【6.1.3】tensorflow神经网络操作--变量作用域（ get_variable | variable_scope | name_scope Variable ）

一、前言

TensorFlow中的变量一般就是模型的参数。当模型复杂的时候共享变量会无比复杂。

官网给了一个case，当创建两层卷积的过滤器时，每输入一次图片就会创建一次过滤器对应的变量，但是我们希望所有图片都共享同一过滤器变量，一共有4个变量：conv1_weights,conv1_biases,conv2_weights, and conv2_biases。

通常的做法是将这些变量设置为全局变量。但是存在的问题是打破封装性，这些变量必须文档化被其他代码文件引用，一旦代码变化，调用方也可能需要变化。

还有一种保证封装性的方式是将模型封装成类。

不过TensorFlow提供了Variable Scope 这种独特的机制来共享变量。这个机制涉及两个主要函数：

tf.get_variable(<name>, <shape>, <initializer>) 创建或返回给定名称的变量
tf.variable_scope(<scope_name>) 管理传给get_variable()的变量名称的作用域

在下面的代码中，通过tf.get_variable()创建了名称分别为weights和biases的两个变量。

def conv_relu(input, kernel_shape, bias_shape):
    # Create variable named "weights".
    weights = tf.get_variable("weights", kernel_shape,
        initializer=tf.random_normal_initializer())
    # Create variable named "biases".
    biases = tf.get_variable("biases", bias_shape,
        initializer=tf.constant_initializer(0.0))
    conv = tf.nn.conv2d(input, weights,
        strides=[1, 1, 1, 1], padding='SAME')
    return tf.nn.relu(conv + biases)

但是我们需要两个卷积层，这时可以通过tf.variable_scope()指定作用域进行区分，如with tf.variable_scope(“conv1”)这行代码指定了第一个卷积层作用域为conv1，

在这个作用域下有两个变量weights和biases。

def my_image_filter(input_images):
    with tf.variable_scope("conv1"):
        # Variables created here will be named "conv1/weights", "conv1/biases".
        relu1 = conv_relu(input_images, [5, 5, 32, 32], [32])
    with tf.variable_scope("conv2"):
        # Variables created here will be named "conv2/weights", "conv2/biases".
        return conv_relu(relu1, [5, 5, 32, 32], [32])

最后在image_filters这个作用域重复使用第一张图片输入时创建的变量，调用函数reuse_variables()，代码如下：

with tf.variable_scope("image_filters") as scope:
    result1 = my_image_filter(image1)
    scope.reuse_variables()
    result2 = my_image_filter(image2)

二、tf.get_variable

函数

get_variable(name, shape=None, dtype=dtypes.float32, initializer=None,
                 regularizer=None, trainable=True, collections=None,
                 caching_device=None, partitioner=None, validate_shape=True,
                 custom_getter=None):

参数介绍

• name: 这个不用说了，变量的名字
• shape: 变量的形状，[]表示一个数，[3]表示长为3的向量，[2,3]表示矩阵或者张量(tensor)
• dtype: 变量的数据格式，主要有tf.int32, tf.float32, tf.float64等等
• initializer: 初始化工具，有tf.zero_initializer, tf.ones_initializer, tf.constant_initializer, tf.random_uniform_initializer, tf.random_normal_initializer, tf.truncated_normal_initializer等

tf.get_variable()工作机制是这样的：

当tf.get_variable_scope().reuse == False，调用该函数会创建新的变量

with tf.variable_scope("foo"):
    v = tf.get_variable("v", [1])
assert v.name == "foo/v:0"
　　

当tf.get_variable_scope().reuse == True，调用该函数会重用已经创建的变量

with tf.variable_scope("foo"):
    v = tf.get_variable("v", [1])
with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
    v1 = tf.get_variable("v", [1])
assert v1 is v

　　 变量都是通过作用域/变量名来标识，后面会看到作用域可以像文件路径一样嵌套。

三、tf.variable_scope理解

tf.variable_scope()用来指定变量的作用域，作为变量名的前缀，支持嵌套，如下：

with tf.variable_scope("foo"):
    with tf.variable_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
assert v.name == "foo/bar/v:0"

　　 当前环境的作用域可以通过函数tf.get_variable_scope()获取，并且reuse标志可以通过调用reuse_variables()设置为True，这个非常有用，如下

with tf.variable_scope("foo"):
    v = tf.get_variable("v", [1])
    tf.get_variable_scope().reuse_variables()
    v1 = tf.get_variable("v", [1])
assert v1 is v

