TensorFlow之estimator详解

Estimator初识

框架结构

在介绍Estimator之前需要对它在TensorFlow这个大框架的定位有个大致的认识，如下图示：

可以看到Estimator是属于High level的API，而Mid-level API分别是：

• Layers：用来构建网络结构
• Datasets: 用来构建数据读取pipeline
• Metrics：用来评估网络性能

可以看到如果使用Estimator，我们只需要关注这三个部分即可，而不用再关心一些太细节的东西，另外也不用再使用烦人的Session了。

Estimator使用步骤

• 创建一个或多个输入函数，即input_fn
• 定义模型的特征列,即feature_columns
• 实例化 Estimator，指定特征列和各种超参数。
• 在 Estimator 对象上调用一个或多个方法，传递适当的输入函数作为数据的来源。（train, evaluate, predict）

下面通过伪代码的形式介绍如何使用Estimator：

• 创建一个或多个输入函数，即input_fn：

def train_input_fn(features, labels, batch_size):
    """An input function for training"""
    # Convert the inputs to a Dataset.
    dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((dict(features), labels))

    # Shuffle, repeat, and batch the examples.
    return dataset.shuffle(1000).repeat().batch(batch_size)

注意， features需要是字典 (另外此处的feature与我们常说的提取特征的feature还不太一样，也可以指原图数据(raw image),或者其他未作处理的数据)。下面定义的my_feature_column会传给Estimator用于解析features。

• 定义模型的特征列,即feature_columns

# Feature columns describe how to use the input.
my_feature_columns = []
for key in train_x.keys():
   my_feature_columns.append(tf.feature_column.numeric_column(key=key))

• 实例化 Estimator，指定特征列和各种超参数。

# Build a DNN with 2 hidden layers and 10 nodes in each hidden layer.
classifier = tf.estimator.DNNClassifier(
    feature_columns=my_feature_columns,
    # Two hidden layers of 10 nodes each.
    hidden_units=[10, 10],
    # The model must choose between 3 classes.
    n_classes=3)

注意在实例化Estimator的时候不用把数据传进来，你只需要把feature_columns传进来即可，告诉Estimator需要解析哪些特征值，而数据集需要在训练和评估模型的时候才传。

• 在 Estimator 对象上调用一个或多个方法，传递适当的输入函数作为数据的来源
  • train(训练)

  # Train the Model.
  classifier.train(
  	input_fn=lambda:iris_data.train_input_fn(train_x, train_y, args.batch_size),
  	steps=args.train_steps)
  

  • evaluate(评估)

  # Evaluate the model.
  eval_result = classifier.evaluate(
  	input_fn=lambda:iris_data.eval_input_fn(test_x, test_y, args.batch_size))
  
  print('\nTest set accuracy: {accuracy:0.3f}\n'.format(**eval_result))
  

  • predict(预测)

  # Generate predictions from the model
  expected = ['Setosa', 'Versicolor', 'Virginica']
  predict_x = {
  	'SepalLength': [5.1, 5.9, 6.9],
  	'SepalWidth': [3.3, 3.0, 3.1],
  	'PetalLength': [1.7, 4.2, 5.4],
  	'PetalWidth': [0.5, 1.5, 2.1],
  }
  
  predictions = classifier.predict(
  	input_fn=lambda:iris_data.eval_input_fn(predict_x,
  											batch_size=args.batch_size))
  

深入理解Estimator

上面的示例中简单地介绍了Estimator，网络使用的是预创建好的DNNClassifier,其他预创建网络结构有如下：

当然在实际任务中这些网络并不能满足我们的需求，所以我们需要能够使用自定义的网络结构，那么如何实现呢？我之前看官网的教程，反正看的有点蒙，因为时不时就又蹦出一个新的参数来实现不同功能，所以就纳闷到底有多少参数可以使用？没办法只能从源代码开始啃着硬骨头（其实也不硬。。。之前只是懒）。

从源代码来理解Estimator

Estimator的源代码如下（为方便说明，已经掐头去尾）：

class Estimator(object):
  def __init__(self, model_fn, model_dir=None, config=None, params=None, warm_start_from=None):
  ...

