PaddleFluid和TensorFlow基本使用概念对比 | PaddlePaddle专栏

专栏介绍：Paddle Fluid 是用来让用户像 PyTorch 和 Tensorflow Eager Execution 一样执行程序。在这些系统中，不再有模型这个概念，应用也不再包含一个用于描述 Operator 图或者一系列层的符号描述，而是像通用程序那样描述训练或者预测的过程。

本专栏将推出一系列技术文章，从框架的概念、使用上对比分析 TensorFlow 和 Paddle Fluid，为对 PaddlePaddle 感兴趣的同学提供一些指导。今天将推出系列文章第一期 Paddle Fluid 设计思想和基本概念。

深度学习平台的演化

时至今日，深度学习已成为事实上最流行的机器学习技术。学术界多年研究加上工业界的长期实践提出了若干有效的基本建模单元：全连接，卷积，循环神经网络等；设计各类训练技巧：初始化方法，跨层连接，各类 norm 技术等；发明了各种新的优化算法：Adadelta，Adam 等；各类固定的网络结构：highway, residual, attention 等纷纷涌现，不胜枚举。学术界工业界多年的付出共同促成了深度学习方法今日的影响力。 

学术研究和生产实践中积累了大量的知识，能够很好的解释神经网络中基本模块各自独的学习能力和特性。基本模块和训练技术的组合能够搭建出千变万化的神经网络模型。基本模块和训练技术是有限的，但他们的组合却是千变万化，这是深度学习方法的魅力所在，也是难度所在。

正是这样高度的模块化特性，研究者和工程师们都在努力避免重复造轮子以提高研究和生产的效率，又进一步催生了深度学习平台技术的发展，深度学习框架已演变成为 AI 基础设施中重要的一部分。从 Theano，到 DistBelief，到 TensorFlow；从 Caffe 到 Caffe2；从 Torch 到 PyTorch；从 PaddlePaddle 到 PaddleFluid，深度学习平台技术也经历了两代的演化，并向着第三代平台技术迈进。 

站在历史发展的今天，当我们准备切换尝试使用一个新的深度学习平台作为支持自己学习和研究的工具时，平台技术都发生了哪些演化，能够为我们的带来什么便利呢？先让我们来看看深度学习框架解决的三大问题： 

• 如何描述计算以支持未来潜在会出现的新模型？ 

• 如何高效利用异构设备最大化算力？ 

• 如何利用网络中的计算机进行分布式计算来处理千万亿级别的数据？ 
  

以上三个问题中的第一个和使用者研究者最为密切相关。这篇文章我们通过分析 PaddleFluid 和 TensorFlow 的不同设计理念，来了解一个深度学习框架如何抽象深度学习模型，来看看我们的使用经验如何在不同深度学习平台之间过度和迁移。

如何描述计算

让我们首先来看看 PaddleFluid 和 TensorFlow 在“如何描述机器学习模型”这一问题上各自的选择。

TensorFlow之 Computation Graph 

TensorFlow 使用数据流图（Dataflow Graph）来描述机器学习模型中的涉及到的所有计算（computation）和状态（state）。一个 TensorFlow 模型只有一个计算图，计算图中包括数学运算和运算的对象（参数），甚至也包括：参数的初始化、优化算法部分（对可学习参数的更新规则），以及数据预处理等。 

这样的一个计算图可以更进一步解释： 

• 一个机器学习模型，在 TensorFlow 中用一个有向无环图表示；

• 图中的结点对应了机器学习模型中的某个具体运算，在 TensorFlow 中称之为：Operation；

• 图中的边是 Operation 之间的输入输出数据流动。

在 TenorFlow 中，Operation 的输入输出统一用 Tensor 表示，这里可以简单地理解为 Tensor 构成了计算图中的边。 

总结之： 

1. 在这一篇中，我们暂不考虑 TensorFlow 在分布式、异构计算方面的设计，TensorFlow 使用计算图（一个有向无环图）来描述机器学习模型，任何模型的定义和优化过程将被转换为一个计算图。计算图中的结点是 Operation，表示如何计算；计算图中的边是 Operation 之间的输入输出数据流动。在 TensorFlow 中用 Tensor 表示数据； 

