TensorFlow学习笔记1：graph、session和op

graph即tf.Graph()，session即tf.Session()，很多人经常将两者混淆，其实二者完全不是同一个东西。

graph定义了计算方式，是一些加减乘除等运算的组合，类似于一个函数。它本身不会进行任何计算，也不保存任何中间计算结果。
session用来运行一个graph，或者运行graph的一部分。它类似于一个执行者，给graph灌入输入数据，得到输出，并保存中间的计算结果。同时它也给graph分配计算资源（如内存、显卡等）。

TensorFlow是一种符号式编程框架，首先要构造一个图（graph），然后在这个图上做运算。打个比方，graph就像一条生产线，session就像生产者。生产线具有一系列的加工步骤（加减乘除等运算），生产者把原料投进去，就能得到产品。不同生产者都可以使用这条生产线，只要他们的加工步骤是一样的就行。同样的，一个graph可以供多个session使用，而一个session不一定需要使用graph的全部，可以只使用其中的一部分。

关于graph

定义一个图：graph

g = tf.Graph()
a = tf.constant(2)
b = tf.constant(3)
x = tf.add(a, b)

上面就定义了一个graph。tensorflow会默认给我们建立一个graph，所以g = tf.Graph()这句其实是可以省略的。上面的graph包含3个操作，即op，但凡是op，都需要通过session运行之后，才能得到结果。如果你直接执行print(a)，那么输出结果是：

Tensor("a:0", shape=(), dtype=int32)

是一个张量（Tensor）。如果你执行print(tf.Session().run(a))，才能得到2.

关于子图：subgraph

你可以定义多个graph，例如一个graph实现z = x + y，另一个graph实现u = 2 * v

g1 = tf.Graph()
g2 = tf.Graph()
with g1.as_default():
    x = tf.constant(2)
    y = tf.constant(3)
    z = tf.add(x, y)
with g2.as_default():
    v = tf.constant(4)
    u = tf.mul(2, v)

但通常不建议这么做，原因如下：

运行多个graph需要多个session，而每个session会试图耗尽所有的计算资源，开销太大；
graph之间没有数据通道，要人为通过python/numpy传数据；

事实上，你可以把所有的op都定义在一个graph中：

x = tf.constant(2)
y = tf.constant(3)
z = tf.add(x, y)
v = tf.constant(4)
u = tf.mul(2, v)

从上面graph的定义可以看到，x/y/z是一波，u/v是另一波，二者没有任何交集。这相当于在一个graph里有两个独立的subgraph。当你要计算z = x + y时，执行tf.Session().run(z)；当你想计算u = 2 * v，就执行tf.Session().run(u)，二者完全独立。但更重要的是，二者在同一个session上运行，系统会均衡地给两个subgraph分配合适的计算资源。

关于session

通常我们会显示地定义一个session来运行graph：

x = tf.constant(2)
y = tf.constant(3)
z = tf.add(x, y)

with tf.Session() as sess:
    result = sess.run(z)
    print(result)

输出结果是5。

关于op

tensorflow是一个符号式编程的框架，首先要定义一个graph，然后用一个session来运行这个graph得到结果。graph就是由一系列op构成的。上面的tf.constant()，tf.add()，tf.mul()都是op，都要现用session运行，才能得到结果。

很多人会以为tf.Variable()也是op，其实不是的。tensorflow里，首字母大写的类，首字母小写的才是op。tf.Variable()就是一个类，不过它包含了各种op，比如你定义了x = tf.Variable([2, 3], name = 'vector')，那么x就具有如下op：

x.initializer # 对x做初始化，即赋值为初始值[2, 3]
x.value() # 获取x的值
x.assign(...) # 赋值操作
x.assign_add(...) # 加法操作

tf.Variable()必须先初始化，再做运算，否则会报错。下面的写法就不是很安全，容易导致错误：

W = tf.Variable(tf.truncated_normal([700, 10]))
U = tf.Variable(2 * W)

要把W赋值给U，必须现把W初始化。但很多人往往忘记初始化，从而出错。保险起见，应该按照下面这样写：

W = tf.Variable(tf.truncated_normal([700, 10]))
U = tf.Variable(2 * W.intialized_value())

一个特殊的op: tf.placeholder()

placeholder，翻译过来就是占位符。其实它类似于函数里的自变量。比如z = x + y，那么x和y就可以定义成占位符。占位符，顾名思义，就这是占一个位子，平时不用关心它们的值，当你做运算的时候，你再把你的数据灌进去就行了。是不是和自变量很像？看下面的代码：

a = tf.placeholder(tf.float32, shape=[3]) # a是一个3维向量
b = tf.constant([5, 5, 5], tf.float32)
c = a + b
with tf.Session() as sess:
    print sess.run(c, feed_dict = {a: [1, 2, 3]}) # 把[1, 2, 3]灌到a里去

输出结果是[6, 7, 8]。上面代码中出现了feed_dict的概念，其实就是用[1, 2, 3]代替a的意思。相当于在本轮计算中，自变量a的取值为[1, 2, 3]。其实不仅仅是tf.placeholder才可以用feed_dict，很多op都可以。只要tf.Graph.is_feedable(tensor)返回值是True，那么这个tensor就可用用feed_dict来灌入数据。

tf.constant()是直接定义在graph里的，它是graph的一部分，会随着graph一起加载。如果通过tf.constant()定义了一个维度很高的张量，那么graph占用的内存就会变大，加载也会变慢。而tf.placeholder就没有这个问题，所以如果数据维度很高的话，定义成tf.placeholder是更好的选择。

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