可以看到需要传入的参数如下：

• model_dir: 指定checkpoints和其他日志存放的路径。
• model_fn: 这个是需要我们自定义的网络模型函数，后面详细介绍
• config: 用于控制内部和checkpoints等，如果model_fn函数也定义config这个变量，则会将config传给model_fn
• params: 该参数的值会传递给model_fn。
• warm_start_from: 指定checkpoint路径，会导入该checkpoint开始训练

构建model_fn

模型函数一般定义如下：

def my_model_fn(
   features, 	# This is batch_features from input_fn,`Tensor` or dict of `Tensor` (depends on data passed to `fit`).
   labels,     # This is batch_labels from input_fn
   mode,      # An instance of tf.estimator.ModeKeys
   params,  	# Additional configuration
   config=None
   ):

• 前两个参数是从输入函数中返回的特征和标签批次；也就是说，features 和 labels 是模型将使用的数据。
• params 是一个字典，它可以传入许多参数用来构建网络或者定义训练方式等。例如通过设置params['n_classes']来定义最终输出节点的个数等。
• config 通常用来控制checkpoint或者分布式什么，这里不深入研究。
• mode 参数表示调用程序是请求训练、评估还是预测，分别通过tf.estimator.ModeKeys.TRAIN / EVAL / PREDICT 来定义。另外通过观察DNNClassifier的源代码可以看到，mode这个参数并不用手动传入，因为Estimator会自动调整。例如当你调用estimator.train(...)的时候，mode则会被赋值tf.estimator.ModeKeys.TRAIN。

model_fn需要对于不同的模式提供不同的处理方式，并且都需要返回一个tf.estimator.EstimatorSpec的实例。

咋听起来可能有点不知所云，大白话版本就是：模型有训练，验证和测试三种阶段，而且对于不同模式，对数据有不同的处理方式。例如在训练阶段，我们需要将数据喂给模型，模型基于输入数据给出预测值，然后我们在通过预测值和真实值计算出loss，最后用loss更新网络参数，而在评估阶段，我们则不需要反向传播更新网络参数，换句话说，mdoel_fn需要对三种模式设置三套代码。

另外model_fn需要返回什么东西呢？Estimator规定model_fn需要返回tf.estimator.EstimatorSpec，这样它才好更具一般化的进行处理。

Config

此处的config需要传入tf.estimator.RunConfig,其源代码如下：

class RunConfig(object):
  """This class specifies the configurations for an `Estimator` run."""

  def __init__(self,
               model_dir=None,
               tf_random_seed=None,
               save_summary_steps=100,
               save_checkpoints_steps=_USE_DEFAULT,
               save_checkpoints_secs=_USE_DEFAULT,
               session_config=None,
               keep_checkpoint_max=5,
               keep_checkpoint_every_n_hours=10000,
               log_step_count_steps=100,
               train_distribute=None,
               device_fn=None,
               protocol=None,
               eval_distribute=None,
               experimental_distribute=None,
               experimental_max_worker_delay_secs=None,
               session_creation_timeout_secs=7200):

• model_dir: 指定存储模型参数，graph等的路径
• save_summary_steps: 每隔多少step就存一次Summaries，不知道summary是啥
• save_checkpoints_steps:每隔多少个step就存一次checkpoint
• save_checkpoints_secs: 每隔多少秒就存一次checkpoint，不可以和save_checkpoints_steps同时指定。如果二者都不指定，则使用默认值，即每600秒存一次。如果二者都设置为None，则不存checkpoints。

注意上面三个**save-**参数会控制保存checkpoints（模型结构和参数）和event文件（用于tensorboard），如果你都不想保存，那么你需要将这三个参数都置为FALSE

• keep_checkpoint_max：指定最多保留多少个checkpoints，也就是说当超出指定数量后会将旧的checkpoint删除。当设置为None或0时，则保留所有checkpoints。
• keep_checkpoint_every_n_hours：
• log_step_count_steps:该参数的作用是,(相对于总的step数而言)指定每隔多少step就记录一次训练过程中loss的值，同时也会记录global steps/s，通过这个也可以得到模型训练的速度快慢。（天啦，终于找到这个参数了。。。。之前用TPU测模型速度，每次都得等好久才输出一次global steps/s的数据。。。蓝瘦香菇）