2. TensorFlow 的计算图遵循：先定义再执行的原则（deferred execution），也就是一个计算图（这里可以理解为代表了神经网络的网络拓扑）需要预先声明，一旦声明，运行时无法改变其结构。

PaddleFluid之 Program 

如何描述计算很大程度决定了一个神经网络框架计算功能的完备性。深度学习模型和方法历经二十多年的发展：“依次执行一组计算的前向，再以和前向计算相反的顺序执行反向计算，中间无分支无交互”，这样的模型结构已经无法满足研究者和千千万万框架使用者的想象力。

从 PaddleFluid 的设计目标 [1] 来看，在如何描述机器学习模型这一核心问题上，PaddleFluid 的目标是：创造一种新的计算描述方式，不但能够描述至今为止人们已知的主流神经网络模型，并且能够支持未来会出现的任意模型。

PaddleFluid 是如何做到支持未来出现的新模型这一目标呢？PaddleFluid 的设计选择是：对用户来说，用一段 Program （在 PaddleFluid 内部会被转化为一种叫作 ProgramDesc 的描述语言），而不是用计算图来描述机器学习模型。 Program 用符合用户使用直觉的方式，提供一种新的描述语言能够描述任意复杂的机器学习模型。

对所有计算机专业同学学习编程语言的第一课一定是建立对“程序语言的三种执行结构：顺序执行，条件选择和循环执行”的认识。计算机世界的所有可计算逻辑都是由这三种执行结构表示，用这三种结构描述的逻辑是可计算的。那么同样道理，对一个神经网络框架来说，如果可以和程序语言一样提供对这三种执行结构的支持，那么将可以描述任意复杂的，可被计算机计算的，机器学习模型。PaddleFluid通过提供对这三种执行结构的支持，来做到对任意复杂模型的描述。

具体来说： 

1. Fluid 的核心设计理念都可以类比到程序语言，如果已经有写程序的经验，那么使用 Fluid 构建神经网络模型的体验，将非常接近写程序；

2. 在 PaddleFluid 中，用户不会显示地感知“计算图”这样的概念，一个机器学习模型被描述为一个 Fluid Program （Fluid 内部称之为 ProgramDesc ）；

• 一个 Fluid Program 由一组嵌套的 Block 构成。 Block 的概念可以类比到 C++ 或是 Java 中的一对大括号，或是 Python 语言中的一个缩进快；

•  Block 中的计算由顺序执行、条件选择或者循环执行三种方式组合，构成复杂的计算逻辑。

3. Fluid Program 中包含对计算和计算对象的描述。计算的描述称之为 Operator；计算作用的对象（或者说 Operator 的输入和输出）被统一为 Tensor。 

• 在描述计算和计算的作用对象这一问题上，各个深度学习框架的选择是相同的，如果有一个平台的使用经验，那么将非常容易在各个平台之间进行迁移。

总结

下面的表格总结了 TensorFlow 和 PaddleFluid 在描述机器学习模型上的不同设计选择。可以看到，Operator和Tensor这些构成模型的基础元素在两个平台中是相似的。如果有任一个平台的使用经验，可以非常快速的将这些概念在不同平台之间类比推广。

核心使用概念

下面的小节，我们将更详细地了解核心使用概念在两个平台的使用方法。 

数据表示和计算的对象：Tensor 

 Tensor 是向量矩阵概念的扩展，是神经网络模型计算操作的基本对象。这在是今天所有主流深度学习平台的共同选择。 

可以简单地将 Tensor 理解为一个 N 维向量，它可以有任意多的维度。一个 Tensor 具有两个基本特征： 

1. 数据类型：每个 Tensor 的所有元素具有同样的、已知的数据类型；

2. 大小（或者说形状）：即维度的个数（rank，阶）以及各维度的长度。 

• Tensor 某些维度的长度在定义模型阶段可能是未知的，在实际算法执行时才能确定。例如一个 mini-batch 中包含的样本数目（batch size），或者是一个 mini-batch 中序列的最大长度。

TensorFlow中的Tensor

TensorFlow 的内部实现中， Tensor 的存储方式就是一个 N 维数组，其中每个元素都是一个具体的数值，例如整形、浮点等。如“TensorFlow”这个名字所表达的， Tensor 就是 TensorFlow 中“被运算”的对象。在一个算法的执行中，Operation 输入是 Tensor，经过运算的中间结果是 Tensor，最终结果也是 Tensor。

