tensorflow 模型的存档、保存、冻结、优化

模型的保存分三种类型

1. 知道模型结构，单纯保存变量
2. 不知道模型结构，保存模型和变量
3. 不需要再改变量，只要常量化的模型（“冻结”）

第一种用于训练的存档，并且临时恢复，这个时候用户是把训练需要的网络结构在代码里面构造好了的，只是在一定的时间下需要暂时保存网络中的变量，为了在崩溃之后继续训练。所以自然而然会有一个问题，如果我用 Python 写的代码，需要在 C++ 当中恢复，我需要知道你的模型结构，才能恢复，这个最蠢的办法是用 C++ 把你的网络结构再构造一遍，但我们按照统一的协议（比如 Protobuf）确定网络结构，就可以直接从标准序列化的数据中解析网络结构，这就是第二种情况，独立于语言，模型和变量一起保存的情况。然后如果碰到我们不需要再训练了，比如只是把这个模型进行部署，不需要改变相关的变量，那么其实只要一个带常量的模型就可以，这就是第三种情况，把变量冻结的正向传播模型。接下来会依次解释这几种情况的工作方式。

除了这些以外，针对用于服务的模型还可以做很多的优化。

存档只是单纯的保存变量，并且能够恢复，可以在一定的迭代次数以后保存变量，并且从任意一个存档开始重新训练。以两个变量加减 1 为例。

import tensorflow as tf

# Create some variables.
v1 = tf.get_variable("v1", shape=[3], initializer = tf.zeros_initializer)
v2 = tf.get_variable("v2", shape=[5], initializer = tf.zeros_initializer)

inc_v1 = v1.assign(v1+1)
dec_v2 = v2.assign(v2-1)

# Add an op to initialize the variables.
init_op = tf.global_variables_initializer()

# Add ops to save and restore all the variables.
saver = tf.train.Saver()

# Later, launch the model, initialize the variables, do some work, and save the
# variables to disk.
with tf.Session() as sess:
  sess.run(init_op)
  # Do some work with the model.
  inc_v1.op.run()
  dec_v2.op.run()
  # Save the variables to disk.
  save_path = saver.save(sess, "/tmp/tf-test/model.ckpt")
  print("Model saved in path: %s" % save_path)

可以在 /tmp/tf-test 下面看到这几个文件 checkpoint model.ckpt.data-00000-of-00001 model.ckpt.index model.ckpt.meta。

可以通过脚本观察保存的变量 python $tensorflow-src/tensorflow/python/tools/inspect_checkpoint.py --file_name=/tmp/tf-test/model.ckpt --all_tensors

得到保存的变量的内容，注意 model.ckpt 这个只是文件前缀。

tensor_name:  v1
[1. 1. 1.]
tensor_name:  v2
[-1. -1. -1. -1. -1.]

如果要恢复的话，可以通过下面的代码。

import tensorflow as tf

# Create some variables.
v1 = tf.get_variable("v1", shape=[3])
v2 = tf.get_variable("v2", shape=[5])

# Add ops to save and restore all the variables.
saver = tf.train.Saver()

# Later, launch the model, use the saver to restore variables from disk, and
# do some work with the model.
with tf.Session() as sess:
  # Restore variables from disk.
  saver.restore(sess, "/tmp/tf-test/model.ckpt")
  print("Model restored.")
  # Check the values of the variables
  print("v1 : %s" % v1.eval())
  print("v2 : %s" % v2.eval())

得到一样的效果

v1 : [1. 1. 1.]
v2 : [-1. -1. -1. -1. -1.]

