Tensorflow编程基础

导语

这篇博客是在看慕课时写的，由于我的环境为TF2.3，在看慕课里TF1.*的代码的时候，运行起来就会出现种种问题，而我呢又不想直接去看TF2的内容，就一个个解决，记录下来，慕课链接放在下面，当然这篇博客会以TF2为主，毕竟主要还是用TF2的嘛，当然不一定完全哈。这一个板块的所有博客应该都会这样，就看我后面有没有时间继续写了。
慕课：《深度学习应用开发-TensorFlow实践》
章节：第四讲 磨刀不误砍柴工：TensorFlow 编程基础

目录

• 导语
• Tensorflow基本概念
  • 还是先从HelloWorld讲起
  • TensorFlow的计算模型——计算图
  • 张量
  • 张量的属性
  • 张量的形状
  • 张量的阶
  • 张量的类型
• TensorFlow基本运算
  • 常量 Constant
  • 变量 Variable
  • 变量的赋值
• 占位符 placeholder
  • 创建
  • Feed提交数据
• TensorBoard可视化初步
• 参考文章

Tensorflow基本概念

一些导学啊、TF概念啊啥的就直接跳过了，想看的直接去慕课

还是先从HelloWorld讲起

没错，小小hello world也会出点问题，先来看TF1中的代码

import tensorflow as tf
# 创建一个常量运算，将作为一个节点加入到默认计算图中
hello = tf.constant("hello,hello")
# 创建一个TF会话
sess=tf.Session()
# 运行并获得结果
print(sess.run(hello))

这段代码在TF1里毫无问题，放在TF2中，一运行，嘿嘿

这是啥原因的，原来啊是TF2中把tf.Session()给删了，当然这个好解决的把import tensorflow as tf改成import tensorflow.compat.v1 as tf就好了，这样的话他就会兼容TF1运行
但是，你改完后，还会发现他又又又报错了

这次报错在了print(sess.run(hello))，ERROR为The Session graph is empty. Add operations to the graph before calling run().，翻译一下就是Session图为空。在调用run()之前向图添加操作，呃，还是Tensorflow版本的问题，加一句tf.compat.v1.disable_eager_execution()就好了，下面是全部可运行代码

import tensorflow.compat.v1 as tf
tf.compat.v1.disable_eager_execution()#保证sess.run()能够正常运行
# 创建一个常量运算，将作为一个节点加入到默认计算图中
hello = tf.constant("hello,hello")
# 创建一个TF会话
sess=tf.Session()
# 运行并获得结果
print(sess.run(hello))

输出

b'hello,hello'

这里前面的b表示字节文字，具体可以看我之前写的一篇博客
事实上，当你写完下面这样一段内容以后，你接下来的操作就和TF1几乎一毛一样了

import tensorflow.compat.v1 as tf
tf.compat.v1.disable_eager_execution()#保证sess.run()能够正常运行

TensorFlow的计算模型——计算图

计算图是一个有向图，它包含以下的几个部分：

• 一组节点，每个节点都代表一个操作，是一种运算
• 一组有向边，每条边代表节点之间的关系（数据传递和控制依赖）

TensorFlow有两种边：

• 常规边（实线）：代表数据依赖关系。一个节点的运算输出成另一个节点的输入，两个节点之间有tensor流动
• 特殊边（虚线）：不携带值，表示两个节点之间的控制相关性

计算实例（这里的导入是import tensorflow.compat.v1 as tf，同时进行了tf.compat.v1.disable_eager_execution()，之后如果没讲，在跑TF1代码的时候默认写了这俩）

node1=tf.constant(3.0,tf.float32,name="node1")
node2=tf.constant(4.0,tf.float32,name="node2")
node3=tf.add(node1,node2)
print(node3)

输出

Tensor("Add:0", shape=(), dtype=float32)