在 TensorFlow 中，有一些特殊的 Tensor，其中比较常见的有：

1.  tf.Variable （变量）： Variable 用于表示机器学习算法中的参数，具有全局可见性。和一般的 Tensor 相比， Variable 不受 Session （Session 的概念下文会详细解释）的约束，因此在分布式计算的情况下，多个计算单元可以看到同一个 Varible ；

2.  tf.placeholder ： placeholder 类型的 Tensor 在执行时必须接入具体的数据，通常用于引入输入数据；

3.  tf.constant ：常量 Tensor，用于生成常用的常量数据，例如全零、全 1 等。

PaddleFluid中的Tensor

PaddleFluid 中也使用 Tensor 作为神经网络中输入输出数据的统一表示。Tensor 的概念在今天主流的深度学习平台中都是完全相同，可以在各个深度学习框架之间直接无缝迁移。

在 Fluid 中也同样存在三种特殊的 Tensor：

1. 模型中的可学习参数

模型中的可学习参数生存期和整个训练任务一样长，会接受优化算法的更新。在 PaddleFluid 中同样以 Variable 表示；

用户在绝大多数情况下都不需要自己来创建网络中的可学习参数，Fluid 为几乎常见的神经网络基本计算模块都提供了封装。以最简单的全连接模型为例，下面的代码片段会直接为全连接层创建连接权值 WW 和偏置（ bias ）两个可学习参数，无需显示地调用 variable 相关接口创建可学习参数。

import paddle.fluid as fluid

y = fluid.layers.fc(input=x, size=128, bias_attr=True)

2. 输入输出Tensor

整个神经网络的输入数据也是一个特殊的 Tensor，在这个 Tensor 中，一些维度的大小在定义模型时无法确定（通常包括：batch size；如过 mini-batch 之间，数据可变，也会包括序列的最大长度，图片的宽度和高度等），在定义模型时需要占位；

PaddleFluid 中使用 fluid.layers.data 来接入输入数据， fluid.layer.data 需要提供输入 Tensor 的 形状信息，当遇到无法确定的维度 时， 相应维度指定为 None ，如下面的代码片段所示： 

import paddle.fluid as fluid

x = fluid.layers.data(name="x", shape=[2, None, 3], dtype="int64")

3. 常量 Tensor 在 PaddleFluid 中需要通过组合 Tensor 和 fluid.layers.assign 来实现。

总结 

1. 在 TensorFlow 和 PaddleFluid 中都统一使用 Tensor 描述神经网络的输入输出以及中间结算结果；

2. 对可学习参数这一类特殊的 Tensor： 

在 TensorFlow 中，可学习参数用 tf.Variable （假设这里已经执行 import tensorflow as tf ）表示；

在 Fluid 中可学习参数使用 fluid.Variable （假设这里已经执行 import paddle.fluid as fluid ）表示；

不论是使用 TensorFlow 还是 PaddleFluid，通常都可以直接使用较高层次的 API，其中已经封装了几乎所有常见神经网络单元，例如全连接、LSTM、CNN 等，这些封装中都已经为用户正确的创建了该模块所需的可学习参数。通常不需要自己来创建可学习参数。

3. 对输入这一类特殊的 Tensor： 

TensorFlow 中用 tf.placeholder 完成占位功能；

对用户来说，逻辑上可认为等价于 PaddleFluid 中的 fluid.layers.data ；

但需注意，框架内部的实现机制不尽相同。 tf.placeholder 是一个 Tensor，而 pd.layers.data 创建输出 Tensor 的同时，还创建了 Feed 数据相关的 operator。

计算原语：Operation/Operator

Tensor 是今天所有主流深度学习框架的统一数据表示（输入、输出、中间计算结果、模型的可学习参数都是 Tensor）。另一方面，对数据的操作，在主流深度学习框架中也高度统一为：Operator/Operation。在中文中，通常我们会习惯将其称之为算子。

注：在 TensorFlow 的官方文档中，使用 Operation 来称呼对 Tensor 的操作和变化，而在 PaddleFluid 中使用 Operator 称呼对 Tensor 的操作，这两者没有本质区别。下文将交叉使用两者，但他们实际上是同一概念。

Operation/Operator 接受多个 Tensor 作为输入，输出若干个 Tensor，表示了从输入到输出的变化。

TensorFlow中的Operation 

一个 Operation，接受若干个 Tensor 作为输入，输出若干个 Tensor 。可以看出， Operator 作为图的结点，从进入该结点的边（tensor）获得数据并完成计算，然后结果的 Tensor 作为从该结点出发的边。一个典型的 Operator 是 tf.matmul ，它接受两个 Tensor 输入，将二者相乘，并输出一个 Tensor 作为结果。TensorFlow 提供的所有算子，可以在 API 帮助文档 [2] 中查看。 

