TensorFlow saved_model 模块

因为最近尝试在modelarts中，使用常用框架（这里是TF）来自己开发算法和训练模型、部署模型等，

在“常用框架”的示例中，在训练结束后保存模型时，是这样用的

对这一块呢，我很陌生，所以在网上查找资料时，找到一篇对此讲解很不错的文章，特转载如下。原文地址

saved_model模块主要用于TensorFlow Serving。TF Serving是一个将训练好的模型部署至生产环境的系统，主要的优点在于可以保持Server端与API不变的情况下，部署新的算法或进行试验，同时还有很高的性能。

保持Server端与API不变有什么好处呢？有很多好处，我只从我体会的一个方面举例子说明一下，比如我们需要部署一个文本分类模型，那么输入和输出是可以确定的，输入文本，输出各类别的概率或类别标签。为了得到较好的效果，我们可能想尝试很多不同的模型，CNN，RNN，RCNN等，这些模型训练好保存下来以后，在inference阶段需要重新载入这些模型，我们希望的是inference的代码有一份就好，也就是使用新模型的时候不需要针对新模型来修改inference的代码。这应该如何实现呢？

在TensorFlow 模型保存/载入的两种方法中总结过。
1. 仅用Saver来保存/载入变量。这个方法显然不行，仅保存变量就必须在inference的时候重新定义Graph(定义模型)，这样不同的模型代码肯定要修改。即使同一种模型，参数变化了，也需要在代码中有所体现，至少需要一个配置文件来同步，这样就很繁琐了。
2. 使用tf.train.import_meta_graph导入graph信息并创建Saver， 再使用Saver restore变量。相比第一种，不需要重新定义模型，但是为了从graph中找到输入输出的tensor，还是得用graph.get_tensor_by_name()来获取，也就是还需要知道在定义模型阶段所赋予这些tensor的名字。如果创建各模型的代码都是同一个人完成的，还相对好控制，强制这些输入输出的命名都一致即可。如果是不同的开发者，要在创建模型阶段就强制tensor的命名一致就比较困难了。这样就不得不再维护一个配置文件，将需要获取的tensor名称写入，然后从配置文件中读取该参数。

经过上面的分析发现，要实现inference的代码统一，使用原来的方法也是可以的，只不过TensorFlow官方提供了更好的方法，并且这个方法不仅仅是解决这个问题，所以还是得学习使用saved_model这个模块。

saved_model 保存/载入模型
先列出会用到的API

class tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder

# 初始化方法
__init__(export_dir)

# 导入graph与变量信息 
add_meta_graph_and_variables(
    sess,
    tags,
    signature_def_map=None,
    assets_collection=None,
    legacy_init_op=None,
    clear_devices=False,
    main_op=None
)

# 载入保存好的模型
tf.saved_model.loader.load(
    sess,
    tags,
    export_dir,
    **saver_kwargs
)

(1) 最简单的场景，只是保存/载入模型
保存
要保存一个已经训练好的模型，使用下面三行代码就可以了。

builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder(saved_model_dir)
builder.add_meta_graph_and_variables(sess, ['tag_string'])
builder.save()

首先构造SavedModelBuilder对象，初始化方法只需要传入用于保存模型的目录名，目录不用预先创建。

add_meta_graph_and_variables方法导入graph的信息以及变量，这个方法假设变量都已经初始化好了，对于每个SavedModelBuilder这个方法一定要执行一次用于导入第一个meta graph。

第一个参数传入当前的session，包含了graph的结构与所有变量。

第二个参数是给当前需要保存的meta graph一个标签，标签名可以自定义，在之后载入模型的时候，需要根据这个标签名去查找对应的MetaGraphDef，找不到就会报如RuntimeError: MetaGraphDef associated with tags 'foo' could not be found in SavedModel这样的错。标签也可以选用系统定义好的参数，如tf.saved_model.tag_constants.SERVING与tf.saved_model.tag_constants.TRAINING。

save方法就是将模型序列化到指定目录底下。

保存好以后到saved_model_dir目录下，会有一个saved_model.pb文件以及variables文件夹。顾名思义，variables保存所有变量，saved_model.pb用于保存模型结构等信息。

