TensorFlow.js 中的核心概念-原创手记-慕课网

TensorFlow.js 是一个开源的用于开发机器学习项目的 WebGL-accelerated javascript 库。TensorFlow.js 可以为你提供高性能的、易于使用的机器学习构建模块，允许你在浏览器上训练模型，或以推断模式运行预训练的模型。TensorFlow.js 不仅可以提供低级的机器学习构建模块，还可以提供高级的类似 Keras 的 API 来构建神经网络。

一、张量：tensors

tensor 是 TensorFlow.js 的数据中心单元：由一组数值组成的一维或多维数组。Tensor 实例的 shape 属性定义了这个数组的形状（例如：数组的每个维度有多少个值）。

最主要的 Tensor 构造函数是 tf.tensor 函数

// 2x3 Tensorconst shape = [2, 3]; // 可以看做是两行三列组成const a = tf.tensor([1.0, 2.0, 3.0, 10.0, 20.0, 30.0], shape);
a.print(); 
// Output: [[1 , 2 , 3 ],//          [10, 20, 30]]// The shape can also be inferred:const b = tf.tensor([[1.0, 2.0, 3.0], [10.0, 20.0, 30.0]]);
b.print();// Output: [[1 , 2 , 3 ],//          [10, 20, 30]]

但是，在构建低阶张量时，为了提高代码的可读性，我们推荐使用下列的函数：

// 0阶张量，即标量tf.scalar(3.14).print(); // 3.140000104904175， 默认dtype 是 float32tf.scalar(3.14, 'float32').print(); // 3.140000104904175tf.scalar(3.14, 'int32').print(); // 3tf.scalar(3.14, 'bool').print(); // 1// 1阶张量tf.tensor1d([1, 2, 3]).print(); // [1, 2, 3]// 2阶张量// Pass a nested array.tf.tensor2d([[1, 2], [3, 4]]).print();// Pass a flat array and specify a shape.tf.tensor2d([1, 2, 3, 4], [2, 2]).print();// ouput//    [[1, 2],//   [3, 4]]// 3阶张量// Pass a nested array.tf.tensor3d([[[1], [2]], [[3], [4]]]).print();// Pass a flat array and specify a shape.tf.tensor3d([1, 2, 3, 4], [2, 2, 1]).print();// output//    [[[1],//      [2]],//     [[3],//      [4]]]// 4阶张量// Pass a nested array.tf.tensor4d([[[[1], [2]], [[3], [4]]]]).print();// Pass a flat array and specify a shape.tf.tensor4d([1, 2, 3, 4], [1, 2, 2, 1]).print();// output//    [[[[1],//       [2]],//      [[3],//       [4]]]]

上述 5个低阶张量的表示方法，除了 scalar 和 tensor1d 两方法没有 shape 属性外，其它的都会传入values、shape、dtype 三个参数，注意有无 shape 传入时，values 的表示方式。
TensorFlow.js 也提供了把 Tensor 实例中的所有元素的值重置为 0 和 1 方法：

// 3x5 Tensor with all values set to 0const zeros = tf.zeros([3, 5]);// Output: [[0, 0, 0, 0, 0],//          [0, 0, 0, 0, 0],//          [0, 0, 0, 0, 0]]// 2X2 Tensor with all values set to 1tf.ones([2, 2]).print(); 
// output //     [[1, 1],//     [1, 1]]

在 TensorFlow.js 中，张量值是不可改变的；一旦创建，你就不能改变它的值。相反，如果你执行 operations（ops）操作，就可以生成新的张量值。

二、变量：variables

variables 是用一个张量值初始化的。不像张量（tensor），值不可改变。你可以使用 assign 方法给一个存在的变量（variable）分配一个新的张量：

const initialValues = tf.zeros([5]);const biases = tf.variable(initialValues); // 初始化偏差（距离原点的截距或偏移）biases.print(); // output: [0, 0, 0, 0, 0]const updatedValues = tf.tensor1d([0, 1, 0, 1, 0]);
biases.assign(updatedValues); // update values of biasesbiases.print(); // output: [0, 1, 0, 1, 0]

变量（variable）主要是用于在模型训练时，进行数据的保存和更新。

三、操作：operations（ops）

tensors 可以用保存数据，而 operations 可以操作数据。TensorFlow.js 提供了多种适用于张量的线性代数和机器学习的运算的 operations。由于张量是不可改变的，所以 operations 操作并不会改变 tensors 的值，而是返回新的张量。
1、operations 提供了类似 square 等一元运算：

const x = tf.tensor1d([1, 2, Math.sqrt(2), -1]);
x.square().print();  // or tf.square(x)// [1, 4, 1.9999999, 1]const x = tf.tensor1d([1, 2, 4, -1]);
x.sqrt().print();  // or tf.sqrt(x)// [1, 1.4142135, 2, NaN]

