TensorFlow 2 基础概念语法与常用模块

title: TensorFlow 2 基础概念语法与常用模块

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深度学习的关键，其实在于深度神经网络的构建，而如果你从 0 开始自己编程构建一个深度神经网络，那么过程将会是十分复杂的。所以，为了更方便地实现深度学习模型，我们需要掌握一些常见的深度学习框架的使用。目前在整个深度学习社区里，比较流行的框架有 TensorFlow 和 PyTorch ，他们都有各自独特的特点。其中，TensorFlow 因为背靠谷歌 Google 这座大山，再加上庞大的开发者群体，更新和发版速度着实非常快。了解并掌握 TensorFlow 的使用，将使你在搭建深度学习模型时更加得心应手。

tags: - TensorFlow abbrlink: e509 date: 2021-10-12 00:00:00

TensorFlow 2 简介

TensorFlow 是由谷歌在 2015 年 11 月发布的深度学习开源工具，我们可以用它来快速构建深度神经网络，并训练深度学习模型。运用 TensorFlow 及其他开源框架的主要目的，就是为我们提供一个更利于搭建深度学习网络的模块工具箱，使开发时能够简化代码，最终呈现出的模型更加简洁易懂。

2019 年，TensorFlow 推出了 2.0 版本，也意味着 TensorFlow 从 1.x 正式过度到 2.x 时代。根据 TensorFlow 官方 介绍内容 显示，2.0 版本将专注于简洁性和易用性的改善，主要升级方向包括：

• 使用 Keras 和 Eager Execution 轻松构建模型。
• 在任意平台上实现稳健的生产环境模型部署。
• 为研究提供强大的实验工具。
• 通过清理废弃的 API 和减少重复来简化 API。

当然，如果你对 TensorFlow 1.x 本来就不熟悉，可能无法看明白这些升级的内容。不用担心，本次直接对 TensorFlow 2 进行学习，我们不再回首过去，直接展望未来。

接下来，我们将从 TensorFlow 基础概念语法入手，一步一步学习 TensorFlow 的使用。

建议先学习 Python 数值计算库 NumPy 的使用，能帮助你更清楚地理解 TensorFlow 2 中的一些函数用法和概念。

张量

介绍

张量，如果你第一次听说，一定会感觉到它是一个很厉害的东西吧。它的确很厉害，但是不难理解。

张量的概念贯穿于物理学和数学中，如果你去看它的很多理论描述，可能并不那么浅显易懂。例如，下面有两种关于 张量的定义：

• 通常定义张量的物理学或传统数学方法，是把张量看成一个多维数组，当变换坐标或变换基底时，其分量会按照一定规则进行变换，这些规则有两种：即协变或逆变转换。
• 通常现代数学中的方法，是把张量定义成某个矢量空间或其对偶空间上的多重线性映射，这矢量空间在需要引入基底之前不固定任何坐标系统。例如协变矢量，可以描述为 1-形式，或者作为逆变矢量的对偶空间的元素。

上面的定义不知道你看懂了没有？估计会有点困难。下面，我们进行通俗易懂的说明：

首先，你应该知道什么是向量和矩阵。先前的介绍中，我们把 1 维的数组称之为向量，2维的数组称之为矩阵。那么，现在告诉你张量其实代表着更大的范围，你也可以把其看作是 N 维数组。

所以，如果现在重新描述向量和矩阵，就可以是：

一阶张量为向量，二阶张量为矩阵。当然，零阶张量也就是标量，而更重要的是 N 阶张量，也就是 N 维数组。

所以，张量并不是什么晦涩难懂的概念。如果不严谨的讲，张量就是 N 维数组。前面提到的向量、矩阵，也是张量。

TensorFlow 中对张量的定义

你即将了解到的大多数深度学习框架都会使用张量的概念，这样做的好处是统一对数据的定义。NumPy 中，数据都使用 Ndarray 多维数组进行定义，TensorFlow 中，数据都会用张量进行表述。

下面就来了解 TensorFlow 中对张量的定义。

在 TensorFlow 中，每一个 Tensor 都具备两个基础属性：

• 数据类型（默认：float32）
• 形状

其中，数据类型大致如下表所示：

另外，TensorFlow 通过三种符号约定来描述张量维度：阶，形状和维数。

三者之间的关系如下：

值得注意的是，上表中的示例都是形容张量的形状。例如 [3, 4] 指的张量的形状为 [3, 4]，而不是张量 [3, 4]。

张量的类型

根据不同的用途，TensorFlow 中主要有 2 种张量类型，分别是：

• tf.Variable ：变量 Tensor，需要指定初始值，常用于定义可变参数，例如神经网络的权重。
• tf.constant ：常量 Tensor，需要指定初始值，定义不变化的张量。