载入
使用tf.saved_model.loader.load方法就可以载入模型。如

meta_graph_def = tf.saved_model.loader.load(sess, ['tag_string'], saved_model_dir)

第一个参数就是当前的session，第二个参数是在保存的时候定义的meta graph的标签，标签一致才能找到对应的meta graph。第三个参数就是模型保存的目录。

load完以后，也是从sess对应的graph中获取需要的tensor来inference。如

x = sess.graph.get_tensor_by_name('input_x:0')
y = sess.graph.get_tensor_by_name('predict_y:0')

# 实际的待inference的样本
_x = ... 
sess.run(y, feed_dict={x: _x})

这样和之前的第二种方法一样，也是要知道tensor的name。那么如何可以在不知道tensor name的情况下使用呢？ 那就需要给add_meta_graph_and_variables方法传入第三个参数，signature_def_map。

(2) 使用SignatureDef
关于SignatureDef我的理解是，它定义了一些协议，对我们所需的信息进行封装，我们根据这套协议来获取信息，从而实现创建与使用模型的解耦。SignatureDef的结构以及相关详细的文档在：https://github.com/tensorflow/serving/blob/master/tensorflow_serving/g3doc/signature_defs.md

相关API

# 构建signature
tf.saved_model.signature_def_utils.build_signature_def(
    inputs=None,
    outputs=None,
    method_name=None
)

# 构建tensor info 
tf.saved_model.utils.build_tensor_info(tensor)

SignatureDef，将输入输出tensor的信息都进行了封装，并且给他们一个自定义的别名，所以在构建模型的阶段，可以随便给tensor命名，只要在保存训练好的模型的时候，在SignatureDef中给出统一的别名即可。

TensorFlow的关于这部分的例子中用到了不少signature_constants，这些constants的用处主要是提供了一个方便统一的命名。在我们自己理解SignatureDef的作用的时候，可以先不用管这些，遇到需要命名的时候，想怎么写怎么写。

保存
假设定义模型输入的别名为“input_x”，输出的别名为“output” ，使用SignatureDef的代码如下

builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder(saved_model_dir)
# x 为输入tensor, keep_prob为dropout的prob tensor 
inputs = {'input_x': tf.saved_model.utils.build_tensor_info(x), 
            'keep_prob': tf.saved_model.utils.build_tensor_info(keep_prob)}

# y 为最终需要的输出结果tensor 
outputs = {'output' : tf.saved_model.utils.build_tensor_info(y)}

signature = tf.saved_model.signature_def_utils.build_signature_def(inputs, outputs, 'test_sig_name')

builder.add_meta_graph_and_variables(sess, ['test_saved_model'], {'test_signature':signature})
builder.save()

上述inputs增加一个keep_prob是为了说明inputs可以有多个， build_tensor_info方法将tensor相关的信息序列化为TensorInfo protocol buffer。

inputs，outputs都是dict，key是我们约定的输入输出别名，value就是对具体tensor包装得到的TensorInfo。

然后使用build_signature_def方法构建SignatureDef，第三个参数method_name暂时先随便给一个。

创建好的SignatureDef是用在add_meta_graph_and_variables的第三个参数signature_def_map中，但不是直接传入SignatureDef对象。事实上signature_def_map接收的是一个dict，key是我们自己命名的signature名称，value是SignatureDef对象。

载入
载入与使用的代码如下

## 略去构建sess的代码

signature_key = 'test_signature'
input_key = 'input_x'
output_key = 'output'

meta_graph_def = tf.saved_model.loader.load(sess, ['test_saved_model'], saved_model_dir)
# 从meta_graph_def中取出SignatureDef对象
signature = meta_graph_def.signature_def

# 从signature中找出具体输入输出的tensor name 
x_tensor_name = signature[signature_key].inputs[input_key].name
y_tensor_name = signature[signature_key].outputs[output_key].name

# 获取tensor 并inference
x = sess.graph.get_tensor_by_name(x_tensor_name)
y = sess.graph.get_tensor_by_name(y_tensor_name)

# _x 实际输入待inference的data
sess.run(y, feed_dict={x:_x})

从上面两段代码可以知道，我们只需要约定好输入输出的别名，在保存模型的时候使用这些别名创建signature，输入输出tensor的具体名称已经完全隐藏，这就实现创建模型与使用模型的解耦。
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