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2019-06-08T14:08:02.000000Z
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叶虎
TensorFlow虽是深度学习领域最广泛使用的框架,但是对比PyTorch这一动态图框架,采用静态图(Graph模式)的TensorFlow确实是难用。好在最近TensorFlow支持了eager模式,对标PyTorch的动态执行机制。更进一步地,Google在最近推出了全新的版本TensorFlow 2.0,2.0版本相比1.0版本不是简单地更新,而是一次重大升级(虽然目前只发布了preview版本)。简单地来说,TensorFlow 2.0默认采用eager执行模式,而且重整了很多混乱的模块。毫无疑问,2.0版本将会逐渐替换1.0版本,所以很有必要趁早入手TensorFlow 2.0。这篇文章将简明扼要地介绍TensorFlow 2.0,以求快速入门。
TensorFlow的Eager执行时一种命令式编程(imperative programming),这和原生Python是一致的,当你执行某个操作时是立即返回结果的。而TensorFlow一直是采用Graph模式,即先构建一个计算图,然后需要开启Session,喂进实际的数据才真正执行得到结果。显然,eager执行更简洁,我们可以更容易debug自己的代码,这也是为什么PyTorch更简单好用的原因。一个简单的例子如下:
x = tf.ones((2, 2), dtype=tf.dtypes.float32)
y = tf.constant([[1, 2],
[3, 4]], dtype=tf.dtypes.float32)
z = tf.matmul(x, y)
print(z)
# tf.Tensor(
# [[4. 6.]
# [4. 6.]], shape=(2, 2), dtype=float32)
print(z.numpy())
# [[4. 6.]
# [4. 6.]]
可以看到在eager执行下,每个操作后的返回值是tf.Tensor,其包含具体值,不再像Graph模式下那样只是一个计算图节点的符号句柄。由于可以立即看到结果,这非常有助于程序debug。更进一步地,调用tf.Tensor.numpy()方法可以获得Tensor所对应的numpy数组。
这种eager执行的另外一个好处是可以使用Python原生功能,比如下面的条件判断:
random_value = tf.random.uniform([], 0, 1)
x = tf.reshape(tf.range(0, 4), [2, 2])
print(random_value)
if random_value.numpy() > 0.5:
y = tf.matmul(x, x)
else:
y = tf.add(x, x)
这种动态控制流主要得益于eager执行得到Tensor可以取出numpy值,这避免了使用Graph模式下的tf.cond和tf.while等算子。
另外一个重要的问题,在egaer模式下如何计算梯度。在Graph模式时,我们在构建模型前向图时,同时也会构建梯度图,这样实际喂数据执行时可以很方便计算梯度。但是eager执行是动态的,这就需要每一次执行都要记录这些操作以计算梯度,这是通过tf.GradientTape
来追踪所执行的操作以计算梯度,下面是一个计算实例:
w = tf.Variable([[1.0]])
with tf.GradientTape() as tape:
loss = w * w + 2. * w + 5.
grad = tape.gradient(loss, w)
print(grad) # => tf.Tensor([[ 4.]], shape=(1, 1), dtype=float32)
对于eager执行,每个tape会记录当前所执行的操作,这个tape只对当前计算有效,并计算相应的梯度。PyTorch也是动态图模式,但是与TensorFlow不同,它是每个需要计算Tensor会拥有grad_fn以追踪历史操作的梯度。
TensorFlow 2.0引入的eager提高了代码的简洁性,而且更容易debug。但是对于性能来说,eager执行相比Graph模式会有一定的损失。这不难理解,毕竟原生的Graph模式是先构建好静态图,然后才真正执行。这对于 在分布式训练、性能优化和生产部署方面具有优势。但是好在,TensorFlow 2.0引入了tf.function和AutoGraph来缩小eager执行和Graph模式的性能差距,其核心是将一系列的Python语法转化为高性能的graph操作。
AutoGraph在TensorFlow 1.x已经推出,主要是可以将一些常用的Python代码转化为TensorFlow支持的Graph代码。一个典型的例子是在TensorFlow中我们必须使用tf.while和tf.cond等复杂的算子来实现动态流程控制,但是现在我们可以使用Python原生的for和if等语法写代码,然后采用AutoGraph转化为TensorFlow所支持的代码,如下面的例子:
def square_if_positive(x):
if x > 0:
x = x * x
else:
x = 0.0
return x
# eager 模式
print('Eager results: %2.2f, %2.2f' % (square_if_positive(tf.constant(9.0)),
square_if_positive(tf.constant(-9.0))))
# graph 模式
tf_square_if_positive = tf.autograph.to_graph(square_if_positive)
with tf.Graph().as_default():