具体来说 .meta 对应的是 MetaGraph 和 SaverGraph，.index 对应的是变量值的位置，key 是变量名，value 是变量保存的入口定义，data 变量的值具体保存的文件。这是恢复代码中已经原样构造出了 Graph，如果没有构造的化，需要通过 tf.train.import_meta_graph('/tmp/model.ckpt.meta') 来加载，但是存档保存的信息比较单一，Tensorflow 提供了一个更丰富的 API 来使用。

SavedModelBuilder 保存的 API 比较丰富，能够保存多个 MetaGraph 和 Variables 的组合，除此之外还能附带 assets，并且要指定模型签名，simple_saved 的方法是一个简单版本的调用，适用于 Predict API。这里要展开一下 GraphDef, MetaGraphDef, SignatureDef, tags 这些东西的概念。对于 MetaGraph，这篇文章解释得很清楚。SignatureDef 是对应了一种图的输入和输出，可以依据这个进行 serving API 的调用，类似于函数签名，相对于一个接口的定义。

tensorflow_serving 自己给了个例子，执行 python mnist_saved_model.py /tmp/tf-test-2 以后可以获得一个目录，下面有版本 1 的模型数据，执行 saved_model_cli show --dir /tmp/tf-test-2/1 可以查看对应的签名。可以看到对应的层级关系，默认用于服务的模型会打上 serve 的标签，函数签名有两个，分别对应了 predict 和 classify 的方法。

MetaGraphDef with tag-set: 'serve' contains the following SignatureDefs:

signature_def['predict_images']:
  The given SavedModel SignatureDef contains the following input(s):
    inputs['images'] tensor_info:
        dtype: DT_FLOAT
        shape: (-1, 784)
        name: x:0
  The given SavedModel SignatureDef contains the following output(s):
    outputs['scores'] tensor_info:
        dtype: DT_FLOAT
        shape: (-1, 10)
        name: y:0
  Method name is: tensorflow/serving/predict

signature_def['serving_default']:
  The given SavedModel SignatureDef contains the following input(s):
    inputs['inputs'] tensor_info:
        dtype: DT_STRING
        shape: unknown_rank
        name: tf_example:0
  The given SavedModel SignatureDef contains the following output(s):
    outputs['classes'] tensor_info:
        dtype: DT_STRING
        shape: (-1, 10)
        name: index_to_string_Lookup:0
    outputs['scores'] tensor_info:
        dtype: DT_FLOAT
        shape: (-1, 10)
        name: TopKV2:0
  Method name is: tensorflow/serving/classify

可以参考 tensorflow 的 REST API，比如 GET http://host:port/v1/models/${MODEL_NAME}[/versions/${MODEL_VERSION}] 其实对应这个例子就是 GET http://host:port/v1/models/tf-test-2/versions/1，然后感觉函数签名不同的 method name，可以调用不同的 request，比如 POST http://host:port/v1/models/${MODEL_NAME}[/versions/${MODEL_VERSION}]:predict 这个格式，如果输入和输出对应的是 images 和 scores 那么就对应了第一个签名。

冻结的情况就是变量不再需要修改，直接把变量转化成常量保存成单一的模型，方便在部署的场景下使用。
冻结模型的代码在这里，他的主要流程如下

1. 清除所有 Op 中的 device，让原来在指定 CPU/GPU/节点 上的 Op 不再绑定。
2. 通过 graph_util.convert_variables_to_constants 将所有的 Variable eval 一次，把变量的 Op 的结果拿到，替换成 constant

除了冻结模型以外，还可以删减一些多余的节点，比如 Summary 节点或者 Identity 节点，甚者把 16bit 的浮点数权重修改为 8bit 的浮点数权重（这个在 Tensorflow Lite 里很有用）。这篇文章 列出了详细的优化方式，主要是靠 transform_graph 这个工具，地址在这，他有很详细的柴剪列表，并且可以自己编写裁剪函数，充分做到模型在部署环节的“纯净化”，调用方式也很简单。

transform_graph \
--in_graph=tensorflow_inception_graph.pb \
--out_graph=optimized_inception_graph.pb \
--inputs='Mul:0' \
--outputs='softmax:0' \
--transforms='
strip_unused_nodes(type=float, shape="1,299,299,3")
remove_nodes(op=Identity, op=CheckNumerics)
fold_old_batch_norms
'

在transforms里面加入你想进行优化的 transformer 和对应的参数即可，在科赛上也有在线可以跑的notebook

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