TensorFlow变量管理-tf.get_variable和tf.variable_scope

今天药忘吃喽~ 2022-06-01 01:38 161阅读 0赞

**本文代码可在https://github.com/TimeIvyace/MNIST-TensorFlow.git中下载，程序名为train\_improved1.py。**

当编写程序较长时，文件中定义的函数的输入参数可能会很多，例如神经网络的参数：

def inference(input_tensor, avg_class, weights1, biases1, weights2, biases2):

当神经网络的结构更加复杂、参数更多时，就需要一个更好的方式来传递和管理神经网络中的参数。  
TensorFlow就提供了通过变量名来创建或获取变量的机制，可以使用\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*和\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*函数来实现。  
TensorFlow中除了通过\*\*\*tf.Variable\*\*\*来创建变量，还可以使用\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*来创建或者获取变量。当创建变量时，两个函数基本是等价的，例如：

#下面两行代码功能相同
    v = tf.get_variable("v", shape[1], initializer=tf.constant_initializer(1.0))
    v = tf.Variable(tf.constant(1.0, shape=[1]), name="v")

可看出\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*函数调用时的维度以及初始化和\*\*\*tf.Variable\*\*\*类似，就像常数初始化函数\*\*\*tf.constant\_initializer\*\*\*和常数生成函数\*\*\*tf.constant\*\*\*功能上是一致的。TensorFlow提供了七种不同的参数初始化函数：  
![变量初始化函数][SouthEast]

\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*和\*\*\*tf.Variable\*\*\*最大的不同在于变量名称，\*\*\*tf.Variable\*\*\*中的变量名称是一个可选的参数，通过name=""给出；而在\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*函数中，变量名称是必填的一个参数。当上述代码\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*创建名字为v的参数时，若已经有同名的参数，则会创建失败。但是，可以通过\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*来获取一个已经创建的变量，这是需要使用\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*函数实现，\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*会生成一个上下文管理器，并明确指定在这个上下文管理器中，\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*将直接获得已经生成的变量。例如：

import tensorflow as tf
    
    #在名字为foo的命名空间内创建名字为v的变量
    with tf.variable_scope("foo"):
        v = tf.get_variable("v", [1], initializer=tf.constant_initializer(1.0))
    
    #因为在命名空间foo中已经存在名字为v的变量，所以下面代码会报错
    # with tf.variable_scope("foo"):
    #     v = tf.get_variable("v", [1])
    
    #在生成上下文管理器时，将参数reuse设置为True
    # 这样tf.get_variable函数将直接获取已经声明的变量
    with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
        v1 = tf.get_variable("v", [1])
        print(v==v1)  #输出为True， 代表v，v1是相同的TensorFlow变量
    
    >>True

可以看出，当\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*使用参数reuse=True生成上下文管理器时，这个上下文管理器内所有的\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*会直接获取已经创建的变量。如果变量不存在，则会报错；但是若reuse=False或None时，\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*会创建新的变量，如果同名参数存在则会报错。  
TensorFlow中\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*函数是可以嵌套的，例如：

with tf.variable_scope("root"):
        #可以通过tf.get_variable_scope().reuse来获取当前上下文管理器中reuse的取值
        print(tf.get_variable_scope().reuse)
    
        with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
            #新建嵌套的上下文管理器，指定reuse
            print(tf.get_variable_scope().reuse)
            with tf.variable_scope("bar"):
                #再新建一个嵌套的上下文管理器，若不指定reuse，则和上一层一致
                print(tf.get_variable_scope().reuse)
    
        #退出reuse为True的上下文后，reuse恢复为False
        print(tf.get_variable_scope().reuse)
    
    >>False
    True
    True
    False

\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*函数生成的上下文管理器会创建一个命名空间，可以来管理变量，例如以下代码：

v1 = tf.get_variable("v", [1])
    print(v1.name)
    #输出v:0, "v"为变量的名称，":0"表示这个变量是生成变量这个运算的第一个结果
    
    with tf.variable_scope("foo"):
        v2 = tf.get_variable("v", [1])
        print(v2.name)
        #输出foo/v:0
        #在tf.variable_scope中创建的变量，会加入命名空间的名称
        #通过/来分隔命名空间的名称和变量的名称
    
    with tf.variable_scope("foo"):
        with tf.variable_scope("bar"):
            v3 = tf.get_variable("v", 1)
            print(v3.name) #命名空间可以嵌套
    
        v4 = tf.get_variable("v1", [1])
        print(v4.name) #当命名空间退出之后，变量名称就不会再加前缀
    
    #创建一个名称为空的命名空间
    with tf.variable_scope("", reuse=True):
        v5 = tf.get_variable("foo/bar/v", [1])
        #可以直接通过带命名空间名称的变量名来获取其他命名空间下的变量
        print(v5 == v3)
        v6 = tf.get_variable("foo/v1", [1])
        print(v6 == v4)
    