我们可以通过传入列表或 NumPy 数组来新建变量和常量类型的张量

（1）查看 TensorFlow 版本：

（2）定义形状为 (3, 3) 的二维变量：

（3）定义现状为 (2,2) 二维常量

张量的属性

仔细观察，你会发现输出包含了张量的 3 部分属性，分别是

• 形状 shape
• 数据类型 dtype，
• 对应的 NumPy 数组。

你还可以直接通过 .numpy() 输出张量的 NumPy 数组。

特殊常量张量

上面我们已经介绍了常量张量，这里再列举几个经常会用到的新建特殊常量张量的方法：

• tf.zeros：新建指定形状且全为 0 的常量 Tensor
• tf.zeros_like：参考某种形状，新建全为 0 的常量 Tensor
• tf.ones：新建指定形状且全为 1 的常量 Tensor
• tf.ones_like：参考某种形状，新建全为 1 的常量 Tensor
• tf.fill：新建一个指定形状且全为某个标量值的常量 Tensor

（1）3x3 全为 0 的常量 Tensor

（2）c 形状一致全为 1 的常量 Tensor

（3）2x3 全为 6 的常量 Tensor

创建序列

除此之外，我们还可以创建一些序列，例如：

• tf.linspace：创建一个等间隔序列。
• tf.range：创建一个数字序列。

实际上，如果你熟悉 NumPy 的话，你会发现这与 NumPy 中创建各式各样的多维数组方法大同小异。数据类型是一切的基础，了解完张量我们就可以继续学习张量的运算了。

Eager Execution

TensorFlow 2 带来的最大改变之一是将 1.x 的 Graph Execution（图与会话机制）更改为 Eager Execution（动态图机制）。在 1.x 版本中，低级别 TensorFlow API 首先需要定义数据流图，然后再创建 TensorFlow 会话，这一点在 2.0 中被完全舍弃。

TensorFlow 2 中的 Eager Execution 是一种命令式编程环境，可立即评估操作，无需构建图。

所以说，TensorFlow 的张量运算过程可以像 NumPy 一样直观且自然了。接下来，我们以最简单的加法运算为例：

如果你接触过 1.x 版本的 TensorFlow，你要知道一个加法运算过程十分复杂。我们需要初始化全局变量 → 建立会话 → 执行计算，最终才能打印出张量的运算结果。

init_op = tf.global_variables_initializer()  # 初始化全局变量
with tf.Session() as sess:  # 启动会话
    sess.run(init_op)
    print(sess.run(c + c))  # 执行计算

Eager Execution 带来的好处显而易见，其进一步降低了 TensorFlow 的入门门槛。之前的 Graph Execution 模式，实际上让很多人在入门时都很郁闷，因为完全不符合正常思维习惯。

TensorFlow 中提供的数学计算，包括线性代数计算方面的方法也是应有尽有，十分丰富。下面，我们再列举一个示例。

（1）矩阵乘法

（2）转置矩阵

你应该能够感觉到，这些常用 API 都能在 NumPy 中找到对应的方法，这也就是需要你预先熟悉 NumPy 的原因。

由于函数实在太多太多。一般来讲，除了自己经常使用到的，都会在需要某种运算的时候，查阅官方文档。

所以说，你可以把 TensorFlow 理解成为 TensorFlow 式的 NumPy + 为搭建神经网络而生的 API。

自动微分

在数学中，微分是对函数的局部变化率的一种线性描述。

虽然微分和导数是两个不同的概念。

但是，对一元函数来说，可微与可导是完全等价的。

如果你熟悉神经网络的搭建过程，应该明白梯度的重要性。而对于复杂函数的微分过程是及其麻烦的，为了提高应用效率，大部分深度学习框架都有自动微分机制。

TensorFlow 中，你可以使用 tf.GradientTape 跟踪全部运算过程，以便在必要的时候计算梯度。

上面，我们演示了一个自动微分过程，它的数学求导过程如下：

所以，当 w 等于 2.3 时，计算结果为 4.6。

tf.GradientTape 会像磁带一样记录下计算图中的梯度信息，然后使用 .gradient 即可回溯计算出任意梯度，这对于使用 TensorFlow 低阶 API 构建神经网络时更新参数非常重要。

常用模块

上面，我们已经学习了 TensorFlow 核心知识，接下来将对 TensorFlow API 中的常用模块进行简单的功能介绍。

对于框架的使用，实际上就是灵活运用各种封装好的类和函数。

由于 TensorFlow API 数量太多，迭代太快，所以大家要养成随时 查阅官方文档 的习惯。

• tf.：包含了张量定义，变换等常用函数和类。
• tf.data：输入数据处理模块，提供了像 tf.data.Dataset 等类用于封装输入数据，指定批量大小等。
• tf.image：图像处理模块，提供了像图像裁剪，变换，编码，解码等类。
• tf.keras：原 Keras 框架高阶 API。包含原 tf.layers 中高阶神经网络层。
• tf.linalg：线性代数模块，提供了大量线性代数计算方法和类。
• tf.losses：损失函数模块，用于方便神经网络定义损失函数。
• tf.math：数学计算模块，提供了大量数学计算函数。
• tf.saved_model：模型保存模块，可用于模型的保存和恢复。
• tf.train：提供用于训练的组件，例如优化器，学习率衰减策略等。
• tf.nn：提供用于构建神经网络的底层函数，以帮助实现深度神经网络各类功能层。
• tf.estimator：高阶 API，提供了预创建的 Estimator 或自定义组件。

在构建深度神经网络时，TensorFlow 可以说提供了你一切想要的组

从不同形状的张量、激活函数、神经网络层，到优化器、数据集等，一应俱全。