詳解Tensorflow數(shù)據(jù)讀取有三種方式（next_batch）

更新時間：2018年02月01日 09:38:50 作者：Dean0Winchester

本篇文章主要介紹了Tensorflow數(shù)據(jù)讀取有三種方式（next_batch），小編覺得挺不錯的，現(xiàn)在分享給大家，也給大家做個參考。一起跟隨小編過來看看吧

Tensorflow數(shù)據(jù)讀取有三種方式：

Preloaded data: 預(yù)加載數(shù)據(jù)
Feeding: Python產(chǎn)生數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)喂給后端。
Reading from file: 從文件中直接讀取

這三種有讀取方式有什么區(qū)別呢？我們首先要知道TensorFlow(TF)是怎么樣工作的。

TF的核心是用C++寫的，這樣的好處是運行快，缺點是調(diào)用不靈活。而Python恰好相反，所以結(jié)合兩種語言的優(yōu)勢。涉及計算的核心算子和運行框架是用C++寫的，并提供API給Python。Python調(diào)用這些API，設(shè)計訓(xùn)練模型(Graph)，再將設(shè)計好的Graph給后端去執(zhí)行。簡而言之，Python的角色是Design，C++是Run。

一、預(yù)加載數(shù)據(jù)：

import tensorflow as tf 
# 設(shè)計Graph 
x1 = tf.constant([2, 3, 4]) 
x2 = tf.constant([4, 0, 1]) 
y = tf.add(x1, x2) 
# 打開一個session --> 計算y 
with tf.Session() as sess: 
  print sess.run(y)

二、python產(chǎn)生數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)喂給后端

import tensorflow as tf 
# 設(shè)計Graph 
x1 = tf.placeholder(tf.int16) 
x2 = tf.placeholder(tf.int16) 
y = tf.add(x1, x2) 
# 用Python產(chǎn)生數(shù)據(jù) 
li1 = [2, 3, 4] 
li2 = [4, 0, 1] 
# 打開一個session --> 喂數(shù)據(jù) --> 計算y 
with tf.Session() as sess: 
  print sess.run(y, feed_dict={x1: li1, x2: li2})

說明：在這里x1, x2只是占位符，沒有具體的值，那么運行的時候去哪取值呢？這時候就要用到sess.run()中的feed_dict參數(shù)，將Python產(chǎn)生的數(shù)據(jù)喂給后端，并計算y。

這兩種方案的缺點：

1、預(yù)加載：將數(shù)據(jù)直接內(nèi)嵌到Graph中，再把Graph傳入Session中運行。當(dāng)數(shù)據(jù)量比較大時，Graph的傳輸會遇到效率問題。

2、用占位符替代數(shù)據(jù)，待運行的時候填充數(shù)據(jù)。

前兩種方法很方便，但是遇到大型數(shù)據(jù)的時候就會很吃力，即使是Feeding，中間環(huán)節(jié)的增加也是不小的開銷，比如數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等等。最優(yōu)的方案就是在Graph定義好文件讀取的方法，讓TF自己去從文件中讀取數(shù)據(jù)，并解碼成可使用的樣本集。

三、從文件中讀取，簡單來說就是將數(shù)據(jù)讀取模塊的圖搭好

1、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，構(gòu)造三個文件,A.csv,B.csv,C.csv

$ echo -e "Alpha1,A1\nAlpha2,A2\nAlpha3,A3" > A.csv 
$ echo -e "Bee1,B1\nBee2,B2\nBee3,B3" > B.csv 
$ echo -e "Sea1,C1\nSea2,C2\nSea3,C3" > C.csv

2、單個Reader，單個樣本

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
# 生成一個先入先出隊列和一個QueueRunner,生成文件名隊列 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
# 定義Reader 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
# 定義Decoder 
example, label = tf.decode_csv(value, record_defaults=[['null'], ['null']]) 
#example_batch, label_batch = tf.train.shuffle_batch([example,label], batch_size=1, capacity=200, min_after_dequeue=100, num_threads=2) 
# 運行Graph 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() #創(chuàng)建一個協(xié)調(diào)器，管理線程 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) #啟動QueueRunner, 此時文件名隊列已經(jīng)進(jìn)隊。 
  for i in range(10): 
    print example.eval(),label.eval() 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

