• TensorFlow——共享变量的使用方法


    1.共享变量用途

    在构建模型时,需要使用tf.Variable来创建一个变量(也可以理解成节点)。当两个模型一起训练时,一个模型需要使用其他模型创建的变量,比如,对抗网络中的生成器和判别器。如果使用tf.Variable,将会生成一个新的变量,而我们需要使用原来的那个变量。这时就是通过引入get_Variable方法,实现共享变量来解决这个问题。这种方法可以使用多套网络模型来训练一套权重。

    2.使用get_Variable获取变量

    get_Variable一般会配合Variable_scope一起使用,以实现共享变量。Variable_scope的含义是变量作用域。在某一作用域中的变量可以被设置成共享的方式,被其他网络模型使用。

    get_Variable函数的定义如下:

    tf.get_Variable(<name>, <shape>, <initializer>)

    在TensorFlow里,使用get_Variable时候生成的变量是以指定的name属性为唯一标识,并不是定义的变量名称。使用时一般是通过name属性定位到具体变量,并将其共享到其他的模型中。

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    
    var1 = tf.Variable(1.0, name='first_var')
    print("var1: ", var1.name)
    
    var1 = tf.Variable(2.0, name='first_var')
    print('var1: ', var1.name)
    
    var2 = tf.Variable(3.0)
    print('var2: ', var2.name)
    
    var2 = tf.Variable(4.0)
    print('var1: ', var2.name)
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        print("var1=", var1.eval())
        print("var2=", var2.eval())
        print()

    在上述的代码中,,可以看到内存中有两个var1,并且他们的name是不一样的,对于图来说,后面的var1是生效的。当Variable定义没有指定名字时,系统会自动的加上一个名字Variable:0

    3.get_Variable用法演示

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    
    get_var1 = tf.get_variable('firat_var_1', [1], initializer=tf.constant_initializer(2))
    print("var1: ", get_var1.name)
    
    get_var1 = tf.get_variable('firat_var_2', [1], initializer=tf.constant_initializer(3))
    print("var1: ", get_var1.name)
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        print("var1=", get_var1.name)
        print("var1=", get_var1.eval())

    使用不同的name定义变量,当使用相同的name时,会抛出异常,变量名可以相同,但是name是不能相同的。

    如果要使用相同的name的话,我们需要使用variable_scope将他们隔开,看如下代码:

    import tensorflow as tf
    
    with tf.variable_scope('test_1'):
        var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
    with tf.variable_scope('test_2'):
        var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
    print("var1:", var1.name)
    print("var1:", var1.name)

    根据程序的运行结果,我们可以发现变量的名字加上了作用域的名称,这样使得我们能够在不同的作用域下面定义name相同的变量,同时,scope还支持嵌套定义,

    with tf.variable_scope('test_0'):
        with tf.variable_scope('test_1'):
            var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
        with tf.variable_scope('test_2'):
            var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
    print("var1:", var1.name)
    print("var1:", var1.name)

    4.共享作用域

    使用作用域中的参数reuse可以实现共享变量功能

    在variable_scope里面有一个reuse=True属性,表示使用已经定义过的变量,这时,get_variable将不会在创建新的变量,而是去图中get_variable所创建的变量中找与name相同的变量。

    import tensorflow as tf
    
    with tf.variable_scope('test_0'):
        var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
        with tf.variable_scope('test_2'):
            var2 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
    with tf.variable_scope('test_0', reuse=True):
        var3 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
        with tf.variable_scope('test_2'):
            var4 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
    
    
    print("var1:", var1.name)
    print("var2:", var2.name)
    
    print("var3:", var3.name)
    print("var4:", var4.name)

    在上述的输出结果中,我们可以看到,var1和var3的名字一样,var2和var4的名字一样,则表明他们是同一个变量,如此就实现了变量的共享。在实际应用中,可以将1,2和3,4分别放在不同的模型进行训练,但是他们会作用于同一个模型的学习参数上。

