果。随后进入 SGD 训练，也就是反向传播的过程，从上往下计算每一层的参数，依次进行更新。也就是说，计算和更新的顺序为 bsm、 Wsm、 bh1和 Wh1。

数据流图

Tensor（张量）代表了数据流图中的边，而 Flow（流动）这个动作就代表了数据流图中节点所做的操作。

边

TensorFlow 的边有两种连接关系：数据依赖和控制依赖。实线边表示数据依赖，代表数据，即张量。在机器学习算法中，张量在数据流图中从前往后流动一遍就完成了一次前向传播（forword propagation），而残差从后向前流动一遍就完成了一次反向传播（backword propagation）。

虚线边，称为控制依赖。可以用于控制操作的运行，这被用来确保happens-before 关系，这类边上没有数据流过，但源节点必须在目的
节点开始执行前完成执行。常用代码如下：

tf.Graph.control_dependencies(control_inputs)

节点

节点又称为算子，它代表一个操作（operation， OP），一般用来表示施加的数学运算，也可以表示数据输入（feed in）的起点以及输出（push out）的终点.或者是读取/写入持久变量（persistent variable）的终点

部分tensorflow实现的算子

这些代码在C:\Users\14192\Anaconda3\Lib\site-packages\tensorflow\python\ops中。（因为我安装了anaconda,所以包的路径都是anaconda的子路径）

其余概念

1. 图：操作任务描述成有向无环图。首先创建节点，然后创建节点之间的关联
2. 会话： 会话是启动图的第一步，提供执行操作的一些方法。过程是：建立会话，此时会生成一张空图，在会话中添加节点和边，形成一张图，然后执行。相关代码在C:\Users\14192\Anaconda3\Lib\site-packages\tensorflow\python\client\session.py中。

import tensorflow as tf
# 创建一个常量运算操作，产生一个 1×2 矩阵
matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])
# 创建另外一个常量运算操作，产生一个 2×1 矩阵
matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])
# 创建一个矩阵乘法运算 ，把 matrix1 和 matrix2 作为输入
# 返回值 product 代表矩阵乘法的结果
product = tf.matmul(matrix1, matrix2)

#会话:
#传入一些 Tensor，这个过程叫填充(feed)；
#返回的结果类型根据输入的类型而定，这个过程叫取回（fetch）。
with tf.Session() as sess:
  result = sess.run([product])
  print( result)

3. 设备：一块可以用来运算并且拥有自己的地址空间的硬件，如 GPU 和 CPU。TensorFlow 为了实现分布式执行操作，充分利用计算资源，可以明确指定操作在哪个设备上执行。

with tf.Session() as sess:
# 指定在第二个 gpu 上运行
  with tf.device("/gpu:1"):
    matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])
    matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])
    product = tf.matmul(matrix1, matrix2)

4. 变量
   变量（variable）是一种特殊的数据，它在图中有固定的位置，不像普通张量那样可以流动。例如，创建一个变量张量，使用 tf.Variable()构造函数，这个构造函数需要一个初始值，初始值的形状和类型决定了这个变量的形状和类型。

state = tf.Variable(0, name="counter")

TensorFlow 还提供了填充机制，可以在构建图时使用 tf.placeholder()临时替代任意操作的张量，在调用 Session 对象的 run()方法去执行图时，使用填充数据作为调用的参数，调用结束后，填充数据就消失。

input1 = tf.placeholder(tf.float32)
input2 = tf.placeholder(tf.float32)
output = tf.multiply(input1, input2)
with tf.Session() as sess:
print sess.run([output], feed_dict={input1:[7.], input2:[2.]})
# 输出 [array([ 14.], dtype=float32)]

5. 内核：可以理解为进程。操作（operation）是对抽象操作（如 matmul 或者 add）的一个统称，而内核（kernel）则是能够运行在特定设备（如 CPU、 GPU）上的一种对操作的实现。因此，同一个操作可能会对应多个内核。

常用API汇总

图操作

Operation Api

续表

张量 API

可视化时需要在程序中给必要的节点添加摘要（summary），摘要会收集该节点的数据，并标记上第几步、时间戳等标识，写入事件文件（event file）中。 tf.summary.FileWriter 类用于在目录中创建事件文件，并且向文件中添加摘要和事件，用来在 TensorBoard 中展示。

可视化API

可视化API续表