# The result works like a regular op: takes tensors in, returns tensors.
# You can inspect the graph using tf.get_default_graph().as_graph_def()
g_out1 = tf_square_if_positive(tf.constant( 9.0))
g_out2 = tf_square_if_positive(tf.constant(-9.0))
with tf.compat.v1.Session() as sess:
print('Graph results: %2.2f, %2.2f\n' % (sess.run(g_out1), sess.run(g_out2)))
上面我们定义了一个square_if_positive
函数,它内部使用的Python的原生的if语法,对于TensorFlow 2.0的eager执行,这是没有问题的。然而这是TensorFlow 1.x所不支持的,但是使用AutoGraph可以将这个函数转为Graph函数,你可以将其看成一个常规TensorFlow op,其可以在Graph模式下运行(tf2 没有Session,这是tf1.x的特性,想使用tf1.x的话需要调用tf.compat.v1)。大家要注意eager模式和Graph模式的差异,尽管结果是一样的,但是Graph模式更高效。
从本质上讲,AutoGraph是将Python代码转为TensorFlow原生的代码,我们可以进一步看到转化后的代码:
print(tf.autograph.to_code(square_if_positive))
#################################################
from __future__ import print_function
def tf__square_if_positive(x):
try:
with ag__.function_scope('square_if_positive'):
do_return = False
retval_ = None
cond = ag__.gt(x, 0)
def if_true():
with ag__.function_scope('if_true'):
x_1, = x,
x_1 = x_1 * x_1
return x_1
def if_false():
with ag__.function_scope('if_false'):
x = 0.0
return x
x = ag__.if_stmt(cond, if_true, if_false)
do_return = True
retval_ = x
return retval_
except:
ag__.rewrite_graph_construction_error(ag_source_map__)
tf__square_if_positive.autograph_info__ = {}
可以看到AutoGraph转化的代码定义了两个条件函数,然后调用if_stmt op,应该就是类似tf.cond的op。
AutoGraph支持很多Python特性,比如循环:
def sum_even(items):
s = 0
for c in items:
if c % 2 > 0:
continue
s += c
return s
print('Eager result: %d' % sum_even(tf.constant([10,12,15,20])))
tf_sum_even = tf.autograph.to_graph(sum_even)
with tf.Graph().as_default(), tf.compat.v1.Session() as sess:
print('Graph result: %d\n\n' % sess.run(tf_sum_even(tf.constant([10,12,15,20]))))
对于大部分Python特性AutoGraph是支持的,但是其仍然有限制,具体可以见Capabilities and Limitations。
此外,要注意的一点是,经过AutoGraph转换的新函数是可以eager模式下执行的,但是性能却并不会比转换前的高,你可以对比:
x = tf.constant([10, 12, 15, 20])
print("Eager at orginal code:", timeit.timeit(lambda: sum_even(x), number=100))
print("Eager at autograph code:", timeit.timeit(lambda: tf_sum_even(x), number=100))
with tf.Graph().as_default(), tf.compat.v1.Session() as sess:
graph_op = tf_sum_even(tf.constant([10, 12, 15, 20]))
sess.run(graph_op) # remove first call
print("Graph at autograph code:", timeit.timeit(lambda: sess.run(graph_op), number=100))
##########################################
Eager at orginal code: 0.05176109499999981
Eager at autograph code: 0.11203173799999977
Graph at autograph code: 0.03418808900000059
从结果上看,Graph模式下的执行效率是最高的,原来的代码在eager模式下效率次之,经AutoGraph转换后的代码效率最低。
所以,在TensorFlow 2.0,我们一般不会直接使用tf.autograph,因为eager执行下效率没有提升。要真正达到Graph模式下的效率,要依赖tf.function
这个更强大的利器。
尽管eager执行更简洁,但是Graph模式却是性能更高,为了减少这个性能gap,TensorFlow 2.0引入了tf.function
,先给出官方对tf.function的说明:
function constructs a callable that executes a TensorFlow graph (tf.Graph) created by tracing the TensorFlow operations in func. This allows the TensorFlow runtime to apply optimizations and exploit parallelism in the computation defined by func.