PaddleFluid中的Operator 

PaddleFluid 中的 Operator 完全等价于 TensorFlow 中的 operation。PaddleFluid 支持的所有算子，可以在 API 帮助文档 [3] 中查看。 

为了便于用户使用，在 Python 端，Fluid 中的 Operator 被进一步封装入 paddle.fluid.layers ， paddle.fluid.networks 等模块。这是因为：一些常见的对Tensor的操作可能是有更多基础操作构成，例如：l2 norm 内部由 reduce、elementwise_add，scale 等多个 Operator 组合计算逻辑完成，为了提高使用的便利性，框架内部对基础 Operator 进行了一些封装，包括创建 Operator 依赖可学习参数，可学习参数的初始化细节等，减少用户重复开发的成本。 

对所有深度学习框架都面临同样的封装，在绝大多数情况下，用户很少会直接与框架底层的 Operator 直接打交道，而是使用框架提供的 layers，networks 等模块，降低开发的代码量。不论是什么样的概念，他们在各个矿建之间的本质和作用都是相同的：对 Tensor 的变换。 

总结 

不论叫作 Operation、Operator 还是 layers，他们在各深度学习平台中的含义和作用都是相同的：对 Tensor 的变换。是一个深度学习平台提供的基础计算能力。可以在每个平台各自的 API 帮助文档中查到。 

在各个深度学习平台都已加入 ONNX 项目的今天，每个深度学习平台提供给大家的基本算子都已趋同，与此同时，每个平台也各有其特点，会提供一些独特的算子，方便某一类任务的开发。

构建模型并执行 

至此，我们看到了构成模型的基础要素：Tensor 和 Operator 在两个框架之间能够直接迁移。最后一步，我们 看看在两个平台之上，整个训练任务是如何运行起来的。 

TensorFlow中的Graph和Session 

1. TensorFlow 以计算图描述机器学习模型，图中的结点是 Operation，边是 Tensor。在 TensorFlow 中，tf.Graph 维护了整个图的拓扑信息；

• 对于 graph，需要额外注意一点：TensorFlow 的一个计算图，会有一个 collection 的概念与之对应。 collection 是以图为上下文的 key-value 表，用于维护图级别的（也就是全局的）数据。例如 一个 variable 可以设定为是全局可见，此时这个 variable 相关的所有信息会在计算图对应的 collection 中进行维护。

2. 在图“之上”，TensorFlow 利用 session 机制来实际执行模型。 

• 对于一个定义好的 TensorFlow 的 Graph （也就是一个定义好的神经网络模型），为它创建一个 tf.Session 就可以对这个模型执行初始化、运行等流程层面的操作；

• 更精确地说， TensorFlow 的 Session 连接了用户程序和后端 Runtime，这里所说的“用户程序”就是 TensorFlow 的使用者对机器学习模型的定义和设置等，而后端 Runtime 是实际完成算法训练、测试等真实计算任务的程序。这种“连接”也是一种“隔离”，将使用者和真实计算时涉及的分布式计算等细节隔离，便于使用。

Fluid中的Program和Executor 

1. PaddleFluid 使用 Program 描述神经网络模型，对用户来说，并没有计算图的概念。用户定义的所有 Tensor 以及对 Tensor 的操作：Operator 都会被加入一段 Program 中；

• 一段 Program 由嵌套的 Block 构成，但用户无需显示地创建 Block 或是显示地注意到 Block 的存在；

• 在 PaddleFluid 程序中， Block 是在调用 while_op ， if_op ， parallel_do 等特殊 Operator 时，由这些 Operator 来创建；

• 对用户使用来说，只需要知道自己正在向一段 Fluid Program 中添加变量（Tensor）和操作（Operator）即可。

2. PaddleFluid 利用 Executor 来执行一段 Fluid Program。 

• 为进一步理解 Fluid 中 Executor 的作用，需要先解释一下 Fluid 程序的执行流程。 下图展示单机上，Fluid 程序的执行流程：

▲ Fig. Fluid本地训练任务执行流程图

1. Fluid 设计思想和灵感非常类似于程序设计语言，和高级编译语言 C++/Java 编写程序的过程非常类似，Fluid 程序执行分为两个重要阶段：编译时和运行时；

2. 编译期，用户通过调用 Fluid 提供的算子，向一段 Program 中添加变量（Tensor）以及对变量的操作（Operators 或者 Layers）。用户只需要描述核心的前向计算，不需要关心反向计算，分布式下，异构设备下如何计算；