这里的node3是一个张量结构，不是数字，他在内部会生成这样的一张图

输出组成是tensor(名称，形状，元素类型)，如果输出node1也是类似的

Tensor("node1_1:0", shape=(), dtype=float32)

由于TF1它是静态的，所以上面其实并没有执行，也就是说并没有进行加这样的一个具体数值的操作，想要去执行它，就需要去建立会话，然后执行对话

sess=tf.Session()
print(f"node1结果：{sess.run(node1)}")
print(f"node3结果：{sess.run(node3)}")
sess.close()# 关闭session

输出：

node1结果：3.0
node3结果：7.0

这一块如果是TF2的话，那就不需要后面创建对话那一段了，直接就运行好了

node1=tf.constant(3.0,tf.float32,name="node1")
node2=tf.constant(4.0,tf.float32,name="node2")
node3=tf.add(node1,node2)
print(node3)

输出

tf.Tensor(7.0, shape=(), dtype=float32)

事实上，两者在这一阶段的差别也就是TF1需要创建一个对话然后去运行它，而TF2由于是动态的，因此就不再需要创建。
在这里我们可以看到，如果我们直接去print(node3)，他输出的是一个tensor类型，那如果我只要其中的值，该怎么操作呢？这里我们可以调用numpy()方法

node1=tf.constant([3.0],tf.float32,name="node1")
node2=tf.constant([4.0],tf.float32,name="node2")
node3=tf.add(node1,node2)
print(node3)
print(node3.numpy())

输出

tf.Tensor([7.], shape=(1,), dtype=float32)
[7.]

这样的话，输出结果就会使其中numpy的内容了，当然也可以通过其他的参数名去输出对应的参数值

print(node3.shape)
print(node3.dtype)

输出

(1,)
<dtype: 'float32'>

接下来的代码，我就直接贴TF1和TF2了，不再作解释，其实基本上也没有啥其他区别（我说的只是这一块哈）

张量

在TensorFlow中，所有数据都通过张量的形式来表示。
从功能的角度，张量可以简单理解为多维数组

• 零阶张量表示标量，也就是一个数
• 一阶张量为向量，也就是一维数组
• n阶张量可以理解为一个n维数组

张量并没有保存真正的数字，他保存的是计算过程。
当然，在TF2中，由于其热运行的特性，在计算的时候直接就得到了结果

张量的属性

在这一点上，TF1和TF2还是有一定的区别的。
先来看TF2叭

<tf.Tensor: shape=(1, 2), dtype=float32, numpy=array([[7., 9.]], dtype=float32)>

• 标识号（id）：系统自动维护的唯一值。在TF2.0中，输出tensor，第一个参数就是id，但我不知道为什么在2.3中就不打印id了，有知道的可以告诉我一下。
• 形状（shape）：张量的维度信息，可以通过tensor.shape获取，比如例子中的变量node3.shape,注意没有括号！
• 类型（dtype）：每个张量都会有一个唯一的类型，TensorFlow会对参与运算的所有张量进行类型的检查，发现类型不匹配时会报错，可以通过tensor.dtype获取，比如例子中的变量node3.dtype
• 值（value）：通过numpy()，返回Numpy.array类型的数据，比如例子中的变量node3.numpy()

张量的形状

三个术语描述张量的维度：阶、形状、维数

阶	形状	维数	例子
0	()	0-D	4
1	(D0)	1-D	[2,3,4]
2	(D0,D1)	2-D	[[2,3],[3,4]]
3	(D0,D1,D2)	3-D	[[[2],[3]],[[3],[4]]]
N	(D0,D1,...,Dn-1)	n-D	形为(D0,D1,...,Dn-1)的张量
表格中的D0表示第0维元素个数，Di表示Di维元素的个数。这里看维度有个技巧，你看最左边有几个最括号，那就是几维的。
这个俩版本是没有区别的，来举个例子

scalar=tf.constant(100)
vector=tf.constant([1,2,3])
matrix=tf.constant([[1,2,3],[4,5,6]])
cube_matrix=tf.constant([[[2],[3]],[[3],[4]]])
print(scalar.shape)
print(vector.shape)
print(matrix.shape)
print(cube_matrix.shape)

