详解TensorFlow2.0 API:tf.data.Dataset

    tf.data.Dataset是TensorFlow中的一个类，用于创建和操作数据集。它提供了一种高效的方式来处理大量数据，支持并行读取、批处理、重复等操作。在使用tf.data.Dataset时，需要注意数据类型的兼容性。如果需要将字符串和数字混合在一起，可以使用tf.data.Dataset.from_generator或tf.data.Dataset.map方法将字符串转换为数字。在处理大型数据集时，需要注意内存占用。可以通过设置batch_size参数来控制每次处理的数据量，以降低内存占用。在使用tf.data.Dataset时，需要注意数据预处理的顺序。可以先进行数据清洗、归一化等操作，然后再进行其他转换操作。

1、常用方法

• from_tensor_slices：从张量切片创建数据集。
• from_generator：从生成器创建数据集。
• map：对数据集中的每个元素应用一个函数。
• filter：过滤掉不满足条件的数据集元素。
• batch：将数据集分成批次。
• shuffle：打乱数据集中的元素顺序。
• repeat：重复数据集中的元素。
• prefetch：预取数据集中的下一个元素，以便在训练过程中更快地访问。
• take：从数据集中获取指定数量的元素。
• skip：跳过数据集中指定数量的元素。
• shard：将数据集分割成多个文件。
• interleave：交错地从多个文件中读取数据。
• cache：缓存数据集以加快读取速度。
• reduce：对数据集中的多个元素进行归约操作。
• window：创建一个滑动窗口数据集。
• flat_map：将嵌套的数据集展平。
• enumerate：为数据集中的每个元素添加索引。
• zip：将多个数据集组合成一个数据集。
• concatenate：将多个数据集连接成一个数据集。
• list_files：列出给定目录下的所有文件。

2、示例1

使用tf.data.Dataset从CSV文件中读取数据并进行预处理

import tensorflow as tf

# 定义解析CSV数据的函数
def parse_csv(line):
    columns = tf.io.decode_csv(line, record_defaults=[[""], [""], [""]])
    return {"feature1": columns[0], "feature2": columns[1], "label": columns[2]}

# 从CSV文件中读取数据
file_pattern = "path/csv/files/test.csv"
dataset = tf.data.Dataset.list_files(file_pattern)
dataset = dataset.flat_map(lambda file: tf.data.TextLineDataset(file).skip(1))
dataset = dataset.map(parse_csv)

# 对数据进行预处理
def preprocess(features):
    feature1 = tf.strings.to_number(features["feature1"], out_type=tf.float32)
    feature2 = tf.strings.to_number(features["feature2"], out_type=tf.float32)
    label = tf.strings.to_number(features["label"], out_type=tf.int32)
    return feature1, feature2, label

dataset = dataset.map(preprocess)

# 划分训练集和测试集
train_size = int(0.8 * len(dataset))
train_dataset = dataset.take(train_size)
test_dataset = dataset.skip(train_size)

# 对训练集进行批处理和打乱
train_dataset = train_dataset.shuffle(buffer_size=len(train_dataset)).batch(32)

# 对测试集进行批处理
test_dataset = test_dataset.batch(32)

在以上例子中，我们首先使用tf.data.Dataset.list_files从CSV文件中读取数据，然后使用flat_map将每行数据展平。接着，我们使用map函数定义了一个parse_csv函数来解析CSV数据，并将其转换为字典格式。最后，我们对数据进行了预处理、划分训练集和测试集以及批处理等操作 。

3、示例2

• 分别使用from_tensor_slices、from_generator方法创建数据集
• 使用map对数据集中的每个元素应用一个函数
• 使用filter过滤掉不满足条件的数据集元素
• 使用batch将数据集分成批次
• 使用shuffle打乱数据集中的元素顺序

import tensorflow as tf

# 使用from_tensor_slices创建数据集
data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices([1, 2, 3, 4, 5])
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：[1, 2, 3, 4, 5]

# 使用from_generator创建数据集
def generator():
    for i in range(10):
        yield i

data = tf.data.Dataset.from_generator(generator, output_types=tf.int32)
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

# 使用map对数据集中的每个元素应用一个函数
data = tf.data.Dataset.range(10)
data = data.map(lambda x: x * 2)
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：[0, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18]

# 使用filter过滤掉不满足条件的数据集元素
data = tf.data.Dataset.range(10)
data = data.filter(lambda x: x % 2 == 0)
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：[0, 2, 4, 6, 8]

# 使用batch将数据集分成批次
data = tf.data.Dataset.range(10)
data = data.batch(3)
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：[[0, 1, 2], [3, 4, 5], [6, 7, 8], [9]]

# 使用shuffle打乱数据集中的元素顺序
data = tf.data.Dataset.range(10)
data = data.shuffle(buffer_size=5)
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：随机顺序的[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
print(list(data.as_numpy_iterator()))  # 输出：随机顺序的[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]

4、示例3 

• 使用tf.data.TextLineDataset从文件中读取数据
• 使用tf.data.Dataset.list_files从目录中读取数据
• 定义一个函数，用于将字符串转换为整数
• 使用map方法对数据进行预处理
• 使用batch将数据集分成批次，每批包含10个元素
• 使用dataset.repeat对数据进行重复，重复3次
• 使用dataset.prefetch对数据进行预取，预取大小为10000

import tensorflow as tf

# 从文件中读取数据
dataset = tf.data.TextLineDataset("file.txt")


# 从目录中读取数据
dataset = tf.data.Dataset.list_files("directory/*.txt")



# 定义一个函数，用于将字符串转换为整数
def parse_function(example_proto):
    # 解析输入的序列化字符串
    features = {"x": tf.io.FixedLenFeature([], tf.string),
                "y": tf.io.FixedLenFeature([], tf.int64)}
    parsed_features = tf.io.parse_single_example(example_proto, features)
    # 将字符串转换为整数
    x = tf.io.decode_raw(parsed_features["x"], tf.uint8)
    y = tf.cast(parsed_features["y"], tf.int32)
    return x, y


# 使用map方法对数据进行预处理
dataset = dataset.map(parse_function)


# 对数据进行批处理，每批包含10个元素
dataset = dataset.batch(10)


# 对数据进行重复，重复3次
dataset = dataset.repeat(3)


# 对数据进行打乱
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=10000)


# 对数据进行预取，预取大小为10000
dataset = dataset.prefetch(buffer_size=10000)