3. 原始的 Program 在平台内部转换为中间描述语言： ProgramDesc ；

4. 编译期最重要的一个功能模块是 Transpiler。Transpiler 接受一段 ProgramDesc ，输出一段变化后的 ProgramDesc ，作为后端 Executor 最终需要执行的 Fluid Program ；

最为常用的 Transipler 包括：

1. 内存优化 Transipler：通过对变量读写依赖关系分析，插入内存回收 Operator 以维持运行过程中较小的内存开销； 

2. 分布式环境下的 Transpiler：接受用户定义的 local Program ，生成 Parameter Client 和 Parameter Server 执行的两段 Program 。 

5. 后端 Executor 接受 Transpiler 输出的这段 Program ，依次执行其中的 Operator（可以类比为程序语言中的指令），在执行过程中会为 Operator 创建所需的输入输出并进行管理。 

从上面的过程中可以看到，Fluid 程序的执行过程分为：编译器的定义 Program ，和创建 Executor 运行 Program 。 Executor 执行一段 Program 的过程是不可交互和不可中断的。在 PaddleFluid 中，可以创建多余一段 Program 。默认情况，一个 PaddleFluid 程序中存在 2 段 Program：

1. fluid.framework.default_startup_program ：其中定义了创建模型参数，输入输出，以及模型中可学习参数的初始化等各种操作；

•  default_startup_program 可以由框架自动生成，使用时无需显示地创建；

• 如果调用修改了参数的默认初始化方式，框架会自动的将相关的修改加入 default_startup_program 。

2.  fluid.framework.default_main_program ：定义了神经网络模型，前向反向计算，以及优化算法对网络中可学习参数的更新；

• 使用 Fluid 的核心就是构建起 default_main_program 。

3. PaddleFluid 中的 Scope 类似于 TensorFlow 中的 collection 这一概念，但在 Fluid 中 Scope 是框架后端概念，用户无法直接操作。因此，在使用框架时无需关心。

总结 

对使用框架的用户来说，可以认为 TensorFlow 中的 Graph 等价于 PaddleFluid 中的 Program，他们在框架中的作用完全相同：完成了对模型的定义。 

TensorFlow 中的 Session 在使用逻辑上非常类似于 PaddleFluid 中的 Executor。 

TensorFlow 通过 Session 来完成计算图上的初始化，计算等运行逻辑，连接了 TensorFlow 的前端和后端；

PaddleFluid 中通过 Executor 来执行一段用户定义的 Fluid Program 。

1. Executor 连接了 PaddleFluid 的前端和后端；

2. Executor 接受用户定义的原始模型（一段 Program ），通过调用系统中不同功能更的 Transpiler 完成对原始 Program 的变化，进行优化。

完整实例：如何完成一个机器学习模型的训练

这一节，我们以 MNIST 手写数字识别问题 —— 机器学习任务的“Hello World”问题和数据，为例，通过一个可以运行的完整实例，来学习上文介绍的概念如何在 TensorFlow 和 PaddleFluid 平台下如何使用和互相迁移。 

TensorFlow实例 

以下使用 Tensorflow 定义一个基本的 MLP（单隐层的神经网络）对该问题建模，以说明 Tensorflow 的基本使用方法。 

步骤1：定义数据

# 数据和标签定义
x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 784])
y_ = tf.placeholder(tf.int32, shape=[None,])

如前所述， tf.placeholder 是用于引入数据的特殊 Tensor，这里分别用 x 和 y_ 代表数据的特征和标签。

步骤2：定义模型

# opeartion的计算逻辑定义
y = tf.layers.dense(inputs=x, units=10)

# operation的loss计算方式指定
cross_entropy = tf.losses.sparse_softmax_cross_entropy(labels=y_, logits=y)

# operation优化方式指定
train_op = tf.train.AdamOptimizer().minimize(cross_entropy)

这段程序分为三个部分： 

1. 参数定义：一个单隐层的 MLP，按照 Tensorflow 的计算图抽象方式，即对于输入 xx，经过 y=\omega x+by=ωx+b 这步计算，得到输出 yy。其中 xx、yy 是输入和输出 tensor，\omegaω 和 bb 是参数 tensor。 