說明：這里沒有使用tf.train.shuffle_batch，會導(dǎo)致生成的樣本和label之間對應(yīng)不上，亂序了。生成結(jié)果如下：

Alpha1 A2
Alpha3 B1
Bee2 B3
Sea1 C2
Sea3 A1
Alpha2 A3
Bee1 B2
Bee3 C1
Sea2 C3
Alpha1 A2

解決方案：用tf.train.shuffle_batch,那么生成的結(jié)果就能夠?qū)?yīng)上。

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
# 生成一個先入先出隊列和一個QueueRunner,生成文件名隊列 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
# 定義Reader 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
# 定義Decoder 
example, label = tf.decode_csv(value, record_defaults=[['null'], ['null']]) 
example_batch, label_batch = tf.train.shuffle_batch([example,label], batch_size=1, capacity=200, min_after_dequeue=100, num_threads=2) 
# 運行Graph 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() #創(chuàng)建一個協(xié)調(diào)器，管理線程 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) #啟動QueueRunner, 此時文件名隊列已經(jīng)進(jìn)隊。 
  for i in range(10): 
    e_val,l_val = sess.run([example_batch, label_batch]) 
    print e_val,l_val 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

3、單個Reader,多個樣本,主要也是通過tf.train.shuffle_batch來實現(xiàn)

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
example, label = tf.decode_csv(value, record_defaults=[['null'], ['null']]) 
# 使用tf.train.batch()會多加了一個樣本隊列和一個QueueRunner。 
#Decoder解后數(shù)據(jù)會進(jìn)入這個隊列，再批量出隊。 
# 雖然這里只有一個Reader，但可以設(shè)置多線程，相應(yīng)增加線程數(shù)會提高讀取速度，但并不是線程越多越好。 
example_batch, label_batch = tf.train.batch( 
   [example, label], batch_size=5) 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) 
  for i in range(10): 
    e_val,l_val = sess.run([example_batch,label_batch]) 
    print e_val,l_val 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

說明：下面這種寫法，提取出來的batch_size個樣本，特征和label之間也是不同步的

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
example, label = tf.decode_csv(value, record_defaults=[['null'], ['null']]) 
# 使用tf.train.batch()會多加了一個樣本隊列和一個QueueRunner。 
#Decoder解后數(shù)據(jù)會進(jìn)入這個隊列，再批量出隊。 
# 雖然這里只有一個Reader，但可以設(shè)置多線程，相應(yīng)增加線程數(shù)會提高讀取速度，但并不是線程越多越好。 
example_batch, label_batch = tf.train.batch( 
   [example, label], batch_size=5) 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) 
  for i in range(10): 
    print example_batch.eval(), label_batch.eval() 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

說明：輸出結(jié)果如下：可以看出feature和label之間是不對應(yīng)的

['Alpha1' 'Alpha2' 'Alpha3' 'Bee1' 'Bee2'] ['B3' 'C1' 'C2' 'C3' 'A1']
['Alpha2' 'Alpha3' 'Bee1' 'Bee2' 'Bee3'] ['C1' 'C2' 'C3' 'A1' 'A2']
['Alpha3' 'Bee1' 'Bee2' 'Bee3' 'Sea1'] ['C2' 'C3' 'A1' 'A2' 'A3']

4、多個reader，多個樣本

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
record_defaults = [['null'], ['null']] 
#定義了多種解碼器,每個解碼器跟一個reader相連 
example_list = [tf.decode_csv(value, record_defaults=record_defaults) 
         for _ in range(2)] # Reader設(shè)置為2 
# 使用tf.train.batch_join()，可以使用多個reader，并行讀取數(shù)據(jù)。每個Reader使用一個線程。 
example_batch, label_batch = tf.train.batch_join( 
   example_list, batch_size=5) 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) 
  for i in range(10): 
    e_val,l_val = sess.run([example_batch,label_batch]) 
    print e_val,l_val 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

tf.train.batch與tf.train.shuffle_batch函數(shù)是單個Reader讀取，但是可以多線程。tf.train.batch_join與tf.train.shuffle_batch_join可設(shè)置多Reader讀取，每個Reader使用一個線程。至于兩種方法的效率，單Reader時，2個線程就達(dá)到了速度的極限。多Reader時，2個Reader就達(dá)到了極限。所以并不是線程越多越快，甚至更多的線程反而會使效率下降。