    使用anaconda的spyder工具运行时,代码只能运行一次,第二次运行将会报错。可以退出当前的kernel,再重新进入一下,因为tf.get_varibale在创建变量时,会去检查图中是否已经创建过该变量,如果创建过且不是共享的方式,则会报错。

    因而可以使用tf.reset_default_graph(),将图里面的变量清空,就可以解决这个问题。

    5.初始化共享变量

    variable_scope和get_variable都具有初始化的功能。在初始化时,如果没有对当前变量初始化,则TensorFlow会默认使用作用域的初始化,并且作用域的初始化方法也有继承功能。

    import tensorflow as tf
    
    with tf.variable_scope('test_0', initializer=tf.constant_initializer(0.15)):
        var1 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
        with tf.variable_scope('test_2'):
            var2 = tf.get_variable('first_var', shape=[2], dtype=tf.float32)
            var3 = tf.get_variable('first_var_2', shape=[2], initializer=tf.constant_initializer(0.315))
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        print("var1:", var1.eval())
        print("var2:", var2.eval())
        print("var3:", var3.eval())

    当变量没有进行初始化时,会继承它的域的初始化方式,域也会继承它的上一级的域的初始化方式。在多模型训练时,常常可以对模型中的张量进行分区,同时,同一进行初始化。在变量共享方面,可以使用tf.AUTO_REUSE来为reuse属性赋值。tf。AUTO_REUSE可以实现第一次调用variable_scope时,传入reuse的值为false,再次调用时,reuse的值为True。

    6.作用域与操作符的受限范围

    variable_scope还可以使用with variable_scope as xxxscope的方式定义作用域,当使用这种方式时,将不会在受到外层的scope所限制。

    import tensorflow as tf
    
    with tf.variable_scope('test2', initializer=tf.constant_initializer(1.5)) as sp:
        var1 = tf.get_variable('var1', [2], dtype=tf.float32)
    
    print(sp.name)
    print(var1.name)
    
    with tf.variable_scope('test1', dtype=tf.float32, initializer=tf.constant_initializer(5.5)):
        var2 = tf.get_variable('var1', [2], dtype=tf.float32)
        with tf.variable_scope(sp) as sp1:
            var3 = tf.get_variable('var2', [2], dtype=tf.float32)
    
    print("var2:", var2.name)
    
    
    print("var3:", var3.name)
    
    
    with tf.Session() as sess:
        sess.run(tf.global_variables_initializer())
        print("var2:", var2.eval())
        print("var2:", var3.eval())

    通过with tf.variable_scope(sp) as sp1我们可知其没有收到外层的作用域所限制,初始化的操作时,它的值不是外层作用域的初始化值,而是指定的作用域的初始化的值。

    对于操作符而言,不仅收到tf.name_scope限制还收到tf.variable_scope限制。

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    with tf.variable_scope('scope'):
        with tf.name_scope('op'):
            v = tf.get_variable('var1', [1])
            x = v + 2.0
    
    print("v:", v.name)
    print('x', x.name)

    根据结果,我们可知,通过添加tf.name_scope('op'):作用域时,变量的命名并没有收到限制,只是改变了op的命名,通过tf.name_scope(''):还可以返回到顶层的作用域中。

    import tensorflow as tf
    import numpy as np
    
    with tf.variable_scope('scope'):
        var1 = tf.get_variable("v", [1])
    
        with tf.variable_scope('scope_1'):
            var2 = tf.get_variable("v", [1])
    
            with tf.name_scope(''):
                var3 = tf.get_variable('var1', [1])
                x = var3 + 2.0
    
    print("var1 ", var1.name)
    print('var2 ', var2.name)
    print('var3 ', var3.name)
    print('x ', x.name)

    通过将通过tf.name_scope('')设置为空,对于变量名是没有影响,但是可以看到x的命名,它已经变成了最外层的命名了。

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