作用域中的resuse默认是False，调用函数reuse_variables()可设置为True，一旦设置为True，就不能返回到False，并且该作用域的子空间reuse都是True。如果不想重用变量，那么可以退回到上层作用域，相当于exit当前作用域，如

with tf.variable_scope("root"):
    # At start, the scope is not reusing.
    assert tf.get_variable_scope().reuse == False
    with tf.variable_scope("foo"):
        # Opened a sub-scope, still not reusing.
        assert tf.get_variable_scope().reuse == False
    with tf.variable_scope("foo", reuse=True):
        # Explicitly opened a reusing scope.
        assert tf.get_variable_scope().reuse == True
        with tf.variable_scope("bar"):
            # Now sub-scope inherits the reuse flag.
            assert tf.get_variable_scope().reuse == True
    # Exited the reusing scope, back to a non-reusing one.
    assert tf.get_variable_scope().reuse == False

一个作用域可以作为另一个新的作用域的参数，如：

with tf.variable_scope("foo") as foo_scope:
    v = tf.get_variable("v", [1])
with tf.variable_scope(foo_scope):
    w = tf.get_variable("w", [1])
with tf.variable_scope(foo_scope, reuse=True):
    v1 = tf.get_variable("v", [1])
    w1 = tf.get_variable("w", [1])
assert v1 is v
assert w1 is w

不管作用域如何嵌套，当使用with tf.variable_scope()打开一个已经存在的作用域时，就会跳转到这个作用域。

with tf.variable_scope("foo") as foo_scope:
    assert foo_scope.name == "foo"
with tf.variable_scope("bar"):
    with tf.variable_scope("baz") as other_scope:
        assert other_scope.name == "bar/baz"
        with tf.variable_scope(foo_scope) as foo_scope2:
            assert foo_scope2.name == "foo"  # Not changed.

　　 variable scope的Initializers可以创递给子空间和tf.get_variable()函数，除非中间有函数改变，否则不变。

with tf.variable_scope("foo", initializer=tf.constant_initializer(0.4)):
    v = tf.get_variable("v", [1])
    assert v.eval() == 0.4  # Default initializer as set above.
    w = tf.get_variable("w", [1], initializer=tf.constant_initializer(0.3)):
    assert w.eval() == 0.3  # Specific initializer overrides the default.
    with tf.variable_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        assert v.eval() == 0.4  # Inherited default initializer.
    with tf.variable_scope("baz", initializer=tf.constant_initializer(0.2)):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        assert v.eval() == 0.2  # Changed default initializer.

算子（ops）会受变量作用域（variable scope）影响，相当于隐式地打开了同名的名称作用域（name scope)，如+这个算子的名称为foo/add

with tf.variable_scope("foo"):
    x = 1.0 + tf.get_variable("v", [1])
assert x.op.name == "foo/add"

除了变量作用域（variable scope），还可以显式打开名称作用域（name scope)，名称作用域仅仅影响算子的名称，不影响变量的名称。另外如果tf.variable_scope()传入字符参数，创建变量作用域的同时会隐式创建同名的名称作用域。如下面的例子，变量v的作用域是foo，而算子x的算子变为foo/bar，因为有隐式创建名称作用域foo

with tf.variable_scope("foo"):
    with tf.name_scope("bar"):
        v = tf.get_variable("v", [1])
        x = 1.0 + v
assert v.name == "foo/v:0"
assert x.op.name == "foo/bar/add"

　　 注意： 如果tf.variable_scope()传入的不是字符串而是scope对象，则不会隐式创建同名的名称作用域。

四、讨论

1. tf.get_variable 与 tf.Variable区别

当tf.get_variable用于创建变量时，则与tf.Variable的功能基本相同。

相同点：

• 通过两函数创建变量的过程基本一样，且tf.variable函数调用时提供的维度(shape)信息以及初始化方法(initializer)的参数和tf.Variable函数调用时提供的初始化过程中的参数基本类似。
• tf.Variable(<variable_name>)和tf.get_variable(<variable_name>)都是用于在一个name_scope下面获取或创建一个变量的两种方式

不同等：

• 两函数指定变量名称的参数不同，对于tf.Variable函数，变量名称是一个可选的参数，通过name=“v"的形式给出；而tf.get_variable函数，变量名称是一个必填的参数，它会根据变量名称去创建或者获取变量
• 在上下文管理器中已经生成一个v的变量，若想通过tf.get_variable函数获取其变量，则可以通过reuse参数的设定为True来获取（可以将reuse按照字面意思理解，重用）
• tf.Variable(<variable_name>)用于创建一个新变量，在同一个name_scope下面，可以创建相同名字的变量，底层实现会自动引入别名机制，两次调用产生了其实是两个不同的变量。tf.get_variable(<variable_name>)用于获取一个变量，并且不受name_scope的约束。当这个变量已经存在时，则自动获取；如果不存在，则自动创建一个变量。