Tensorflow 的 tf.layers 提供了常用的 operation 计算逻辑，这里用到的 tf.layers.dense 即神经网络中全连接层的计算。 

2. loss计算方式定义：loss 在模型训练的过程中，用于衡量当前模型产出的结果和目标之间的差距，也是优化算法迭代模型的依据。 tf.losses 中定义了常用的 loss，这里使用交叉熵（cross entropy），一种多分类情况下常用的 loss。 这里参数中 y_ 指的是目标标签，在上面数据引入的部分已经定义。

3. operation构建：在上面已经确定的参数和 loss 之外，还需要指定迭代时需要使用的优化算法。同样的 operation 可以在执行时使用不同的优化算法。 

步骤3：参数初始化

init = tf.global_variables_initializer()
sess = tf.Session()
sess.run(init)

模型的训练过程，由 tf.Session 管理， tf.Session.run() 以初始化后参数后的 Graph 为输入参数，做好模型训练的准备工作。 

这里使用的是默认的参数初始化。实际上，神经网络训练的参数初始化是有多种选择的，这超出了本篇的覆盖范围，暂不赘述将在后面章节详细讨论。 

步骤4：数据输入 + 执行模型训练

train_reader = data_iterator()
test_lbl, test_img = load_MNIST("testing")
for step in range(100):
    images_batch, labels_batch = next(train_reader)
    _, loss_val = sess.run(
        [train_op, cross_entropy],
        feed_dict={
            x: images_batch,
            y_: labels_batch.astype("int32")
        })
    print("Cur Cost : %f" % loss_val)

所谓模型迭代，通常是以 batch 为单位向模型给入数据，之后根据指定的 loss 和优化方法更新模型参数。核心的函数是对 tf.Session.run() 的调用，其中包括之前定义好的 operation、优化方法以及给入的数据。

其中，给入数据的来源，是以下函数：

def data_iterator(dataset="training", path="data", batch_size=128):
    batch_idx = 0
    lbl, img = load_MNIST(dataset, path)
    while True:
        # shuffle labels and features
        idxs = np.arange(0, len(lbl))
        np.random.shuffle(idxs)
        shuf_features = img[idxs]
        shuf_labels = lbl[idxs]
        for batch_idx in range(0, len(lbl), batch_size):
            images_batch = shuf_features[batch_idx:
                                         batch_idx + batch_size] / 255.
            images_batch = images_batch.astype("float32")
            labels_batch = shuf_labels[batch_idx:
                                       batch_idx + batch_size].astype("int32")
            yield images_batch, labels_batch

本段程序中用到的 tf_load_MNIST 是从文件中读取数据。本段程序的作用是对数据做 shuffle，之后以 batch_size 为长度组织每个 batch 的数据。

步骤5：观察模型效果

以上步骤已经构建了完整的 Tensorflow 模型训练程序，每个 batch 观察一次 loss，可以直观看到模型的迭代效果：

▲ Fig. TensorFlow MNIST手写数字识别任务代价下降曲线

附：完整代码

import numpy as np
import tensorflow as tf

from tf_load_MNIST import load_MNIST


def data_iterator(dataset="training", path="data", batch_size=128):
    batch_idx = 0
    lbl, img = load_MNIST(dataset, path)
    while True:
        # shuffle labels and features
        idxs = np.arange(0, len(lbl))
        np.random.shuffle(idxs)
        shuf_features = img[idxs]
        shuf_labels = lbl[idxs]
        for batch_idx in range(0, len(lbl), batch_size):
            images_batch = shuf_features[batch_idx:
                                         batch_idx + batch_size] / 255.
            images_batch = images_batch.astype("float32")
            labels_batch = shuf_labels[batch_idx:
                                       batch_idx + batch_size].astype("int32")
            yield images_batch, labels_batch


def main():
    # define the network topology.
    x = tf.placeholder(tf.float32, shape=[None, 784])
    y_ = tf.placeholder(
        tf.int32, shape=[
            None,
        ])

    y = tf.layers.dense(inputs=x, units=10)
    cross_entropy = tf.losses.sparse_softmax_cross_entropy(labels=y_, logits=y)
    train_op = tf.train.AdamOptimizer().minimize(cross_entropy)

