从 Numpy+Pytorch 到 TensorFlow JS：总结和常用平替整理

demo展示

这是一个剪刀石头布预测模型，会根据最近20局的历史数据训练模型，神经网络输入为最近2局的历史数据。

如何拥有较为平滑的移植体验？

• 保持两种语言，和两个框架的API文档处于打开状态，并随时查阅：Python，JavaScript；Pytorch，TensorFlow JS（用浏览器 F3 搜索关键词）。
• 可选阅读，《动手学深度学习》，掌握解决常见学习问题时，Pytorch 和 TensorFlow 的实现方法。 
• 精读 TensorFlow JS 的官方教程，和指南。
• 精读 TensorFlow JS 的官方文档：与 Python tf.keras 的区别。
• 深入了解 JavaScript 特色对象：生成器 Generator，Promise，async await。

一些碎碎念

• JavaScript 不存在像 numpy 之于 python 一样著名且好用的数据处理库，所以请放弃对 JavaScript 原生类型 Array 进行操作的尝试，转而寻找基于 TensorFlow JS API 的解决方法。
• JavaScript 作为一门前端语言，一大特色是包含了大量异步编程（即代码不是顺序执行的，浏览器自有一套标准去调整代码的执行顺序），这是为了保证前端页面不被卡死，所必备的性质。也因此，TensorFlow JS的函数中，许多输入输出传递的都不是数据，而是Promise对象。很多功能支持异步，但如果没有完全搞懂异步编程，不妨多用同步的思路：用 tf.Tensor.arraySync() 把 Tensor 的值取出，具体来说是将 Tensor 对象以同步的方式（即立即执行）拷贝生成出一个新的 array 对象。
• Promise 对象是ES6新增的对象，一般与then一起使用，但掌握 async & await 就够了，这是更简洁的写法。
• 多关注 API 文档中对象方法的返回类型，返回 Promise 对象则与异步编程相关，如果要获取Promise对象储存的值，需要在有 async function 包裹的代码中前置 await 关键字。
• 
• Pytorch 中的张量可以通过索引访问其元素，而 TensorFlow JS 则不能，需要转换为 array 进行访问。

常用平替整理

将张量转换为数组

• Python, Pytorch：

tensor = torch.tensor([1,2,3])
np_array = tensor.numpy()

• JS, tfjs：

// 方式一：arraySync()
let tensor = tf.tensor1d([1,2,3]);
let array = tensor.arraySync();
console.log(array); // [1,2,3]

// 方式二：在async函数体内操作
async function fun() {
    let tensor = tf.tensor1d([1,2,3]);
    let array = await tensor.array();
    console.log(array); // [1,2,3]
}
fun();

// 注意，下面的写法是不行的，因为async函数的返回值是Promise对象
array = async function (){
    return await tensor.array();
}();
console.log(array); // Promise object

// 方式三：用then取出async函数返回Promise对象中的值
let a
(async function() {
    let array = await tensor.array(); 
    return array
})().then(data => {a = data;})
console.log(a); // [1,2,3]

访问张量中的元素

• Python，Pytorch：

tensor = torch.tensor([1,2,3])
print(tensor[0])
print(tensor[-1])

• JS，tfjs（不能直接通过访问tensor，需要转换成array）：

const tensor = tf.tensor1d([1,2,3]);
const array = tensor.arraySync();
console.log(array[0]);
console.log(array[array.length - 1]);

获取字典/对象的关键字

• Python：

actions = {'up':[1,0,0,0], 'down':[0,1,0,0], 'left':[0,0,1,0], 'right':[0,0,0,1]}
actions_keys_list = list(actions.keys())

• JS：

const actions = {'up':[1,0,0,0], 'down':[0,1,0,0], 'left':[0,0,1,0], 'right':[0,0,0,1]};
const actionsKeysArray = Object.keys(actions); 

“先进先出”栈

• Python：

memory = [1,2,3]
memory.append(4) # 入栈
memory.pop(0) # 出栈

• JS：

let memory = [1,2,3];
memory.push(4); // 入栈
memory.splice(0,1); // 出栈

“后进先出”栈

• Python：

memory = [1,2,3]
memory.append(4) # 入栈
memory.pop() # 出栈

• JS：

let memory = [1,2,3];
memory.push(4); // 入栈
memory.pop(); // 出栈

根据概率分布采样元素

• Python，Numpy：

actions = ['up','down','left','right']
prob = [0.1, 0.4, 0.4, 0.1]
sample_action = np.random.choice(actions, p=prob))

• JS，tfjs：

const actions = ['up', 'down', 'left', 'right'];
const prob = [0.1, 0.4, 0.4, 0.1];
sampleActionIndex = tf.multinomial(prob, 1, null, true).arraySync(); // tf.Tensor 不能作为索引，需要用 arraySync() 同步地传输为 array
sampleAction = actions[sampleActionIndex];

找到数组中最大值的索引（Argmax）

• Python，Numpy，Pyorch：

actions = ['up', 'down', 'left', 'right']
prob = [0.1, 0.3, 0.5, 0.1]
prob_tensor = torch.tensor(prob)
action_max_prob = actions[np.array(prob).argmax()] # np.array 可以作为索引
action_max_prob = actions[prob_tensor.argmax().numpy()] # torch.tensor 不能作为索引，需要转换为 np.array 

• JS, tfjs：

const actions = ['up', 'down', 'left', 'right'];
const prob = [0.1, 0.3, 0.5, 0.1];
const probTensor = tf.tensor1d(prob); 
const actionsMaxProb = actions[probTensor.argmax().arraySync()]; // tf.Tensor 不能作为索引，需要用 arraySync()同步地传输为 array

