tensorflow（一）windows 10 python3.6安装tensorflow1.4与基本概念解读

一.安装

目前用了tensorflow、deeplearning4j两个深度学习框架，  
tensorflow 之前一直支持到python 3.5,目前以更新到３.６，故安装最新版体验使用。  
慢慢长征路：安装过程如下  
ＷＩＮ１０：  
anaconda3.5:  
PYTHON3.6:  
tensorflow1.4:  

二.TensorFlow 基本概念与原理理解

１.TensorFlow 的工作原理

TensorFlow是用数据流图(data flow graphs)技术来进行数值计算的。数据流图是描述有向图中的数值计算过程。

有向图中，节点通常代表数学运算，边表示节点之间的某种联系，它负责传输多维数据(Tensors)。

节点可以被分配到多个计算设备上，可以异步和并行地执行操作。因为是有向图，所以只有等到之前的入度节点们的计算状态完成后，当前节点才能执行操作。  
 

２.TensorFlow 基本用法

接下来按照官方文档中的具体代码，来看一下基本用法。你需要理解在TensorFlow中，是如何：  
５步：  
一.将计算流程表示成图；  
二.通过Sessions来执行图计算；  
三将数据表示为tensors；  
四　使用Variables来保持状态信息；  
五　 分别使用feeds和fetches来填充数据和抓取任意的操作结果

使用TensorFlow，你必须明白TensorFlow：

使用图(graph)来表示任务
被称之为会话(Session)的上下文(context)中执行图
使用tensor表示数据
通过变量(Variable)维护状态
使用feed和fetch可以为任意操作(arbitrary operation)赋值或者从其中获取数据

案例

例1，生成三维数据，然后用一个平面拟合它：

以下是官网的操作案例

import tensorflow as tf
import numpy as np

# 用 NumPy 随机生成 100 个数据
x_data = np.float32(np.random.rand(2, 100)) 
y_data = np.dot([0.100, 0.200], x_data) + 0.300# 构造一个线性模型
b = tf.Variable(tf.zeros([1]))
W = tf.Variable(tf.random_uniform([1, 2], -1.0, 1.0))
y = tf.matmul(W, x_data) + b

# 最小化方差
loss = tf.reduce_mean(tf.square(y - y_data))
optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(0.5)
train = optimizer.minimize(loss)

# 初始化变量
init = tf.global_variables_initializer()
#官网是tf.initialize_all_variables() 该函数将不再使用，在 2017年#3月2号以后；用 tf.global_variables_initializer() 替代 #tf.initialize_all_variables()
# 启动图 (graph)
sess = tf.Session()
sess.run(init)

# 拟合平面for step in xrange(0, 201):
    sess.run(train)    if step % 20 == 0:        print step, sess.run(W), sess.run(b)
# 输出结果为：0 [[-0.14751725  0.75113136]] [ 0.2857058]20 [[ 0.06342752  0.32736415]] [ 0.24482927]40 [[ 0.10146417  0.23744738]] [ 0.27712563]60 [[ 0.10354312  0.21220125]] [ 0.290878]80 [[ 0.10193551  0.20427427]] [ 0.2964265]100 [[ 0.10085492  0.201565  ]] [ 0.298612]120 [[ 0.10035028  0.20058727]] [ 0.29946309]140 [[ 0.10013894  0.20022322]] [ 0.29979277]160 [[ 0.1000543   0.20008542]] [ 0.29992008]180 [[ 0.10002106  0.20003279]] [ 0.29996923]200 [[ 0.10000814  0.20001261]] [ 0.29998815]

接下来看具体概念：  
TensorFlow 用图来表示计算任务，图中的节点被称之为operation，缩写成op。  
一个节点获得 0 个或者多个张量 tensor，执行计算，产生0个或多个张量。  
图必须在会话(Session)里被启动，会话(Session)将图的op分发到CPU或GPU之类的设备上，同时提供执行op的方法，这些方法执行后，将产生的张量(tensor)返回。

构建图  
例2，计算矩阵相乘：

import tensorflow as tf
# 创建一个 常量 op, 返回值 'matrix1' 代表这个 1x2 矩阵.
matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])

# 创建另外一个 常量 op, 返回值 'matrix2' 代表这个 2x1 矩阵.
matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])

# 创建一个矩阵乘法 matmul op , 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)

默认图有三个节点, 两个 constant() op, 和一个 matmul() op. 为了真正进行矩阵相乘运算, 并得到矩阵乘法的结果, 你必须在会话里启动这个图.

