TensorFlow读写数据

前言

只有光头才能变强。

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回顾前面：

• 从零开始学TensorFlow【01-搭建环境、HelloWorld篇】
• 什么是TensorFlow？

众所周知，要训练出一个模型，首先我们得有数据。我们第一个例子中，直接使用dataset的api去加载mnist的数据。(minst的数据要么我们是提前下载好，放在对应的目录上，要么就根据他给的url直接从网上下载)。

一般来说，我们使用TensorFlow是从TFRecord文件中读取数据的。

TFRecord 文件格式是一种面向记录的简单二进制格式，很多 TensorFlow 应用采用此格式来训练数据

所以，这篇文章来聊聊怎么读取TFRecord文件的数据。

一、入门对数据集的数据进行读和写

首先，我们来体验一下怎么造一个TFRecord文件，怎么从TFRecord文件中读取数据，遍历(消费)这些数据。

1.1 造一个TFRecord文件

现在，我们还没有TFRecord文件，我们可以自己简单写一个：

def write_sample_to_tfrecord():
    gmv_values = np.arange(10)
    click_values = np.arange(10)
    label_values = np.arange(10)

    with tf.python_io.TFRecordWriter("/Users/zhongfucheng/data/fashin/demo.tfrecord", options=None) as writer:
        for _ in range(10):
            feature_internal = {
                "gmv": tf.train.Feature(float_list=tf.train.FloatList(value=[gmv_values[_]])),
                "click": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[click_values[_]])),
                "label": tf.train.Feature(int64_list=tf.train.Int64List(value=[label_values[_]]))
            }
            features_extern = tf.train.Features(feature=feature_internal)

            # 使用tf.train.Example将features编码数据封装成特定的PB协议格式
            # example = tf.train.Example(features=tf.train.Features(feature=features_extern))
            example = tf.train.Example(features=features_extern)

            # 将example数据系列化为字符串
            example_str = example.SerializeToString()

            # 将系列化为字符串的example数据写入协议缓冲区
            writer.write(example_str)


if __name__ == '__main__':
    write_sample_to_tfrecord()

我相信大家代码应该是能够看得懂的，其实就是分了几步：

• 生成TFRecord Writer
• tf.train.Feature生成协议信息
• 使用tf.train.Example将features编码数据封装成特定的PB协议格式
• 将example数据系列化为字符串
• 将系列化为字符串的example数据写入协议缓冲区

参考资料：

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/31992460

ok，现在我们就有了一个TFRecord文件啦。

1.2 读取TFRecord文件

• 其实就是通过tf.data.TFRecordDataset这个api来读取到TFRecord文件，生成处dataset对象

• 对dataset进行处理(shape处理，格式处理...等等)

• 使用迭代器对dataset进行消费(遍历)

demo代码如下：

import tensorflow as tf


def read_tensorflow_tfrecord_files():
    # 定义消费缓冲区协议的parser,作为dataset.map()方法中传入的lambda:
    def _parse_function(single_sample):
        features = {
            "gmv": tf.FixedLenFeature([1], tf.float32),
            "click": tf.FixedLenFeature([1], tf.int64),  # ()或者[]没啥影响
            "label": tf.FixedLenFeature([1], tf.int64)
        }
        parsed_features = tf.parse_single_example(single_sample, features=features)

        # 对parsed 之后的值进行cast.
        gmv = tf.cast(parsed_features["gmv"], tf.float64)
        click = tf.cast(parsed_features["click"], tf.float64)
        label = tf.cast(parsed_features["label"], tf.float64)

        return gmv, click, label

    # 开始定义dataset以及解析tfrecord格式
    filenames = tf.placeholder(tf.string, shape=[None])

    # 定义dataset 和 一些列trasformation method
    dataset = tf.data.TFRecordDataset(filenames)
    parsed_dataset = dataset.map(_parse_function)  # 消费缓冲区需要定义在dataset 的map 函数中
    batchd_dataset = parsed_dataset.batch(3)

    # 创建Iterator
    sample_iter = batchd_dataset.make_initializable_iterator()
    # 获取next_sample
    gmv, click, label = sample_iter.get_next()
    training_filenames = [
        "/Users/zhongfucheng/data/fashin/demo.tfrecord"]
    with tf.Session() as session:
        # 初始化带参数的Iterator
        session.run(sample_iter.initializer, feed_dict={filenames: training_filenames})
        # 读取文件
        print(session.run(gmv))


if __name__ == '__main__':
    read_tensorflow_tfrecord_files()

无意外的话，我们可以输出这样的结果：

[[0.]
 [1.]
 [2.]]

ok，现在我们已经大概知道怎么写一个TFRecord文件，以及怎么读取TFRecord文件的数据，并且消费这些数据了。

二、epoch和batchSize术语解释

我在学习TensorFlow翻阅资料时，经常看到一些机器学习的术语，由于自己没啥机器学习的基础，所以很多时候看到一些专业名词就开始懵逼了。

2.1epoch

当一个完整的数据集通过了神经网络一次并且返回了一次，这个过程称为一个epoch。

这可能使我们跟dataset.repeat()方法联系起来，这个方法可以使当前数据集重复一遍。比如说，原有的数据集是[1,2,3,4,5]，如果我调用dataset.repeat(2)的话，那么我们的数据集就变成了[1,2,3,4,5],[1,2,3,4,5]