    >>v:0
    foo/v:0
    foo/bar/v:0
    foo/v1:0
    True
    True

通过\*\*\*tf.variable\_scope\*\*\*和\*\*\*tf.get\_variable\*\*\*函数，可以对[此链接里的神经网络][Link 1]中的计算前向传播结果的函数做一些改进，提高代码的可读性。如下：

import tensorflow as tf
    from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data
    
    INPUT_NODE = 784  #输入层的节点数，图片为28*28，为图片的像素
    OUTPUT_NODE = 10   #输出层的节点数，等于类别的数目，需要区分0-9，所以为10类
    
    #配置神经网络的参数
    LAYER1_NODE = 500 #隐藏层的节点数，此神经网络只有一层隐藏层
    BATCH_SIZE = 100 #一个训练batch中的训练数据个数，数字越小，越接近随机梯度下降，越大越接近梯度下降
    LEARNING_RATE_BASE = 0.8 #基础的学习率
    LEARNING_RATE_DECAY = 0.99 #学习率的衰减率
    REGULARIZATION_RATE = 0.0001 #描述网络复杂度的正则化向在损失函数中的系数
    TRAINING_STEPS = 30000 #训练轮数
    MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99 #滑动平均衰减率
    
    #给定神经网络的输入和所有参数，计算神经网络的前向传播结果，定义了一个使用ReLU的三层全连接神经网络，通过加入隐藏层实现了多层网络结构
    def inference(input_tensor, avg_class, reuse=False):
        #定义第一层神经网络的变量和前向传播结果
        with tf.variable_scope("layer1", reuse=reuse):
            #根据传进来的reuse来判断是创建新变量还是使用已经创建好的
            #在第一次构造网络时需要创建新的变量，以后每次调用这个函数都直接使用reuse=True就不需要每次传入变量了
            weights = tf.get_variable("weights", [INPUT_NODE, LAYER1_NODE],
                                      initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
            biases = tf.get_variable("biases", [LAYER1_NODE], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
            # 若没有提供滑动平均类，则直接使用参数当前的取值
            if avg_class == None:
                layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, weights)+biases)
            else:
                layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, avg_class.average(weights)) + avg_class.average(biases))
    
        #定义第二层神经网络的变量和前向传播过程
        with tf.variable_scope("layer2", reuse=reuse):
            weights = tf.get_variable("weights", [LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE],
                                      initializer=tf.truncated_normal_initializer(stddev=0.1))
            biases = tf.get_variable("biases", [OUTPUT_NODE], initializer=tf.constant_initializer(0.1))
            if avg_class == None:
                layer2 = tf.matmul(layer1, weights)+biases
            else:
                layer2 = tf.matmul(layer1, avg_class.average(weights))+avg_class.average(biases)
        #返回最后的前向传播结果
        return layer2
    
    
    #训练网络的过程
    def train(mnist):
        x = tf.placeholder(tf.float32, [None, INPUT_NODE], name='x-input')
        y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, OUTPUT_NODE], name='y-input')
    
        #计算在当前参数下神经网络前向传播的结果，这里的用于计算滑动平均的类为None，所以没有使用滑动平均值
        y = inference(x, None)
        #在程序中需要使用训练好的神经网络进行推导时，可直接调用inference(new_x, variable_averages, True)
    
        #定义存储训练轮数的变量，这个变量不需要被训练
        global_step = tf.Variable(0, trainable=False)
    
        #初始化滑动平均类
        variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY, global_step)
    
        #在所有代表神经网络参数的变量上使用滑动平均，需要被训练的参数,variable_averages返回的就是GraphKeys.TRAINABLE_VARIABLES中的元素
        variable_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
    
