tensorflow机器学习模型的跨平台上线（java-api）

水深无声 2021-06-22 15:29 446阅读 0赞

在[用PMML实现机器学习模型的跨平台上线][PMML]中，我们讨论了使用PMML文件来实现跨平台模型上线的方法，这个方法当然也适用于tensorflow生成的模型，但是由于tensorflow模型往往较大，使用无法优化的PMML文件大多数时候很笨拙，因此本文我们专门讨论下tensorflow机器学习模型的跨平台上线的方法。

# 1. tensorflow模型的跨平台上线的备选方案 #

tensorflow模型的跨平台上线的备选方案一般有三种：即PMML方式，tensorflow serving方式，以及跨语言API方式。

PMML方式的主要思路在上一篇以及讲过。这里唯一的区别是转化生成PMML文件需要用一个Java库[jpmml-tensorflow][]来完成，生成PMML文件后，跨语言加载模型和其他PMML模型文件基本类似。

tensorflow serving是tensorflow 官方推荐的模型上线预测方式，它需要一个专门的tensorflow服务器，用来提供预测的API服务。如果你的模型和对应的应用是比较大规模的，那么使用tensorflow serving是比较好的使用方式。但是它也有一个缺点，就是比较笨重，如果你要使用tensorflow serving，那么需要自己搭建serving集群并维护这个集群。所以为了一个小的应用去做这个工作，有时候会觉得麻烦。

跨语言API方式是本文要讨论的方式，它会用tensorflow自己的Python API生成模型文件，然后用tensorflow的客户端库比如Java或C++库来做模型的在线预测。下面我们会给一个生成生成模型文件并用tensorflow Java API来做在线预测的例子。

# 2. 训练模型并生成模型文件 #

我们这里给一个简单的逻辑回归并生成逻辑回归tensorflow模型文件的例子。

完整代码参见我的github:https://github.com/ljpzzz/machinelearning/blob/master/model-in-product/tensorflow-java

首先，我们生成了一个6特征，3分类输出的4000个样本数据。

import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    %matplotlib inline
    from sklearn.datasets.samples_generator import make_classification
    import tensorflow as tf
    X1, y1 = make_classification(n_samples=4000, n_features=6, n_redundant=0,
                                 n_clusters_per_class=1, n_classes=3)

接着我们构建tensorflow的数据流图，这里要注意里面的两个名字，第一个是输入x的名字input,第二个是输出prediction\_labels的名字output，这里的这两个名字可以自己取，但是后面会用到，所以要保持一致。

learning_rate = 0.01
    training_epochs = 600
    batch_size = 100
    
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, 6],name='input') # 6 features
    y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 3]) # 3 classes
    
    W = tf.Variable(tf.zeros([6, 3]))
    b = tf.Variable(tf.zeros([3]))
    
    # softmax回归
    pred = tf.nn.softmax(tf.matmul(x, W) + b, name="softmax") 
    cost = tf.reduce_mean(-tf.reduce_sum(y*tf.log(pred), reduction_indices=1))
    optimizer = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(cost)
    
    prediction_labels = tf.argmax(pred, axis=1, name="output")
    
    init = tf.global_variables_initializer()

接着就是训练模型了，代码比较简单，毕竟只是一个演示：

sess = tf.Session()
    sess.run(init)
    y2 = tf.one_hot(y1, 3)
    y2 = sess.run(y2)
    
    for epoch in range(training_epochs):
    
        _, c = sess.run([optimizer, cost], feed_dict={x: X1, y: y2})
        if (epoch+1) % 10 == 0:
            print ("Epoch:", '%04d' % (epoch+1), "cost=", "{:.9f}".format(c))
        
    print ("优化完毕!")
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(pred, 1), tf.argmax(y2, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))
    acc = sess.run(accuracy, feed_dict={x: X1, y: y2})
    print (acc)

打印输出我这里就不写了，大家可以自己去试一试。接着就是关键的一步，存模型文件了，注意要用convert\_variables\_to\_constants这个API来保存模型，否则模型参数不会随着模型图一起存下来。

graph = tf.graph_util.convert_variables_to_constants(sess, sess.graph_def, ["output"])
    tf.train.write_graph(graph, '.', 'rf.pb', as_text=False)

至此，我们的模型文件rf.pb已经被保存下来了，下面就是要跨平台上线了。

# 3. 模型文件在Java平台上线 #

这里我们以Java平台的模型上线为例，C++的API上线我没有用过，这里就不写了。我们需要引入tensorflow的java库到我们工程的maven或者gradle文件。这里给出maven的依赖如下，版本可以根据实际情况选择一个较新的版本。

<dependency>
                <groupId>org.tensorflow</groupId>
                <artifactId>tensorflow</artifactId>
                <version>1.7.0</version>
            </dependency>

接着就是代码了，这个代码会比JPMML的要简单，我给出了4个测试样本的预测例子如下，一定要注意的是里面的input和output要和训练模型的时候对应的节点名字一致。

import org.tensorflow.*;
    import org.tensorflow.Graph;
    
    import java.io.IOException;
    import java.nio.file.Files;
    import java.nio.file.Paths;
    
    
    /**
     * Created by 刘建平pinard on 2018/7/1.
     */
    public class TFjavaDemo {
        public static void main(String args[]){
            byte[] graphDef = loadTensorflowModel("D:/rf.pb");
            float inputs[][] = new float[4][6];
            for(int i = 0; i< 4; i++){
                for(int j =0; j< 6;j++){
                    if(i<2) {
                        inputs[i][j] = 2 * i - 5 * j - 6;
                    }
                    else{
                        inputs[i][j] = 2 * i + 5 * j - 6;
                    }
                }
            }
            Tensor<Float> input = covertArrayToTensor(inputs);
            Graph g = new Graph();
            g.importGraphDef(graphDef);
            Session s = new Session(g);
            Tensor result = s.runner().feed("input", input).fetch("output").run().get(0);
    
            long[] rshape = result.shape();
            int rs = (int) rshape[0];
            long realResult[] = new long[rs];
            result.copyTo(realResult);
    
            for(long a: realResult ) {
                System.out.println(a);
            }
        }
        static private byte[] loadTensorflowModel(String path){
            try {
                return Files.readAllBytes(Paths.get(path));
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            return null;
        }
    
        static private Tensor<Float> covertArrayToTensor(float inputs[][]){
            return Tensors.create(inputs);
        }
    }

我的预测输出是1,1,0,0，供大家参考。

# 4. 一点小结 #

对于tensorflow来说，模型上线一般选择tensorflow serving或者client API库来上线，前者适合于较大的模型和应用场景，后者则适合中小型的模型和应用场景。因此算法工程师使用在产品之前需要做好选择和评估。

[PMML]: https://www.cnblogs.com/pinard/p/9220199.html
[jpmml-tensorflow]: https://github.com/jpmml/jpmml-tensorflow