• 所以会有个说法：假设原先的数据是一个epoch，使用repeat(5)就可以将之变成5个epoch

2.2batchSize

一般来说我们的数据集都是比较大的，无法一次性将整个数据集的数据喂进神经网络中，所以我们会将数据集分成好几个部分。每次喂多少条样本进神经网络，这个叫做batchSize。

在TensorFlow也提供了方法给我们设置：dataset.batch()，在API中是这样介绍batchSize的：

representing the number of consecutive elements of this dataset to combine in a single batch

我们一般在每次训练之前，会将整个数据集的顺序打乱，提高我们模型训练的效果。这里我们用到的api是：dataset.shffle();

三、再来聊聊dataset

我从官网的介绍中截了一个dataset的方法图(部分)：

dataset的功能主要有以下三种：

• 创建dataset实例
  • 通过文件创建(比如TFRecord)
  • 通过内存创建
• 对数据集的数据进行变换
  • 比如上面的batch()，常见的map(),flat_map(),zip(),repeat()等等
  • 文档中一般都有给出例子，跑一下一般就知道对应的意思了。
• 创建迭代器，遍历数据集的数据

3.1 聊聊迭代器

迭代器可以分为四种：

• 单次。对数据集进行一次迭代，不支持参数化
• 可初始化迭代
  • 使用前需要进行初始化，支持传入参数。面向的是同一个DataSet
• 可重新初始化：同一个Iterator从不同的DataSet中读取数据
  • DataSet的对象具有相同的结构，可以使用tf.data.Iterator.from_structure来进行初始化
  • 问题：每次 Iterator 切换时，数据都从头开始打印了
• 可馈送(也是通过对象相同的结果来创建的迭代器)
  • 可让您在两个数据集之间切换的可馈送迭代器
  • 通过一个string handler来实现。
  • 可馈送的 Iterator 在不同的 Iterator 切换的时候，可以做到不从头开始。

简单总结：

• 1、 单次 Iterator ，它最简单，但无法重用，无法处理数据集参数化的要求。
• 2、 可以初始化的 Iterator ，它可以满足 Dataset 重复加载数据，满足了参数化要求。
• 3、可重新初始化的 Iterator，它可以对接不同的 Dataset，也就是可以从不同的 Dataset 中读取数据。
• 4、可馈送的 Iterator，它可以通过 feeding 的方式，让程序在运行时候选择正确的 Iterator,它和可重新初始化的 Iterator 不同的地方就是它的数据在不同的 Iterator 切换时，可以做到不重头开始读取数据。

string handler(可馈送的 Iterator)这种方式是最常使用的，我当时也写了一个Demo来使用了一下，代码如下：

def read_tensorflow_tfrecord_files():
    # 开始定义dataset以及解析tfrecord格式.
    train_filenames = tf.placeholder(tf.string, shape=[None])
    vali_filenames = tf.placeholder(tf.string, shape=[None])

    # 加载train_dataset   batch_inputs这个方法每个人都不一样的，这个方法我就不给了。
    train_dataset = batch_inputs([
        train_filenames], batch_size=5, type=False,
        num_epochs=2, num_preprocess_threads=3)
    # 加载validation_dataset  batch_inputs这个方法每个人都不一样的，这个方法我就不给了。
    validation_dataset = batch_inputs([vali_filenames
                                       ], batch_size=5, type=False,
                                      num_epochs=2, num_preprocess_threads=3)

    # 创建出string_handler()的迭代器（通过相同数据结构的dataset来构建)
    handle = tf.placeholder(tf.string, shape=[])
    iterator = tf.data.Iterator.from_string_handle(
        handle, train_dataset.output_types, train_dataset.output_shapes)

    # 有了迭代器就可以调用next方法了。
    itemid = iterator.get_next()

    # 指定哪种具体的迭代器，有单次迭代的，有初始化的。
    training_iterator = train_dataset.make_initializable_iterator()
    validation_iterator = validation_dataset.make_initializable_iterator()

    # 定义出placeholder的值
    training_filenames = [
        "/Users/zhongfucheng/tfrecord_test/data01aa"]
    validation_filenames = ["/Users/zhongfucheng/tfrecord_validation/part-r-00766"]

    with tf.Session() as sess:
        # 初始化迭代器
        training_handle = sess.run(training_iterator.string_handle())
        validation_handle = sess.run(validation_iterator.string_handle())

        for _ in range(2):
            sess.run(training_iterator.initializer, feed_dict={train_filenames: training_filenames})
            print("this is training iterator ----")

            for _ in range(5):
                print(sess.run(itemid, feed_dict={handle: training_handle}))

            sess.run(validation_iterator.initializer,
                     feed_dict={vali_filenames: validation_filenames})

            print("this is validation iterator ")
            for _ in range(5):
                print(sess.run(itemid, feed_dict={vali_filenames: validation_filenames, handle: validation_handle}))


if __name__ == '__main__':
    read_tensorflow_tfrecord_files()

参考资料：

• https://blog.csdn.net/briblue/article/details/80962728

3.2 dataset参考资料

在翻阅资料时，发现写得不错的一些博客：

• https://www.jianshu.com/p/91803a119f18
• https://irvingzhang0512.github.io/2018/04/19/tensorflow-api-2/
• http://www.feiguyunai.com/index.php/2017/12/25/pyhtonai-ml-dataprocess-datasetapi/

最后

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