输出

()
(3,)
(2, 3)
(2, 2, 1)

查看张量的shape属性出了上面这种，也可以用get_shape()方法获取

>>>cube_matrix.get_shape()
TensorShape([2, 2, 1])

张量的阶

张量的阶（rank）表征了张量的维度
| 阶 | 数学实体| 代码示例 |
|--|--|--|--|
| 0 | Scalar | Scalar = 1000 |
| 1 |Vector| Vector = [2,8,3] |
| 2 | Matrix| Matrix = [[4,2,1],[5,3,2],[5,5,6]] |
| 3 |3-tensor | Tensor = [[[4],[3],[2]],[[6],[100],[4]],[[5],[1],[4]]] |
| N |N-tensor | … |

阶为1的张量等价于向量；
阶为2的张量等价于矩阵，通过t[i,j] 获取元素；
阶为3的张量，通过t[i,j,k] 获取元素；
来举个例子

>>>cube_matrix=tf.constant([[[2],[3]],[[3],[4]]])
>>>print(cube_matrix.numpy()[1,1,0])
4

张量的类型

TensorFlow支持不同的类型

• 实数： tf.float32, tf.float64
• 整数： tf.int8, tf.int16, tf.int32, tf.int64, tf.uint8
• 布尔 ：tf.bool
• 复数 ：tf.complex64, tf.complex128

不带小数点的数会被默认为int32，带小数点的会被默认为float32
注意：TensorFlow会对参与运算的所有张量进行类型的检查，发现类型不匹配时会报错
来举一些例子

a=tf.constant([1,2])
b=tf.constant([2.0,3.0])
result=tf.add(a,b)

显然这段代码是会报错的，具体如下

就是个类型不匹配错误，在TensorFlow中，我们可以使用tf.cast()来进行数据类型的转换

a=tf.constant([1,2])
b=tf.constant([2.0,3.0])
a=tf.cast(a,tf.float32)
result=tf.add(a,b)
result

输出

<tf.Tensor: shape=(2,), dtype=float32, numpy=array([3., 5.], dtype=float32)>

这么一来，a的元素就转化为了tf.float32类型的了
当然我们可以通过dtype属性来指定他的类型，但不是必须的。

TensorFlow基本运算

常量 Constant

常量指在执行过程中值不会改变的单元
创建语句

tf.constant(value, dtype=None, shape=None, name="Const"):

在各个参数中，value是必须项，其他如果没填，会自动产生，在TF2中，name已经不那么重要了
这个例子的话，前面都是，就不再重复举例了

变量 Variable

变量指在运行过程中值可以被改变的单元
创建语句

tf.Variable(initial_value=None,
               trainable=None,
               validate_shape=True,
               caching_device=None,
               name=None,
               variable_def=None,
               dtype=None,
               import_scope=None,
               constraint=None,
               synchronization=VariableSynchronization.AUTO,
               aggregation=VariableAggregation.NONE,
               shape=None))

同样，只有initial_value是必须项，trainable表示变量是否可训练，如果没给出的话，他会默认为True

a=tf.Variable(1)
b=tf.Variable(2,tf.float32)
a,b

输出

(<tf.Variable 'Variable:0' shape=(1,) dtype=int32, numpy=array([1])>,
 <tf.Variable 'Variable:0' shape=(1,) dtype=int32, numpy=array([2])>)

此外，给一个变量赋初值的方式除了上面这种意外，还可以将一个常量作为初值赋给一个变量

c=tf.constant(1)
v=tf.Variable(c)
c,v

输出

(<tf.Tensor: shape=(), dtype=int32, numpy=1>,
 <tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=1>)