2.variable_scope和name_scope区别

• tf.variable_scope可以让变量有相同的命名，包括tf.get_variable得到的变量，还有tf.Variable的变量
• tf.name_scope可以让变量有相同的命名，只是限于tf.Variable的变量
• tf.name_scope(<scope_name>):主要用于管理一个图里面的各种op，返回的是一个以scope_name命名的context manager。一个graph会维护一个name_space的 堆，每一个namespace下面可以定义各种op或者子namespace，实现一种层次化有条理的管理，避免各个op之间命名冲突。
• tf.variable_scope(<scope_name>)：一般与tf.name_scope()配合使用，用于管理一个graph中变量的名字，避免变量之间的命名冲突，tf.variable_scope(<scope_name>)允许在一个variable_scope下面共享变量。 需要注意的是：创建一个新的variable_scope时不需要把reuse属性设置未False，只需要在使用的时候设置为True就可以了。

在 tf.name_scope下时，tf.get_variable()创建的变量名不受 name_scope 的影响，而且在未指定共享变量时，如果重名会报错，tf.Variable()会自动检测有没有变量重名，如果有则会自行处理。

import tensorflow as tf

with tf.name_scope('name_scope_x'):
    var1 = tf.get_variable(name='var1', shape=[1], dtype=tf.float32)
    var3 = tf.Variable(name='var2', initial_value=[2], dtype=tf.float32)
    var4 = tf.Variable(name='var2', initial_value=[2], dtype=tf.float32)

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    print(var1.name, sess.run(var1))
    print(var3.name, sess.run(var3))
    print(var4.name, sess.run(var4))
# 输出结果：
# var1:0 [-0.30036557]   可以看到前面不含有指定的'name_scope_x'
# name_scope_x/var2:0 [ 2.]
# name_scope_x/var2_1:0 [ 2.]  可以看到变量名自行变成了'var2_1'，避免了和'var2'冲突

如果使用tf.get_variable()创建变量，且没有设置共享变量，重名时会报错

import tensorflow as tf

with tf.name_scope('name_scope_1'):
    var1 = tf.get_variable(name='var1', shape=[1], dtype=tf.float32)
    var2 = tf.get_variable(name='var1', shape=[1], dtype=tf.float32)
with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    print(var1.name, sess.run(var1))
    print(var2.name, sess.run(var2))

# ValueError: Variable var1 already exists, disallowed. Did you mean 
# to set reuse=True in VarScope? Originally defined at:
# var1 = tf.get_variable(name='var1', shape=[1], dtype=tf.float32)

所以要共享变量，需要使用tf.variable_scope()

import tensorflow as tf

with tf.variable_scope('variable_scope_y') as scope:
    var1 = tf.get_variable(name='var1', shape=[1], dtype=tf.float32)
    scope.reuse_variables()  # 设置共享变量
    var1_reuse = tf.get_variable(name='var1')
    var2 = tf.Variable(initial_value=[2.], name='var2', dtype=tf.float32)
    var2_reuse = tf.Variable(initial_value=[2.], name='var2', dtype=tf.float32)

with tf.Session() as sess:
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    print(var1.name, sess.run(var1))
    print(var1_reuse.name, sess.run(var1_reuse))
    print(var2.name, sess.run(var2))
    print(var2_reuse.name, sess.run(var2_reuse))
# 输出结果：
# variable_scope_y/var1:0 [-1.59682846]
# variable_scope_y/var1:0 [-1.59682846]   可以看到变量var1_reuse重复使用了var1
# variable_scope_y/var2:0 [ 2.]
# variable_scope_y/var2_1:0 [ 2.]

也可以这样

with tf.variable_scope('foo') as foo_scope:
    v = tf.get_variable('v', [1])
with tf.variable_scope('foo', reuse=True):
    v1 = tf.get_variable('v')
assert v1 == v

或者这样：

with tf.variable_scope('foo') as foo_scope:
    v = tf.get_variable('v', [1])
with tf.variable_scope(foo_scope, reuse=True):
    v1 = tf.get_variable('v')
assert v1 == v

参考资料

• http://www.cnblogs.com/MY0213/p/9208503.html
• https://blog.csdn.net/uestc_c2_403/article/details/72328815
• https://blog.csdn.net/zSean/article/details/75057806
• https://www.zhihu.com/question/54513728