    # define the initializer.
    init = tf.global_variables_initializer()

    sess = tf.Session()
    sess.run(init)

    train_reader = data_iterator()
    for step in range(100):
        images_batch, labels_batch = next(train_reader)
        _, loss_val = sess.run(
            [train_op, cross_entropy],
            feed_dict={
                x: images_batch,
                y_: labels_batch.astype("int32")
            })
        print("Cur Cost : %f" % loss_val)


if __name__ == "__main__":
    main()

 tf_load_MNIST.py 完整代码：

import os
import struct
import numpy as np

def load_MNIST(dataset="training", path="."):
    """
    Python function for importing the MNIST data set.  It returns an iterator
    of 2-tuples with the first element being the label and the second element
    being a numpy.uint8 2D array of pixel data for the given image.
    """
    path = os.path.join(os.path.abspath('.'), "data")

    if dataset is "training":
        fname_img = os.path.join(path, "train-images.idx3-ubyte")
        fname_lbl = os.path.join(path, "train-labels.idx1-ubyte")
    elif dataset is "testing":
        fname_img = os.path.join(path, "t10k-images.idx3-ubyte")
        fname_lbl = os.path.join(path, "t10k-labels.idx1-ubyte")
    else:
        raise ValueError("dataset must be 'testing' or 'training'")

    # Load everything in some numpy arrays
    with open(fname_lbl, "rb") as flbl:
        magic, num = struct.unpack(">II", flbl.read(8))
        lbl = np.fromfile(flbl, dtype=np.int8)

    with open(fname_img, "rb") as fimg:
        magic, num, rows, cols = struct.unpack(">IIII", fimg.read(16))
        img = np.fromfile(fimg, dtype=np.uint8).reshape(len(lbl), rows * cols)

    return lbl, img

PaddleFluid实例

步骤1：定义数据

PaddleFluid 中以 fluid.layers.data 来接收输入数据。

import numpy as np

import paddle.fluid as fluid
import paddle.v2 as paddle

# define the input layers for the network.
x = fluid.layers.data(name="img", shape=[1, 28, 28], dtype="float32")
y_ = fluid.layers.data(name="label", shape=[1], dtype="int64")

Fluid 中 Tensor 的第 0 维度固定为 batch size。在上面代码段中，图像输入 x 的形状为：[1, 28, 28]。这三个维度的含义分别是：channel 数目，图像的高度和宽度。 

实际上 Fluid 框架内部,一幅图像输入是一个 4-D Tensor，所有 Tensor 的第 0 维固定为 batch size。框架内部会自动为batch size进行填充占位。无需对batch size指定填充占位。 

如果除去 batch size（第 0 维度）外，如果 Tensor 某一维度的大小只能在运行时确定，可以在该位置上直接指定 None 进行占位。

步骤2：定义模型 

通过调用 Fluid 提供的算子定义含有一个隐层的神经网络。Fluid 模型的分为模型结构和优化方法两部分。这一点与 TensorFlow 程序十分相似似，使用概念可以直接对应进行迁移。

# define the network topology.
y = fluid.layers.fc(input=x, size=10, act="softmax")
loss = fluid.layers.cross_entropy(input=y, label=y_)
avg_loss = fluid.layers.mean(loss)

# define the optimization algorithm.
optimizer = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=1e-3)
optimizer.minimize(avg_loss)

Fluid 使用 Program 而不是计算图描述模型，一般情况下，用户无需关心 Program 的细节，当调用以上 layers 时，会向一个全局的 Program： fluid.framework.default_main_program 中插入变量（Tensor）和对变量的操作（上述代码段中的 layers 和 optimzier）。 

步骤3：参数初始化 

如上文介绍，Fluid 程序中的 Executor 是连接 Fluid 前端和后端的接口。 

默认一个Fluid模型存在至少两段 Program。用于初始化网络中的可学习参数的那一段 Program 叫作 fluid.default_startup_program() 。

只有执行器 executor 可以执行 Fluid Program，因此，在初始化网络中的可学习参数之前，需要首先创建一个 Fluid executor。

# define the executor.
place = fluid.CPUPlace()
exe = fluid.Executor(place)
exe.run(fluid.default_startup_program())

在以上代码段中， place 用于告诉 executor 一段 Fluid Program 在何种设备上执行，常见的有 fluid.CPUPlace() 和 fluid.CUDAPlace() 。 