在TensorFlow中变量和普通编程语言中的变量有着较大区别。
TensorFlow中的变量是一种特殊的设计，是可以被机器优化过程中自动改变值的张量，也可以理解为待优化的张量。在TensorFlow中变量创建后，一般无需人工进行赋值，系统会根据算法模型，在训练优化过程中自动调整变量的值。
在变量的参数中，trainable参数用来表征当前变量是否需要被自动优化，创建变量对象时默认是启用自动优化标志。

变量的赋值

与传统编程语言不同，TensorFlow中的变量定义后，一般无需人工赋值，系统会根据算法模型，训练优化过程中自动调整变量对应的数值。
但在一些特殊情况下，我们不希望它的值会自动更新，这时候我们可以将它的trainable参数设置为False，那么在需要人工更新时候，可用变量赋值语句assign()来现实
举个例子

v=tf.Variable(5,trainable=False)
v.assign(v+1)
v

输出

<tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=6>

此外TensorFlow还提供了assign_add()和assign_sub()来实现变量的加法和减法

a=tf.Variable(1)
b=tf.Variable(2)
a.assign_add(1)
b.assign_sub(1)
a,b

输出

(<tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=2>,
 <tf.Variable 'Variable:0' shape=() dtype=int32, numpy=1>)

占位符 placeholder

注意：这是TensorFlow1中的一种数据类型！！！在TF2中它其实已经被删除了，当然我们还是可以用tf.compat.v1包中的占位符来使用它，这段可以直接跳过！！这里粗略带过一下（用的时候要关闭动态！）

TensorFlow中的Variable变量类型，在定义时需要初始化，但有些变量定义时并不知道其数值，只有当真正开始运行程序时，才由外部输入，比如训练数据，这时候需要用到占位符。
占位符是TensorFlow中特有的一种数据结构，类似动态变量，函数的参数、或者C语言或者Python语言中格式化输出时的“%”占位符，我们可以使用 tf.placeholder来创建它

创建

TensorFlow占位符Placeholder，先定义一种数据，其参数为数据的Type和Shape
占位符Placeholder的函数接口如下：

tf.placeholder(dtype, shape=None, name=None)

举个例子

>>>x=tf.compat.v1.placeholder(tf.float32,[2,3],name="tx")
>>>x
<tf.Tensor 'tx_1:0' shape=(2, 3) dtype=float32>

Feed提交数据

如果构建了一个包含placeholder操作的计算图，当在session中调用run方法时，placeholder占用的变量必须通过feed_dict参数传递进去，否则报错

多个操作可以通过一次Feed完成执行

TensorBoard可视化初步

TensorBoard是TensorFlow的可视化工具，通过TensorFlow程序运行过程中输出的日志文件可视化TensorFlow程序的运行状态，TensorBoard和TensorFlow程序跑在不同的进程中。
这里就简单看个案例就好了

import tensorflow.compat.v1 as tf
tf.compat.v1.disable_eager_execution()

tf.reset_default_graph()
logdir='logs'#日志保存地址，空就是当前目录下
input1=tf.constant(3,name="input1")
input2=tf.constant(4,name="input2")
output=tf.add(input1,input2,name="add")

# 生成日志并写入计算图
writer=tf.summary.FileWriter(logdir,tf.get_default_graph())
writer.close()

运行完成后，会在你指定的目录下生成一个这样的文件

接下来打开终端，进入对应环境和文件夹，输入

tensorboard --logdir=logs --port=6007

--logdir的值为你日志的目录，--port可以修改端口，非必须项，默认为6006

接下来你可以在浏览器中打开出现的那个网址，我这里是http://localhost:6007/，就可以看到对应的图了

参考文章

以下为我在解决这些问题时候看的所有文章，感谢文章以下博主
【1】https://blog.csdn.net/weixin_38410551/article/details/103631977

学习笔记，仅供参考，如有错误，敬请指正！

同时发布在CSDN中：https://blog.csdn.net/tangkcc/article/details/120595492