        #计算使用了滑动平均之后的前向传播结果，滑动平均不会改变变量本身取值，会用一个影子变量来记录
        average_y = inference(x, variable_averages, True)
    
        #计算交叉熵，使用了sparse_softmax_cross_entropy_with_logits，当问题只有一个正确答案时，可以使用这个函数来加速交叉熵的计算。
        #这个函数的第一个参数是神经网络不包括softmax层的前向传播结果，第二个是训练数据的正确答案,argmax返回最大值的位置
        cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=tf.argmax(y_, 1))
        #计算在当前batch中所有样例的交叉熵平均值
        cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)
    
        #计算L2正则化损失
        regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARIZATION_RATE)
    
        with tf.variable_scope("", reuse=True):
            weights1 = tf.get_variable("layer1/weights", [INPUT_NODE, LAYER1_NODE])
            weights2 = tf.get_variable("layer2/weights", [LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE])
    
        #计算网络的正则化损失
        regularization = regularizer(weights1) + regularizer(weights2)
        #总损失为交叉熵损失和正则化损失之和
        loss = cross_entropy_mean + regularization
        #设置指数衰减的学习率
        learning_rate = tf.train.exponential_decay(LEARNING_RATE_BASE, global_step,
                                                   mnist.train.num_examples/BATCH_SIZE, LEARNING_RATE_DECAY)
        #LEARNING_RATE_BASE为基础学习率，global_step为当前迭代的次数
        #mnist.train.num_examples/BATCH_SIZE为完整的过完所有的训练数据需要的迭代次数
        #LEARNING_RATE_DECAY为学习率衰减速度
    
        #使用GradientDescentOptimizer优化算法优化损失函数
        train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step)
    
        #在训练神经网络的时候，每过一遍数据都要通过反向传播来更新参数以及其滑动平均值
        # 为了一次完成多个操作，可以通过tf.control_dependencies和tf.group两种机制来实现
        # train_op = tf.group(train_step, variable_averages_op)  #和下面代码功能一样
        with tf.control_dependencies([train_step, variable_averages_op]):
            train_op = tf.no_op(name = 'train')
    
        #检验使用了滑动平均模型的神经网络前向传播结果是否正确
        #f.argmax(average_y, 1)计算了每一个样例的预测答案，得到的结果是一个长度为batch的一维数组
        #一维数组中的值就表示了每一个样例对应的数字识别结果
        #tf.equal判断两个张量的每一维是否相等。如果相等返回True，反之返回False
        correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(average_y, 1), tf.argmax(y_, 1))
        #首先将一个布尔型的数组转换为实数，然后计算平均值
        #平均值就是网络在这一组数据上的正确率
        accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    
        #初始会话并开始训练过程
        with tf.Session() as sess:
            tf.global_variables_initializer().run() #参数初始化
            #准备验证数据，在神经网络的训练过程中，会通过验证数据来大致判断停止的条件和评判训练的效果
            validate_data = {x: mnist.validation.images, y_:mnist.validation.labels}
            #准备测试数据
            test_data = {x:mnist.test.images, y_:mnist.test.labels}
            #迭代的训练神经网络
            for i in range(TRAINING_STEPS):
                #每1000轮输出一次在验证数据集上的测试结果
                if i%1000==0:
                    #计算滑动平均模型在验证数据上的结果，因为MNIST数据集较小，所以可以一次处理所有的验证数据
                    validate_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=validate_data)
                    print("After %d training steps, validation accuracy using average model is %g"
                          %(i, validate_acc))
    
                # 产生训练数据batch,开始训练
                xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)  # xs为数据，ys为标签
                sess.run(train_op, feed_dict={x:xs, y_:ys})
    
            test_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=test_data)
            print("After %d training steps, validation accuracy using average model is %g"
                  %(TRAINING_STEPS, test_acc))
    
    #程序主入口
    def main(argv=None):
        # 声明处理MNIST数据集的类,one_hot=True将标签表示为向量形式
        mnist = input_data.read_data_sets("/Users/gaoyue/文档/Program/tensorflow_google/chapter5", one_hot=True)
        train(mnist)
    
    #TensorFlow提供程序主入口，tf.app.run会调用上面定义的main函数
    if __name__ =='__main__':
        tf.app.run()

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[Link 1]: http://blog.csdn.net/gaoyueace/article/details/79060443