步骤4：数据输入 + 执行模型训练 

我们在步骤 2 中定义的神经网络模型最终被插入一段叫做 fluid.framework.default_main_program 的 Fluid Program 中。

网络可学习参数初始化之后，可以通过让执行器 Executor 执行这段 fluid.framework.default_main_program 来进行训练。

train_reader = paddle.batch(
        paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.mnist.train(), buf_size=5000),
        batch_size=BATCH_SIZE)
feeder = fluid.DataFeeder(place=place, feed_list=[x, y_])

for pass_id in range(100):
    for batch_id, data in enumerate(train_reader()):
        loss = exe.run(
            fluid.framework.default_main_program(),
            feed=feeder.feed(data),
            fetch_list=[avg_loss])
        print("Cur Cost : %f" % (np.array(loss[0])[0]))

从上面的代码片段中可以看到，Fluid 程序的训练过程和 TensorFlow 程序的训练过程非常接近，都放在一个 for 循环中，循环读取一个 mini-batch 数据，调用执行器执行 Fluid default_main_program ：接收 mini-batch 输入，在其上进行前向，反向和参数更新计算。 

注：上面程序使用了 Fluid 内置的 MNIST 数据，和我们提供给 TensorFlow 示例程序的 MNIST 数据完全一样。 

步骤5：观察模型效果 

以上步骤已经构成了完整的 Tensorflow 模型训练程序，每个 batch 观察一次 loss，可以直观看到模型的迭代效果：

▲ Fig. Fluid MNIST手写数字识别任务代价下降曲线

附：完整代码

import numpy as np

import paddle.fluid as fluid
import paddle.v2 as paddle


def main():
    BATCH_SIZE = 128

    # define the input layers for the network.
    x = fluid.layers.data(name="img", shape=[1, 28, 28], dtype="float32")
    y_ = fluid.layers.data(name="label", shape=[1], dtype="int64")

    # define the network topology.
    y = fluid.layers.fc(input=x, size=10, act="softmax")
    loss = fluid.layers.cross_entropy(input=y, label=y_)
    avg_loss = fluid.layers.mean(loss)

    optimizer = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=5e-3)
    optimizer.minimize(avg_loss)

    # define the executor.
    place = fluid.CPUPlace()
    exe = fluid.Executor(place)
    exe.run(fluid.default_startup_program())

    train_reader = paddle.batch(
        paddle.reader.shuffle(paddle.dataset.mnist.train(), buf_size=5000),
        batch_size=BATCH_SIZE)
    feeder = fluid.DataFeeder(place=place, feed_list=[x, y_])

    for pass_id in range(100):
        for batch_id, data in enumerate(train_reader()):
            loss = exe.run(
                fluid.framework.default_main_program(),
                feed=feeder.feed(data),
                fetch_list=[avg_loss])
            print("Cur Cost : %f" % (np.array(loss[0])[0]))

if __name__ == "__main__":
    main()

总结

在这一节中，基于手写数字识别数据集 MNIST，我们通过一个完整可运行的例子，展示了使用 TensorFlow 和 PaddleFluid 实现了同样一个含有单隐层的全连接神经网络。通过这个例子展示主流深度学习框架核心概念、用户接口、使用体验的设计选择。

可以看到尽管内部实现有着非常大的差异，但是对用户来讲，深度学习模型的核心概念，包括：Tensor、Operation、Optimzier、网络初始化等，在各个主流深度学习框架中都有着对应的实现。如果有着一个框架的使用经验，这种使用经验将非常容易迁移到其它深度学习框架下。

从迭代效果看，这一篇中这个简单的模型依照预期拟合住了训练数据，但是效果并不惊艳。原因在于：输入数据是图片像素值，这里的神经网络模型十分简单，拟合能力有限。在后面的篇幅，我们将会使用更加复杂和实用的例子，进一步对比如何不同深度学习平台如何训练同一个神经网络，我们的使用经验如何在不同框架之间进行切换和推广，帮助我们选择最适合的工具提高研究和生产的效率。

相关链接

[1]. PaddleFluid的设计目标

https://github.com/PaddlePaddle/Paddle/blob/develop/doc/fluid/design/motivation/fluid.md

[2]. TensorFlow API帮助文档

https://www.tensorflow.org/api_docs/python/?hl=zh-cn

[3]. PaddleFluid API帮助文档

http://www.paddlepaddle.org/docs/develop/api/en/fluid/layers.html

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