简单来说,就是tf.function可以将一个func中的TensorFlow操作构建为一个Graph,这样在调用时是执行这个Graph,这样计算性能更优。比如下面的例子:
def f(x, y):
print(x, y)
return tf.reduce_mean(tf.multiply(x ** 2, 3) + y)
g = tf.function(f)
x = tf.constant([[2.0, 3.0]])
y = tf.constant([[3.0, -2.0]])
# `f` and `g` will return the same value, but `g` will be executed as a
# TensorFlow graph.
assert f(x, y).numpy() == g(x, y).numpy()
# tf.Tensor([[2. 3.]], shape=(1, 2), dtype=float32) tf.Tensor([[ 3. -2.]], shape=(1, 2), dtype=float32)
# Tensor("x:0", shape=(1, 2), dtype=float32) Tensor("y:0", shape=(1, 2), dtype=float32)
如上面的例子,被tf.function装饰的函数将以Graph模式执行,可以把它想象一个封装了Graph的TF op,直接调用它也会立即得到Tensor结果,但是其内部是高效执行的。我们在内部打印Tensor时,eager执行会直接打印Tensor的值,而Graph模式打印的是Tensor句柄,其无法调用numpy方法取出值,这和TF 1.x的Graph模式是一致的。
由于tf.function装饰的函数是Graph执行,其执行速度一般要比eager模式要快,当Graph包含很多小操作时差距更明显,可以比较下卷积和LSTM的性能差距:
import timeit
conv_layer = tf.keras.layers.Conv2D(100, 3)
@tf.function
def conv_fn(image):
return conv_layer(image)
image = tf.zeros([1, 200, 200, 100])
# warm up
conv_layer(image); conv_fn(image)
print("Eager conv:", timeit.timeit(lambda: conv_layer(image), number=10))
print("Function conv:", timeit.timeit(lambda: conv_fn(image), number=10))
# 单纯的卷积差距不是很大
# Eager conv: 0.44013839924952197
# Function conv: 0.3700763391782858
lstm_cell = tf.keras.layers.LSTMCell(10)
@tf.function
def lstm_fn(input, state):
return lstm_cell(input, state)
input = tf.zeros([10, 10])
state = [tf.zeros([10, 10])] * 2
# warm up
lstm_cell(input, state); lstm_fn(input, state)
print("eager lstm:", timeit.timeit(lambda: lstm_cell(input, state), number=10))
print("function lstm:", timeit.timeit(lambda: lstm_fn(input, state), number=10))
# 对于LSTM比较heavy的计算,Graph执行要快很多
# eager lstm: 0.025562446062237565
# function lstm: 0.0035498656569271647
要想灵活使用tf.function,必须深入理解它背后的机理,这里简单地谈一下。在TF 1.x时,首先要创建静态计算图,然后新建Session真正执行不同的运算:
import tensorflow as tf
x = tf.placeholder(tf.float32)
y = tf.square(x)
z = tf.add(x, y)
sess = tf.Session()
z0 = sess.run([z], feed_dict={x: 2.}) # 6.0
z1 = sess.run([z], feed_dict={x: 2., y: 2.}) # 4.0
尽管上面只定义了一个graph,但是两次不同的sess执行(运行时)其实是执行两个不同的程序或者说subgraph:
def compute_z0(x):
return tf.add(x, tf.square(x))
def compute_z1(x, y):
return tf.add(x, y)
这里我们将两个不同的subgraph封装到了两个python函数中。更进一步地,我们可以不再需要Session,当执行这两个函数时,直接调用对应的计算图就可以,这就是tf.function的功效:
import tensorflow as tf
@tf.function
def compute_z1(x, y):
return tf.add(x, y)
@tf.function
def compute_z0(x):
return compute_z1(x, tf.square(x))
z0 = compute_z0(2.)
z1 = compute_z1(2., 2.)