生成等差数列数组

• Python：

range_list = list(range(1,10,1)) 

• JS, tfjs：

const rangeArray = tf.range(1, 10, 1).arraySync();

打乱数组

• Python：

actions = ['up', 'down', 'left', 'right']
print(random.shuffle(actions))

• JS：How to randomize (shuffle) a JavaScript array? 关于原生JS解决方案的大讨论。

• tfjs：（1）用 tf.util 类操作，处理常规的需求。

const actions = ['up', 'down', 'left', 'right'];
tf.util.shuffle(actions);
console.log(actions);

 （2）用 tf.data.shuffle 操作，不建议，该类及其方法一般仅与 神经网络模型更新 绑定使用。

 极简逻辑回归

• Python，Numpy，Pytorch：

import numpy as np
import torch
from torch import nn
import random


class Memory(object):
    # 向Memory输送的数据可以是list，也可以是np.array
    def __init__(self, size=100, batch_size=32):
        self.memory_size = size
        self.batch_size = batch_size
        self.main = []
        
    def save(self, data):
        if len(self.main) == self.memory_size:
            self.main.pop(0)
        self.main.append(data)

    def sample(self):
        samples = random.sample(self.main, self.batch_size)
        return map(np.array, zip(*samples))
    
    
class Model(object):
    # Model中所有方法的输入和返回都是np.array
    def __init__(self, lr=0.01, device=None):
        self.LR = lr
        self.device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu") # 调用GPU 若无则CPU
        self.network = nn.Sequential(nn.Flatten(), 
                                     nn.Linear(10, 32),
                                     nn.ReLU(),
                                     nn.Linear(32, 5),
                                     nn.Softmax(dim=1)).to(self.device)
        self.loss = nn.CrossEntropyLoss(reduction='mean')
        self.optimizer =  torch.optim.Adam(self.network.parameters(), lr=self.LR)
      
    def predict_nograd(self, _input):
        with torch.no_grad():
            _input = np.expand_dims(_input, axis=0)
            _input = torch.from_numpy(_input).float().to(self.device)
            _output = self.network(_input).cpu().numpy()
            _output = np.squeeze(_output)
        return _output
            
    def update(self, input_batch, target_batch):
        # 设置为训练模式
        self.network.train()
        _input_batch = torch.from_numpy(input_batch).float().to(self.device)
        _target_batch = torch.from_numpy(target_batch).float().to(self.device)
        
        self.optimizer.zero_grad()
        _evaluate_batch = self.network(_input_batch)
        batch_loss = self.loss(_evaluate_batch, _target_batch)
        batch_loss.backward()
        self.optimizer.step()
        batch_loss = batch_loss.item()
        
        # 设置为预测模式
        self.network.eval()


if __name__ == '__main__':
    memory = Memory()
    model = Model()
    
    # 产生数据并输送到内存中
    # 假设一个5分类问题
    for i in range(memory.memory_size):
        example = np.random.randint(0,2,size=10)
        label = np.eye(5)[np.random.randint(0,5)]
        data = [example, label]
        memory.save(data)
    
    # 训练100次，每次从内存中随机抽取一个batch的数据
    for i in range(100):
        input_batch, target_batch = memory.sample()
        model.update(input_batch, target_batch)
    
    # 预测
    prediction = model.predict_nograd(np.random.randint(0,2,size=10))
    print(prediction)

• JS，tfjs（网页应用一般不使用GPU）：

const Memory = {
    memorySize : 100,
    main : [],

    saveData : function (data) {
        // data = [input:array, label:array]
        if (this.main.length == this.memorySize) {
            this.main.splice(0,1);
        }
        this.main.push(data);
    },

    getMemoryTensor: function () {
        let inputArray = [],
        labelArray = [];
        for (let i = 0; i < this.main.length; i++) {
            inputArray.push(this.main[i][0])
            labelArray.push(this.main[i][1])
        }
        return {
            inputBatch: tf.tensor2d(inputArray),
            labelBatch: tf.tensor2d(labelArray)
        }
    }
}

const Model = {
    batchSize: 32,
    epoch: 200,
    network: tf.sequential({
        layers: [
            tf.layers.dense({inputShape: [10], units: 16, activation: 'relu'}),
            tf.layers.dense({units: 5, activation: 'softmax'}),
        ]
    }),
    
    compile: function () {
        this.network.compile({
            optimizer: tf.train.sgd(0.1),
            shuffle: true,
            loss: 'categoricalCrossentropy',
            metrics: ['accuracy']
        });
    },

    predict: function (input) {
        // input = array
        // Return tensor1d
        return this.network.predict(tf.tensor2d([input])).squeeze();
    },

    update: async function (inputBatch, labelBatch) {
        // inputBatch = tf.tensor2d(memorySize × 10)
        // labelBatch = tf.tensor2d(memorySize × 5)
        this.compile();

        await this.network.fit(inputBatch, labelBatch, {
            epochs: this.epoch,
            batchSize: this.batchSize
        }).then(info => {
            console.log('Final accuracy', info.history.acc);
        });
    }
}

// 假设一个5分类问题
// 随机生成样例和标签，并填满内存
let example, label, rnd, data;
for (let i = 0; i < Memory.memorySize; i++) {
    example = tf.multinomial(tf.tensor1d([.5, .5]), 10).arraySync();
    rnd = Math.floor(Math.random()*5);
    label = tf.oneHot(tf.tensor1d([rnd], 'int32'), 5).squeeze().arraySync();
    data = [example, label];
    Memory.saveData(data);
}

// 将内存中储存的数据导出为tensor，并训练模型
let {inputBatch, labelBatch} = Memory.getMemoryTensor();
Model.update(inputBatch, labelBatch);