TensorFlow 基础知识笔记之一些概念

笔记来自书籍：TensorFlow技术解析与实战.李嘉璇

1、系统架构

上图是TensorFlow 的系统架构，自底向上分为设备层和网络层、数据操作层、图计算层、 API 层、应用层，其中设备层和网络层、数据操作层、图计算层是TensorFlow 的核心层。

(1)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。
(2) 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。
(3) 数据操作层，主要包括卷积函数、激活函数等操作
(4) 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。

2、编程模型

上图讲述了TensorFlow的运行原理。图中包含输入（input）、塑型（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，是一个简单的回归模型。

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。

顾名思义， TensorFlow 是指“张量的流动”。TensorFlow 的数据流图是由节点（node）和边（edge）组成的有向无环图（directed acycline graph， DAG）。TensorFlow 由 Tensor 和 Flow 两部分组成，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。

2.1、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。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（control dependency），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)

TensorFlow 支持的张量具有下表 所示的数据属性。

2.2、节点

图中的节点又称为算子，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。

2.3、图

构建图的第一步是创建各个节点。具体如下：

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)

2.4、会话

启动图的第一步是创建一个 Session 对象。会话（session）提供在图中执行操作的一些方法。一般的模式是，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。

会话是图交互的一个桥梁，一个会话可以有多个图，会话可以修改图的结构，也可以往图中注入数据进行计算。因此，会话主要有两个 API 接口： Extend 和 Run。 Extend 操作是在 Graph中添加节点和边， Run 操作是输入计算的节点和填充必要的数据后，进行运算，并输出运算结果。

2.5、 设备

设备（device）是指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。具体如下：

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)