张量 Tensor

从向量空间到实数域的多重线性映射(multilinear maps)（v是向量空间，v*是对偶空间）  
你可以把Tensorflow的tensor看做是一个n维的数组或列表。一个tensor包含一个静态类型rank和一个shape。

阶
在Tensorflow系统中，张量的维数被描述为阶。但是张量的阶和矩阵的阶并不是同一个概念。张量的阶是张量维数的一个数量描述，下面的张量（使用python中list定义的）就是2阶：
t = [[1, 2, 3], [4, 5, 6], [7, 8, 9]]
你可以认为一个二阶张量就是我们平常所说的矩阵，一阶张量可以认为是一个向量。对于一个二阶张量，你可以使用语句t[i, j]来访问其中的任何元素。而对于三阶张量你可以通过t[i, j, k]来访问任何元素：  

形状

Tensorflow文档中使用了三种记号来方便地描述张量的维度：阶，形状以及维数。以下展示了它们之间的关系：  

数据类型

除了维度，tensor有一个数据类型属性。你可以为一个张量指定下列数据类型中的任意一个类型：  

在一个会话中启动图  
创建一个 Session 对象, 如果无任何创建参数, 会话构造器将启动默认图。  
会话负责传递 op 所需的全部输入，op 通常是并发执行的。

# 启动默认图.
sess = tf.Session()

# 调用 sess 的 'run()' 方法, 传入 'product' 作为该方法的参数，
# 触发了图中三个 op (两个常量 op 和一个矩阵乘法 op)，
# 向方法表明, 我们希望取回矩阵乘法 op 的输出.
result = sess.run(product)

# 返回值 'result' 是一个 numpy `ndarray` 对象.print result
# ==> [[ 12.]]# 任务完成, 需要关闭会话以释放资源。
sess.close()

交互式使用
在 Python API 中，使用一个会话 Session 来 启动图, 并调用 Session.run() 方法执行操作.

为了便于在 IPython 等交互环境使用 TensorFlow，需要用 InteractiveSession 代替 Session 类, 使用 Tensor.eval() 和 Operation.run() 方法代替 Session.run()。

例3，计算 ‘x’ 减去 ‘a’：

# 进入一个交互式 TensorFlow 会话.import tensorflow as tf
sess = tf.InteractiveSession()x = tf.Variable([1.0, 2.0])
a = tf.constant([3.0, 3.0])# 使用初始化器 initializer op 的 run() 方法初始化 'x' x.initializer.run()# 增加一个减法 sub op, 从 'x' 减去 'a'. 运行减法 op, 输出结果 sub = tf.sub(x, a)
print sub.eval()# ==> [-2. -1.]变量 Variable

上面用到的张量是常值张量(constant)。

变量 Variable，是维护图执行过程中的状态信息的. 需要它来保持和更新参数值，是需要动态调整的。

下面代码中有 tf.initialize_all_variables，是预先对变量初始化，  
Tensorflow 的变量必须先初始化，然后才有值！而常值张量是不需要的。

下面的 assign() 操作和 add() 操作，在调用 run() 之前, 它并不会真正执行赋值和加和操作。

例4，使用变量实现一个简单的计数器：

# －创建一个变量, 初始化为标量 0.  初始化定义初值state = tf.Variable(0, name="counter")# 创建一个 op, 其作用是使 state 增加 1one = tf.constant(1)
new_value = tf.add(state, one)
update = tf.assign(state, new_value)# 启动图后, 变量必须先经过`初始化` (init) op 初始化,# 才真正通过Tensorflow的initialize_all_variables对这些变量赋初值init_op = tf.initialize_all_variables()# 启动默认图, 运行 opwith tf.Session() as sess:  # 运行 'init' op
  sess.run(init_op)  # 打印 'state' 的初始值
  # 取回操作的输出内容, 可以在使用 Session 对象的 run() 调用 执行图时, 
  # 传入一些 tensor, 这些 tensor 会帮助你取回结果. 
  # 此处只取回了单个节点 state，
  # 也可以在运行一次 op 时一起取回多个 tensor: 
  # result = sess.run([mul, intermed])
  print sess.run(state)  # 运行 op, 更新 'state', 并打印 'state'
  for _ in range(3):
    sess.run(update)
    print sess.run(state)

上面的代码定义了一个如下的计算图：

Ok，总结一下，来一个清晰的代码：  
过程就是：建图->启动图->运行取值

计算矩阵相乘：

import tensorflow as tf

# 建图
matrix1 = tf.constant([[3., 3.]])
matrix2 = tf.constant([[2.],[2.]])

product = tf.matmul(matrix1, matrix2)

# 启动图
sess = tf.Session()

# 取值
result = sess.run(product)print result

sess.close()

上面的几个代码介绍了基本用法，通过观察，有没有觉得 tf 和 numpy 有点像呢。

TensorFlow和普通的Numpy的对比，来看一下二者之间的区别：  
 

eval()

在 Python 中定义完 a 后，直接打印就可以看到 a。

In [37]: a = np.zeros((2,2))

In [39]: print(a)[[ 0.  0.]
 [ 0.  0.]]12345

但是在 Tensorflow 中需要显式地输出(evaluation，也就是说借助eval()函数)！

In [38]: ta = tf.zeros((2,2))

In [40]: print(ta)
Tensor("zeros_1:0", shape=(2, 2), dtype=float32)

In [41]: print(ta.eval())[[ 0.  0.]
[ 0. 0.]]