TensorFlow 队列与多线程的应用

深度学习的模型训练过程往往需要大量的数据，而将这些数据一次性的读入和预处理需要大量的时间开销，所以通常采用队列与多线程的思想解决这个问题，而且TensorFlow为我们提供了完善的函数。

实现队列

在Python中是没有提供直接实现队列的函数的，所以通常会使用列表模拟队列。 而TensorFlow提供了整套实现队列的函数和方法，在TensorFlow中，队列和变量类似，都是计算图上有状态的节点。操作队列的函数主要有：

FIFOQueue()：创建一个先入先出（FIFO）的队列 RandomShuffleQueue()：创建一个随机出队的队列 enqueue_many()：初始化队列中的元素 dequeue()：出队 enqueue()：入队

下面是一个例子：

import tensorflow as tf

q = tf.FIFOQueue(3,"int32")
init = q.enqueue_many(([0,1,2],))

x = q.dequeue()
y = x + 1
q_inc = q.enqueue([y]) 

with tf.Session() as sess:
     init.run()
     for a in range(5):
          v,a = sess.run([x,q_inc])
          print(v)

打印结果： 0 1 2 1 2 原理如下图：

多线程协同

TensorFlow为我们提供了多线程协同操作的类—tf.Coordinator，其函数主要有： should_stop()：确定当前线程是否退出 request_stop()：通知其他线程退出 join()：等待所有线程终止 假设有五个线程同时在工作，每个线程自身会先判断should_stop()的值，当其返回值为True时，则退出当前线程；如果为Flase，也继续该线程。此时如果线程3发出了request_stop()通知，则其它4个线程的should_stop()将全部变为True，然后线程4自身的should_stop()也将变为True，则退出了所有线程。 下面是一段代码：

import tensorflow as tf
import numpy as np
import time
import threading

def MyLoop(coord,worker_id):
     while not coord.should_stop():
          if np.random.rand()<0.09:
               print('stoping from id:',worker_id)
               coord.request_stop()
          else:
               print('working from id:',worker_id)
          time.sleep(1)

coord = tf.train.Coordinator()
#声明5个线程
threads=[threading.Thread(target=MyLoop,args=(coord,i,)) for i in range(5)]
#遍历五个线程
for t in threads:  
     t.start()
coord.join(threads)       

打印结果： working from id: 0 working from id: 1 working from id: 2 working from id: 3 working from id: 4 stoping from id: 0

在第一轮遍历过程中，所有进程的should_stop()都为Flase，且随机数都大于等于0.09，所以依次打印了working from id: 0-5，再重新回到进程0时，出现了小于0.09的随机数，即进程0发出了request_stop()请求，进程1-4的should_stop()返回值全部为True（进程退出），也就无法进入while，进程0的should_stop()返回值也将为True（退出），五个进程全部退出。

多线程操作队列

前面说到了队列的操作，多线程协同的操作，在多线程协同的代码中让每一个线程打印自己的id编号，下面我们说下如何用多线程操作一个队列。 TensorFlow提供了队列tf.QueueRunner类处理多个线程操作同一队列，启动的线程由上面提到的tf.Coordinator类统一管理，常用的操作有： QueueRunner()：启动线程，第一个参数为线程需要操作的队列，第二个参数为对队列的操作，如enqueue_op，此时的enqueue_op = queue.enqueue() add_queue_runner()：在图中的一个集合中加‘QueueRunner’，如果没有指定的合集的话，会被添加到tf.GraphKeys.QUEUE_RUNNERS合集 start_queue_runners()：启动所有被添加到图中的线程

import tensorflow as tf

#创建队列
queue = tf.FIFOQueue(100,'float')
#入队
enqueue_op = queue.enqueue(tf.random_normal([1]))
#启动5个线程，执行enqueue_op
qr = tf.train.QueueRunner( queue,[enqueue_op] * 5)
#添加线程到图
tf.train.add_queue_runner(qr)
#出队
out_tensor = queue.dequeue()

with tf.Session() as sess:
     coord = tf.train.Coordinator()
     threads=tf.train.start_queue_runners(sess=sess,coord=coord)
     for i in range(6):
          print(sess.run(out_tensor)[0])
     coord.request_stop()
     coord.join(threads)

打印结果： -0.543751 -0.712543 1.32066 0.2471 0.313005 -2.16349