5、迭代控制，設(shè)置epoch參數(shù)，指定我們的樣本在訓(xùn)練的時候只能被用多少輪

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
filenames = ['A.csv', 'B.csv', 'C.csv'] 
#num_epoch: 設(shè)置迭代數(shù) 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False,num_epochs=3) 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
record_defaults = [['null'], ['null']] 
#定義了多種解碼器,每個解碼器跟一個reader相連 
example_list = [tf.decode_csv(value, record_defaults=record_defaults) 
         for _ in range(2)] # Reader設(shè)置為2 
# 使用tf.train.batch_join()，可以使用多個reader，并行讀取數(shù)據(jù)。每個Reader使用一個線程。 
example_batch, label_batch = tf.train.batch_join( 
   example_list, batch_size=1) 
#初始化本地變量 
init_local_op = tf.initialize_local_variables() 
with tf.Session() as sess: 
  sess.run(init_local_op) 
  coord = tf.train.Coordinator() 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) 
  try: 
    while not coord.should_stop(): 
      e_val,l_val = sess.run([example_batch,label_batch]) 
      print e_val,l_val 
  except tf.errors.OutOfRangeError: 
      print('Epochs Complete!') 
  finally: 
      coord.request_stop() 
  coord.join(threads) 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

在迭代控制中，記得添加tf.initialize_local_variables()，官網(wǎng)教程沒有說明，但是如果不初始化，運行就會報錯。

對于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)而言，比方說分類問題，[x1 x2 x3]是feature。對于二分類問題,label經(jīng)過one-hot編碼之后就會是[0,1]或者[1,0]。一般情況下，我們會考慮將數(shù)據(jù)組織在csv文件中,一行代表一個sample。然后使用隊列的方式去讀取數(shù)據(jù)

說明：對于該數(shù)據(jù),前三列代表的是feature，因為是分類問題,后兩列就是經(jīng)過one-hot編碼之后得到的label

使用隊列讀取該csv文件的代碼如下：

#-*- coding:utf-8 -*- 
import tensorflow as tf 
# 生成一個先入先出隊列和一個QueueRunner,生成文件名隊列 
filenames = ['A.csv'] 
filename_queue = tf.train.string_input_producer(filenames, shuffle=False) 
# 定義Reader 
reader = tf.TextLineReader() 
key, value = reader.read(filename_queue) 
# 定義Decoder 
record_defaults = [[1], [1], [1], [1], [1]] 
col1, col2, col3, col4, col5 = tf.decode_csv(value,record_defaults=record_defaults) 
features = tf.pack([col1, col2, col3]) 
label = tf.pack([col4,col5]) 
example_batch, label_batch = tf.train.shuffle_batch([features,label], batch_size=2, capacity=200, min_after_dequeue=100, num_threads=2) 
# 運行Graph 
with tf.Session() as sess: 
  coord = tf.train.Coordinator() #創(chuàng)建一個協(xié)調(diào)器，管理線程 
  threads = tf.train.start_queue_runners(coord=coord) #啟動QueueRunner, 此時文件名隊列已經(jīng)進(jìn)隊。 
  for i in range(10): 
    e_val,l_val = sess.run([example_batch, label_batch]) 
    print e_val,l_val 
  coord.request_stop() 
  coord.join(threads)

輸出結(jié)果如下：

說明：

record_defaults = [[1], [1], [1], [1], [1]]

代表解析的模板,每個樣本有5列，在數(shù)據(jù)中是默認(rèn)用‘，'隔開的，然后解析的標(biāo)準(zhǔn)是[1]，也即每一列的數(shù)值都解析為整型。[1.0]就是解析為浮點，['null']解析為string類型

二、此處給出了幾種不同的next_batch方法，該文章只是做出代碼片段的解釋，以備以后查看：

 def next_batch(self, batch_size, fake_data=False):
  """Return the next `batch_size` examples from this data set."""
  if fake_data:
   fake_image = [1] * 784
   if self.one_hot:
    fake_label = [1] + [0] * 9
   else:
    fake_label = 0
   return [fake_image for _ in xrange(batch_size)], [
     fake_label for _ in xrange(batch_size)
   ]
  start = self._index_in_epoch
  self._index_in_epoch += batch_size
  if self._index_in_epoch > self._num_examples: # epoch中的句子下標(biāo)是否大于所有語料的個數(shù)，如果為True,開始新一輪的遍歷
   # Finished epoch
   self._epochs_completed += 1
   # Shuffle the data
   perm = numpy.arange(self._num_examples) # arange函數(shù)用于創(chuàng)建等差數(shù)組
   numpy.random.shuffle(perm) # 打亂
   self._images = self._images[perm]
   self._labels = self._labels[perm]
   # Start next epoch
   start = 0
   self._index_in_epoch = batch_size
   assert batch_size <= self._num_examples
  end = self._index_in_epoch
  return self._images[start:end], self._labels[start:end]