可以说tf.function内部管理了一系列Graph,并控制了Graph的执行。另外一个问题时,虽然函数内部定义了一系列的操作,但是对于不同的输入,是需要不同的计算图。如函数的输入Tensor的shape或者dtype不同,那么计算图是不同的,好在tf.function支持这种多态性(polymorphism)
# Functions are polymorphic
@tf.function
def double(a):
print("Tracing with", a)
return a + a
print(double(tf.constant(1)))
print(double(tf.constant(1.1)))
print(double(tf.constant([1, 2])))
# Tracing with Tensor("a:0", shape=(), dtype=int32)
# tf.Tensor(2, shape=(), dtype=int32)
# Tracing with Tensor("a:0", shape=(), dtype=float32)
# tf.Tensor(2.2, shape=(), dtype=float32)
# Tracing with Tensor("a:0", shape=(2,), dtype=int32)
# tf.Tensor([2 4], shape=(2,), dtype=int32)
注意函数内部的打印,当输入tensor的shape或者类型发生变化,打印的东西也是相应改变。所以,它们的计算图(静态的)并不一样。tf.function这种多态特性其实是背后追踪了(tracing)不同的计算图。具体来说,被tf.function装饰的函数f
接受一定的Tensors,并返回0到任意到Tensor,当装饰后的函数F
被执行时:
这种多态性是我们需要的,因为有时候我们希望输入不同shape或者dtype的Tensors,但是当"trace_cache_key"越来越多时,意味着你要cache了庞大的Graph,这点是要注意的。另外,tf.function提供了input_signature
,这个参数采用tf.TensorSpec
指定了输入到函数的Tensor的shape和dtypes,如下面的例子:
@tf.function(input_signature=[tf.TensorSpec(shape=None, dtype=tf.float32)])
def f(x):
return tf.add(x, 1.)
print(f(tf.constant(1.0))) # tf.Tensor(2.0, shape=(), dtype=float32)
print(f(tf.constant([1.0,]))) # tf.Tensor([2.], shape=(1,), dtype=float32)
print(f(tf.constant([1]))) # ValueError: Python inputs incompatible with input_signature
此时,输入Tensor的dtype必须是float32,但是shape不限制,当类型不匹配时会出错。
tf.function的另外一个参数是autograph
,默认是True,意思是在构建Graph时将自动使用AutoGraph,这样你可以在函数内部使用Python原生的条件判断以及循环语句,因为它们会被tf.cond和tf.while_loop转化为Graph代码。注意的一点是判断分支和循环必须依赖于Tensors才会被转化,当autograph为False时,如果存在判断分支和循环必须依赖于Tensors的情况将会出错。如下面的例子:
def sum_even(items):
s = 0
for c in items:
if c % 2 > 0:
continue
s += c
return s
sum_even_autograph_on = tf.function(sum_even, autograph=True)
sum_even_autograph_off = tf.function(sum_even, autograph=False)
x = tf.constant([10, 12, 15, 20])
sum_even(x) # OK
sum_even_autograph_on(x) # OK
sum_even_autograph_off(x) # TypeError: Tensor objects are only iterable when eager execution is enabled
很容易理解,应用tf.function之后是Graph模式,Tensors是不能被遍历的,但是采用AutoGraph可以将其转换为Graph代码,所以可以成功。大部分情况,我们还是默认开启autograph。
最要的是tf.function可以应用到类方法中,并且可以引用tf.Variable,可以看下面的例子:
class ScalarModel(object):
def __init__(self):
self.v = tf.Variable(0)
@tf.function
def increment(self, amount):
self.v.assign_add(amount)
model1 = ScalarModel()
model1.increment(tf.constant(3))
assert int(model1.v) == 3
model1.increment(tf.constant(4))
assert int(model1.v) == 7
model2 = ScalarModel() # model1和model2 拥有不同变量
model2.increment(tf.constant(5))
assert int(model2.v) == 5
后面会讲到,这个特性可以应用到tf.Keras的模型构建中。上面这个例子还有一点,就是可以在function中使用tf.assign这类具有副作用(改变Variable的值)的操作,这对于模型训练比较重要。
前面说过,python原生的print函数只会在构建Graph时打印一次Tensor句柄。如果想要打印Tensor的具体值,要使用tf.print:
@tf.function
def print_element(items):
for c in items:
tf.print(c)
x = tf.constant([1, 5, 6, 8, 3])
print_element(x)
这里就对tf.function做这些介绍,但是实际上其还有更多复杂的使用须知,详情可以参考TensorFlow 2.0: Functions, not Sessions。