【tensorflow2.0】三种计算图

有三种计算图的构建方式：静态计算图，动态计算图，以及Autograph.

在TensorFlow1.0时代，采用的是静态计算图，需要先使用TensorFlow的各种算子创建计算图，然后再开启一个会话Session，显式执行计算图。

而在TensorFlow2.0时代，采用的是动态计算图，即每使用一个算子后，该算子会被动态加入到隐含的默认计算图中立即执行得到结果，而无需开启Session。

使用动态计算图即Eager Excution的好处是方便调试程序，它会让TensorFlow代码的表现和Python原生代码的表现一样，写起来就像写numpy一样，各种日志打印，控制流全部都是可以使用的。

使用动态计算图的缺点是运行效率相对会低一些。因为使用动态图会有许多次Python进程和TensorFlow的C++进程之间的通信。而静态计算图构建完成之后几乎全部在TensorFlow内核上使用C++代码执行，效率更高。此外静态图会对计算步骤进行一定的优化，剪去和结果无关的计算步骤。

如果需要在TensorFlow2.0中使用静态图，可以使用@tf.function装饰器将普通Python函数转换成对应的TensorFlow计算图构建代码。运行该函数就相当于在TensorFlow1.0中用Session执行代码。使用tf.function构建静态图的方式叫做 Autograph.

一，计算图简介

计算图由节点(nodes)和线(edges)组成。

节点表示操作符Operator，或者称之为算子，线表示计算间的依赖。

实线表示有数据传递依赖，传递的数据即张量。

虚线通常可以表示控制依赖，即执行先后顺序。

二，静态计算图

在TensorFlow1.0中，使用静态计算图分两步，第一步定义计算图，第二步在会话中执行计算图。

TensorFlow 1.0静态计算图范例

import tensorflow as tf
 
# 定义计算图
g = tf.Graph()
with g.as_default():
    #placeholder为占位符，执行会话时候指定填充对象
    x = tf.placeholder(name='x', shape=[], dtype=tf.string)  
    y = tf.placeholder(name='y', shape=[], dtype=tf.string)
    z = tf.string_join([x,y],name = 'join',separator=' ')
 
# 执行计算图
with tf.Session(graph = g) as sess:
    print(sess.run(fetches = z,feed_dict = {x:"hello",y:"world"}))

TensorFlow2.0 怀旧版静态计算图

TensorFlow2.0为了确保对老版本tensorflow项目的兼容性，在tf.compat.v1子模块中保留了对TensorFlow1.0那种静态计算图构建风格的支持。

可称之为怀旧版静态计算图，已经不推荐使用了

import tensorflow as tf
 
g = tf.compat.v1.Graph()
with g.as_default():
    x = tf.compat.v1.placeholder(name='x', shape=[], dtype=tf.string)
    y = tf.compat.v1.placeholder(name='y', shape=[], dtype=tf.string)
    z = tf.strings.join([x,y],name = "join",separator = " ")
 
with tf.compat.v1.Session(graph = g) as sess:
    # fetches的结果非常像一个函数的返回值，而feed_dict中的占位符相当于函数的参数序列。
    result = sess.run(fetches = z,feed_dict = {x:"hello",y:"world"})
    print(result)

b'hello world'

三，动态计算图

在TensorFlow2.0中，使用的是动态计算图和Autograph.

在TensorFlow1.0中，使用静态计算图分两步，第一步定义计算图，第二步在会话中执行计算图。

动态计算图已经不区分计算图的定义和执行了，而是定义后立即执行。因此称之为 Eager Excution.

Eager这个英文单词的原意是"迫不及待的"，也就是立即执行的意思。

# 动态计算图在每个算子处都进行构建，构建后立即执行
 
x = tf.constant("hello")
y = tf.constant("world")
z = tf.strings.join([x,y],separator=" ")
 
tf.print(z)

hello world

# 可以将动态计算图代码的输入和输出关系封装成函数
 
def strjoin(x,y):
    z =  tf.strings.join([x,y],separator = " ")
    tf.print(z)
    return z
 
result = strjoin(tf.constant("hello"),tf.constant("world"))
print(result)

hello world

tf.Tensor(b'hello world', shape=(), dtype=string)

四，TensorFlow2.0的Autograph

动态计算图运行效率相对较低。

可以用@tf.function装饰器将普通Python函数转换成和TensorFlow1.0对应的静态计算图构建代码。

在TensorFlow1.0中，使用计算图分两步，第一步定义计算图，第二步在会话中执行计算图。

在TensorFlow2.0中，如果采用Autograph的方式使用计算图，第一步定义计算图变成了定义函数，第二步执行计算图变成了调用函数。

不需要使用会话了，一些都像原始的Python语法一样自然。

实践中，我们一般会先用动态计算图调试代码，然后在需要提高性能的的地方利用@tf.function切换成Autograph获得更高的效率。

当然，@tf.function的使用需要遵循一定的规范，我们后面章节将重点介绍。

import tensorflow as tf
 
# 使用autograph构建静态图
 
@tf.function
def strjoin(x,y):
    z =  tf.strings.join([x,y],separator = " ")
    tf.print(z)
    return z
 
result = strjoin(tf.constant("hello"),tf.constant("world"))
print(result)

hello world
tf.Tensor(b'hello world', shape=(), dtype=string)

import datetime
 
# 创建日志
stamp = datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d-%H%M%S")
logdir = './data/autograph/%s' % stamp
writer = tf.summary.create_file_writer(logdir)
 
# 开启autograph跟踪
tf.summary.trace_on(graph=True, profiler=True) 
 
# 执行autograph
result = strjoin("hello","world")
 
# 将计算图信息写入日志
with writer.as_default():
    tf.summary.trace_export(
        name="autograph",
        step=0,
        profiler_outdir=logdir)
# 启动 tensorboard在jupyter中的魔法命令
%load_ext tensorboard
# 启动tensorboard
%tensorboard --logdir ./data/autograph/

参考：

开源电子书地址：https://lyhue1991.github.io/eat_tensorflow2_in_30_days/

GitHub 项目地址：https://github.com/lyhue1991/eat_tensorflow2_in_30_days