GradienTape 收斂速度比 Keras.model.fit 慢得多

Question

我目前正在嘗試獲取TF2.0 api，但是當我將GradientTape與常規keras.Model.fit進行比較時

1. 它運行速度較慢（可能是由於急切執行）

2. 它收斂得慢得多（我不知道為什么）。

+--------+--------------+--------------+------------------+
|  Epoch | GradientTape | GradientTape | keras.Model.fit  |
|        |              |  shuffling   |                  |
+--------+--------------+--------------+------------------+
|    1   |     0.905    |     0.918    |      0.8793      |
+--------+--------------+--------------+------------------+
|    2   |     0.352    |     0.634    |      0.2226      |
+--------+--------------+--------------+------------------+
|    3   |     0.285    |     0.518    |      0.1192      |
+--------+--------------+--------------+------------------+
|    4   |     0.282    |     0.458    |      0.1029      |
+--------+--------------+--------------+------------------+
|    5   |     0.275    |     0.421    |      0.0940      |
+--------+--------------+--------------+------------------+

這是我與GradientTape一起使用的訓練循環：

optimizer = keras.optimizers.Adam()
glove_model = GloveModel(vocab_size=len(labels))
train_loss = keras.metrics.Mean(name='train_loss')

@tf.function
def train_step(examples, labels):
    with tf.GradientTape() as tape:
        predictions = glove_model(examples)
        loss = glove_model.glove_loss(labels, predictions)

    gradients = tape.gradient(loss, glove_model.trainable_variables)
    optimizer.apply_gradients(zip(gradients, glove_model.trainable_variables))

    train_loss(loss)



total_step = 0
for epoch in range(epochs_number):

    pbar = tqdm(train_ds.enumerate(), total=int(len(index_data) / batch_size) + 1)

    for ix, (examples, labels) in pbar:

        train_step(examples, labels)


    print(f"Epoch {epoch + 1}, Loss {train_loss.result()}")

    # Reset the metrics for the next epoch
    train_loss.reset_states()

這是Keras.Model.fit培訓：

glove_model.compile(optimizer, glove_model.glove_loss)
glove_model.fit(train_ds, epochs=epochs_number)

這是tf.data.Dataset源

train_ds = data.Dataset.from_tensor_slices(
    (np.hstack([index_rows.reshape(-1, 1), index_cols.reshape(-1, 1)]), index_data)
).shuffle(100000).batch(batch_size, drop_remainder=True)

這是 model。

class GloveModel(keras.Model):

    def __init__(self, vocab_size, dim=100, a=3/4, x_max=100):
        super(GloveModel, self).__init__()

        self.vocab_size = vocab_size
        self.dim = dim
        self.a = a
        self.x_max = x_max

        self.target_embedding = layers.Embedding(
            input_dim=self.vocab_size, output_dim=self.dim, input_length=1, name="target_embedding"
        )
        self.target_bias = layers.Embedding(
            input_dim=self.vocab_size, output_dim=1, input_length=1, name="target_bias"
        )

        self.context_embedding = layers.Embedding(
            input_dim=self.vocab_size, output_dim=self.dim, input_length=1, name="context_embedding"
        )
        self.context_bias = layers.Embedding(
            input_dim=self.vocab_size, output_dim=1, input_length=1, name="context_bias"
        )

        self.dot_product = layers.Dot(axes=-1, name="dot")

        self.prediction = layers.Add(name="add")
        self.step = 0

    def call(self, inputs):

        target_ix = inputs[:, 0]
        context_ix = inputs[:, 1]

        target_embedding = self.target_embedding(target_ix)
        target_bias = self.target_bias(target_ix)

        context_embedding = self.context_embedding(context_ix)
        context_bias = self.context_bias(context_ix)

        dot_product = self.dot_product([target_embedding, context_embedding])
        prediction = self.prediction([dot_product, target_bias, context_bias])

        return prediction

    def glove_loss(self, y_true, y_pred):

        weight = tf.math.minimum(
            tf.math.pow(y_true/self.x_max, self.a), 1.0
        )
        loss_value = tf.math.reduce_mean(weight * tf.math.pow(y_pred - tf.math.log(y_true), 2.0))

        return loss_value

我嘗試了多種配置和優化器，但似乎沒有任何改變收斂速度。

Answer 1

Dataset.shuffle()只打亂每個小批量，所以每個時期都有相同的順序。 Keras .fit()在每個 epoch 之前使用一些魔法來打亂整個數據集。 要在 TF 中執行此操作，您需要使用 Dataset .repeat(epochs_number)和.shuffle(..., reshuffle_each_iteration=True) ：

train_ds = data.Dataset.from_tensor_slices(
    (np.hstack([index_rows.reshape(-1, 1), index_cols.reshape(-1, 1)]), index_data)
    ).shuffle(100000, reshuffle_each_iteration=True
    ).batch(batch_size, drop_remainder=True
    ).repeat(epochs_number)

for ix, (examples, labels) in train_ds.enumerate():
    train_step(examples, labels)
    current_epoch = ix // (len(index_data) // batch_size)

這種解決方法既不美觀也不自然，目前您可以使用它來隨機播放每個時期。 這是一個已知問題，將得到修復，將來您可以使用for epoch in range(epochs_number)而不是.repeat() 。

Answer 2

問題來自使用tf.Dataset方法的改組。 它當時只在數據集一個桶中洗牌。 使用Keras.Model.fit 會產生更好的結果，因為它可能會增加另一個洗牌。

我用numpy.random.shuffle添加了一個改組，它提高了兩種訓練方法的性能：

數據集的生成現在是：

numpy_data = np.hstack([index_rows.reshape(-1, 1), index_cols.reshape(-1, 1), index_data.reshape(-1, 1)])

np.random.shuffle(numpy_data)

indexes = np.array(numpy_data[:, :2], dtype=np.uint32)
labels = np.array(numpy_data[:, 2].reshape(-1, 1), dtype=np.float32)

train_ds = data.Dataset.from_tensor_slices(
    (indexes, labels)
).shuffle(100000).batch(batch_size, drop_remainder=True)

結果是：

+--------+--------------+------------------+
|  Epoch | GradientTape |  keras.Model.fit |
+--------+--------------+------------------+
|    1   |     0.294    |      0.294       |
+--------+--------------+------------------+
|    2   |     0.111    |      0.110       |
+--------+--------------+------------------+
|    3   |     0.089    |      0.089       |
+--------+--------------+------------------+
|    4   |     0.074    |      0.075       |
+--------+--------------+------------------+
|    5   |     0.063    |      0.063       |
+--------+--------------+------------------+

每個 epoch 的訓練類型大致相同，為2minutes per epoch 。