后面这些参数与分布式有关，以后有时间再慢慢了解。

• train_distribute
• device_fn
• protocol
• eval_distribute
• experimental_distribute
• experimental_max_worker_delay_secs

什么是tf.estimator.EstimatorSpec？

传入参数

它是一个class(类)，是定义在model_fn中的，并且model_fn返回的也是它的一个实例，这个实例是用来初始化Estimator类的。其源代码如下:

class EstimatorSpec():
  def __new__(cls,
              mode,
              predictions=None,
              loss=None,
              train_op=None,
              eval_metric_ops=None,
              export_outputs=None,
              training_chief_hooks=None,
              training_hooks=None,
              scaffold=None,
              evaluation_hooks=None,
              prediction_hooks=None):

重要函数参数：

• mode：一个ModeKeys,指定是training(训练)、evaluation(计算)还是prediction(预测).
• predictions：Predictions Tensor or dict of Tensor.
• loss：Training loss Tensor. Must be either scalar, or with shape [1].
• train_op：适用于训练的步骤.
• eval_metric_ops: Dict of metric results keyed by name.
  
  The values of the dict can be one of the following:
  • (1) instance of Metric class.
  • (2) Results of calling a metric function, namely a (metric_tensor, update_op) tuple. metric_tensor should be evaluated without any impact on state (typically is a pure computation results based on variables.). For example, it should not trigger the update_op or requires any input fetching.

其他参数的作用可参见源代码说明

不同模式需要传入不同参数

根据mode的值的不同,需要不同的参数,即：

• 对于mode == ModeKeys.TRAIN：必填字段是loss和train_op.
• 对于mode == ModeKeys.EVAL：必填字段是loss.
• 对于mode == ModeKeys.PREDICT：必填字段是predictions.

上面的参数说明看起来还是一头雾水，下面给出例子帮助理解：

最简单的情况： predict

只需要传入mode和predictions

# Compute predictions.
predicted_classes = tf.argmax(logits, 1)
if mode == tf.estimator.ModeKeys.PREDICT:
    predictions = {
        'class_ids': predicted_classes[:, tf.newaxis],
        'probabilities': tf.nn.softmax(logits),
        'logits': logits,
    }
    return tf.estimator.EstimatorSpec(mode, predictions=predictions)

评估模式：eval

需要传入mode,loss,eval_metric_ops

如果调用 Estimator 的 evaluate 方法，则 model_fn 会收到 mode = ModeKeys.EVAL。在这种情况下，模型函数必须返回一个包含模型损失和一个或多个指标（可选）的 tf.estimator.EstimatorSpec。

loss示例如下：

# Compute loss.
loss = tf.losses.sparse_softmax_cross_entropy(labels=labels, logits=logits)

TensorFlow提供了一个指标模块tf.metrics来计算常用的指标，这里以accuracy为例：

# Compute evaluation metrics.
accuracy = tf.metrics.accuracy(labels=labels,
                               predictions=predicted_classes,
                               name='acc_op')

返回方式如下：

metrics = {'accuracy': accuracy}

if mode == tf.estimator.ModeKeys.EVAL:
    return tf.estimator.EstimatorSpec(
        mode, loss=loss, eval_metric_ops=metrics)

训练模式：train

需要传入mode,loss,train_op

loss同eval模式：

# Compute loss.
loss = tf.losses.sparse_softmax_cross_entropy(labels=labels, logits=logits)

train_op示例：

optimizer = tf.train.AdagradOptimizer(learning_rate=0.1)
train_op = optimizer.minimize(loss,global_step=tf.train.get_global_step())

返回值：

return tf.estimator.EstimatorSpec(mode, loss=loss, train_op=train_op)

通用模式

model_fn可以填充独立于模式的所有参数.在这种情况下,Estimator将忽略某些参数.在eval和infer模式中,train_op将被忽略.例子如下：

def my_model_fn(mode, features, labels):
  predictions = ...
  loss = ...
  train_op = ...
  return tf.estimator.EstimatorSpec(
      mode=mode,
      predictions=predictions,
      loss=loss,
      train_op=train_op)

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2019-7-23