2、operations 提供了类似 add、sub 等二元运算：

const a = tf.tensor1d([1, 2, 3, 4]);const b = tf.tensor1d([10, 20, 30, 40]);

a.add(b).print();  // or tf.add(a, b)// [11, 22, 33, 44]

3、支持链式操作：

const e = tf.tensor2d([[1.0, 2.0], [3.0, 4.0]]);const f = tf.tensor2d([[5.0, 6.0], [7.0, 8.0]])const sq_sum = e.add(f).square();
sq_sum.print();// Output: [[36 , 64 ],//          [100, 144]]// 所有的操作都暴露在函数的命名空间中，也可以进行下面操作，得到相同的结果const sq_sum = tf.square(tf.add(e, f));

四、模型和层

从概念上看，一个模型就是一个函数，给定相应输入得到期望的输出。
在 TensorFlow.js 中，有两种创建模型的方式：
1、通过使用 ops 直接创建模型

// Define functionfunction predict(input) {  // y = a * x ^ 2 + b * x + c
  return tf.tidy(() => {    const x = tf.scalar(input);    const ax2 = a.mul(x.square());    const bx = b.mul(x);    const y = ax2.add(bx).add(c);    return y;
  });
}// Define constants: y = 2x^2 + 4x + 8const a = tf.scalar(2);const b = tf.scalar(4);const c = tf.scalar(8);// Predict output for input of 2const result = predict(2);
result.print() // Output: 24

这是一个二元方程式求解的表示法。
2、也可以使用高级 API tf.model 来构建以层定义的模型，这在深度学习中是一种常用的抽象形式
下面简单的线性回归的定义为例：

const model = tf.sequential();
model.add(
  tf.layers.simpleRNN({
    units: 20,
    recurrentInitializer: 'GlorotNormal',
    inputShape: [80, 4]
  })
);const optimizer = tf.train.sgd(LEARNING_RATE);
model.compile({optimizer, loss: 'categoricalCrossentropy'});
model.fit({x: data, y: labels)});

上述例子中通过创建一个线性回归模型，调用 simpleRNN 层，通过 sgd 优化算法训练，得到期望效果。
在 TensorFlow.js 中有很多不同类型的层（layers）表示法，例如 tf.layers.simpleRNN, tf.layers.gru, 和tf.layers.lstm等等。

五、内存管理：dispose 和 tf.tidy

由于，tensorFlow.js 使用了 GPU 加速数学运算，在使用张量和变量时，管理 GPU 的内存是必不可少的。
TensorFlow.js 提供了 dispose 和 tf.tidy 两个函数来帮助处理内存：
1、dispose
你可以调用一个张量或变量来清除和释放它的 GPU 内存。

const x = tf.tensor2d([[0.0, 2.0], [4.0, 6.0]]);const x_squared = x.square();

x.dispose();
x_squared.dispose();

2、tf.tidy
在做大量张量操作时，使用 dispose 可能很笨重。TensorFlow.js 提供了另一个功能 tf.tidy，它在 JavaScript 中扮演着类似的角色，除了 gpu 支持的张量。
tf.tidy 会执行一个功能，清除任何创建的中间张量，释放它们的 GPU 内存。但它不会清除内部函数的返回值。

// tf.tidy takes a function to tidy up afterconst average = tf.tidy(() => {// tf.tidy 会清除在这个函数内的张量使用的所有GPU内存，而不是返回的张量。// 即使在像下面这样的一个简短的操作序列中，也会创建一些中间的张量。所以，把 ops 放在 tidy 函数中是一个好的选择

  const y = tf.tensor1d([1.0, 2.0, 3.0, 4.0]);  const z = tf.ones([4]);  return y.sub(z).square().mean();
});

average.print() // Output: 3.5

使用 tf.tidy 将有助于防止应用程序中的内存泄漏。当内存被回收时，它也可以用来更小心地控制。

3、两个注意点

传递给 tf.tidy 函数是同步的，不会返回一个 Promise 对象。建议保留更新UI的代码，或者在tf.tidy之外发出远程请求。
tf.tidy 不会清理变量。变量通常贯穿于机器学习模型的整个生命周期中，在 TensorFlow.js 中，即使是在 tf.tidy 里创建，js也不会清理它们；但是，你可以手动调用 dispose。

六、补充

类似还有Environment、Constraints、Initializers、Regularizers.

作者：贵在随心
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