TensorFlow有5个不同的层次结构：即硬件层，内核层，低阶API，中阶API，高阶API。本章我们将以线性回归为例，直观对比展示在低阶API，中阶API，高阶API这三个层级实现模型的特点。
TensorFlow的层次结构从低到高可以分成如下五层。
最底层为硬件层，TensorFlow支持CPU、GPU或TPU加入计算资源池。
第二层为C++实现的内核，kernel可以跨平台分布运行。
第三层为Python实现的操作符，提供了封装C++内核的低级API指令，主要包括各种张量操作算子、计算图、自动微分.
如tf.Variable,tf.constant,tf.function,tf.GradientTape,tf.nn.softmax...
如果把模型比作一个房子，那么第三层API就是【模型之砖】。
第四层为Python实现的模型组件，对低级API进行了函数封装，主要包括各种模型层，损失函数，优化器，数据管道，特征列等等。
如tf.keras.layers,tf.keras.losses,tf.keras.metrics,tf.keras.optimizers,tf.data.Dataset,tf.feature_column...
如果把模型比作一个房子，那么第四层API就是【模型之墙】。
第五层为Python实现的模型成品，一般为按照OOP方式封装的高级API，主要为tf.keras.models提供的模型的类接口。
如果把模型比作一个房子，那么第五层API就是模型本身，即【模型之屋】。
下面的范例使用TensorFlow的高阶API实现线性回归模型。
TensorFlow的高阶API主要为tf.keras.models提供的模型的类接口。
使用Keras接口有以下3种方式构建模型：使用Sequential按层顺序构建模型，使用函数式API构建任意结构模型，继承Model基类构建自定义模型。
此处分别演示使用Sequential按层顺序构建模型以及继承Model基类构建自定义模型。
一，面向新手教程
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import models,layers,optimizers
#样本数量
n = 800
# 生成测试用数据集
X = tf.random.uniform([n,2],minval=-10,maxval=10)
w0 = tf.constant([[2.0],[-1.0]])
b0 = tf.constant(3.0)
Y = X@w0 + b0 + tf.random.normal([n,1],mean = 0.0,stddev= 2.0) # @表示矩阵乘法,增加正态扰动
复制
tf.keras.backend.clear_session()
linear = models.Sequential()
linear.add(layers.Dense(1,input_shape =(2,)))
linear.summary()
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### 使用fit方法进行训练
linear.compile(optimizer="adam",loss="mse",metrics=["mae"])
linear.fit(X,Y,batch_size = 20,epochs = 200)
tf.print("w = ",linear.layers[0].kernel)
tf.print("b = ",linear.layers[0].bias)
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二，面向专家教程
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import models,layers,optimizers,losses,metrics
#打印时间分割线
@tf.function
def printbar():
ts = tf.timestamp()
today_ts = ts%(24*60*60)
hour = tf.cast(today_ts//3600+8,tf.int32)%tf.constant(24)
minite = tf.cast((today_ts%3600)//60,tf.int32)
second = tf.cast(tf.floor(today_ts%60),tf.int32)
def timeformat(m):
if tf.strings.length(tf.strings.format("{}",m))==1:
return(tf.strings.format("0{}",m))
else:
return(tf.strings.format("{}",m))
timestring = tf.strings.join([timeformat(hour),timeformat(minite),
timeformat(second)],separator = ":")
tf.print("=========="*8,end = "")
tf.print(timestring)
复制
#样本数量
n = 800
# 生成测试用数据集
X = tf.random.uniform([n,2],minval=-10,maxval=10)
w0 = tf.constant([[2.0],[-1.0]])
b0 = tf.constant(3.0)
Y = X@w0 + b0 + tf.random.normal([n,1],mean = 0.0,stddev= 2.0) # @表示矩阵乘法,增加正态扰动
ds_train = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((X[0:n*3//4,:],Y[0:n*3//4,:])) \
.shuffle(buffer_size = 1000).batch(20) \
.prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE) \
.cache()
ds_valid = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((X[n*3//4:,:],Y[n*3//4:,:])) \
.shuffle(buffer_size = 1000).batch(20) \
.prefetch(tf.data.experimental.AUTOTUNE) \
.cache()
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tf.keras.backend.clear_session()
class MyModel(models.Model):
def __init__(self):
super(MyModel, self).__init__()
def build(self,input_shape):
self.dense1 = layers.Dense(1)
super(MyModel,self).build(input_shape)
def call(self, x):
y = self.dense1(x)
return(y)
model = MyModel()
model.build(input_shape =(None,2))
model.summary()
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### 自定义训练循环(专家教程)
optimizer = optimizers.Adam()
loss_func = losses.MeanSquaredError()
train_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='train_loss')
train_metric = tf.keras.metrics.MeanAbsoluteError(name='train_mae')
valid_loss = tf.keras.metrics.Mean(name='valid_loss')
valid_metric = tf.keras.metrics.MeanAbsoluteError(name='valid_mae')
@tf.function
def train_step(model, features, labels):
with tf.GradientTape() as tape:
predictions = model(features)
loss = loss_func(labels, predictions)
gradients = tape.gradient(loss, model.trainable_variables)
optimizer.apply_gradients(zip(gradients, model.trainable_variables))
train_loss.update_state(loss)
train_metric.update_state(labels, predictions)
@tf.function
def valid_step(model, features, labels):
predictions = model(features)
batch_loss = loss_func(labels, predictions)
valid_loss.update_state(batch_loss)
valid_metric.update_state(labels, predictions)
@tf.function
def train_model(model,ds_train,ds_valid,epochs):
for epoch in tf.range(1,epochs+1):
for features, labels in ds_train:
train_step(model,features,labels)
for features, labels in ds_valid:
valid_step(model,features,labels)
logs = 'Epoch={},Loss:{},MAE:{},Valid Loss:{},Valid MAE:{}'
if epoch%100 ==0:
printbar()
tf.print(tf.strings.format(logs,
(epoch,train_loss.result(),train_metric.result(),valid_loss.result(),valid_metric.result())))
tf.print("w=",model.layers[0].kernel)
tf.print("b=",model.layers[0].bias)
tf.print("")
train_loss.reset_states()
valid_loss.reset_states()
train_metric.reset_states()
valid_metric.reset_states()
train_model(model,ds_train,ds_valid,400)
复制