該段代碼摘自mnist.py文件，從代碼第12行start = self._index_in_epoch開始解釋，_index_in_epoch-1是上一次batch個圖片中最后一張圖片的下邊，這次epoch第一張圖片的下標(biāo)是從 _index_in_epoch開始，最后一張圖片的下標(biāo)是_index_in_epoch+batch, 如果 _index_in_epoch 大于語料中圖片的個數(shù)，表示這個epoch是不合適的，就算是完成了語料的一遍的遍歷，所以應(yīng)該對圖片洗牌然后開始新一輪的語料組成batch開始

def ptb_iterator(raw_data, batch_size, num_steps):
 """Iterate on the raw PTB data.

 This generates batch_size pointers into the raw PTB data, and allows
 minibatch iteration along these pointers.

 Args:
  raw_data: one of the raw data outputs from ptb_raw_data.
  batch_size: int, the batch size.
  num_steps: int, the number of unrolls.

 Yields:
  Pairs of the batched data, each a matrix of shape [batch_size, num_steps].
  The second element of the tuple is the same data time-shifted to the
  right by one.

 Raises:
  ValueError: if batch_size or num_steps are too high.
 """
 raw_data = np.array(raw_data, dtype=np.int32)

 data_len = len(raw_data)
 batch_len = data_len // batch_size #有多少個batch
 data = np.zeros([batch_size, batch_len], dtype=np.int32) # batch_len 有多少個單詞
 for i in range(batch_size): # batch_size 有多少個batch
  data[i] = raw_data[batch_len * i:batch_len * (i + 1)]

 epoch_size = (batch_len - 1) // num_steps # batch_len 是指一個batch中有多少個句子
 #epoch_size = ((len(data) // model.batch_size) - 1) // model.num_steps # // 表示整數(shù)除法
 if epoch_size == 0:
  raise ValueError("epoch_size == 0, decrease batch_size or num_steps")

 for i in range(epoch_size):
  x = data[:, i*num_steps:(i+1)*num_steps]
  y = data[:, i*num_steps+1:(i+1)*num_steps+1]
  yield (x, y)

第三種方式：

  def next(self, batch_size):
    """ Return a batch of data. When dataset end is reached, start over.
    """
    if self.batch_id == len(self.data):
      self.batch_id = 0
    batch_data = (self.data[self.batch_id:min(self.batch_id +
                         batch_size, len(self.data))])
    batch_labels = (self.labels[self.batch_id:min(self.batch_id +
                         batch_size, len(self.data))])
    batch_seqlen = (self.seqlen[self.batch_id:min(self.batch_id +
                         batch_size, len(self.data))])
    self.batch_id = min(self.batch_id + batch_size, len(self.data))
    return batch_data, batch_labels, batch_seqlen

第四種方式：

def batch_iter(sourceData, batch_size, num_epochs, shuffle=True):
  data = np.array(sourceData) # 將sourceData轉(zhuǎn)換為array存儲
  data_size = len(sourceData)
  num_batches_per_epoch = int(len(sourceData) / batch_size) + 1
  for epoch in range(num_epochs):
    # Shuffle the data at each epoch
    if shuffle:
      shuffle_indices = np.random.permutation(np.arange(data_size))
      shuffled_data = sourceData[shuffle_indices]
    else:
      shuffled_data = sourceData

    for batch_num in range(num_batches_per_epoch):
      start_index = batch_num * batch_size
      end_index = min((batch_num + 1) * batch_size, data_size)

      yield shuffled_data[start_index:end_index]

迭代器的用法，具體學(xué)習(xí)Python迭代器的用法

另外需要注意的是，前三種方式只是所有語料遍歷一次，而最后一種方法是，所有語料遍歷了num_epochs次

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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