异步数据读取¶

除同步Feed方式外，我们提供了DataLoader。DataLoader的性能比同步数据读取更好，因为DataLoader的数据读取和模型训练过程是异步进行的，且能与 double_buffer_reader 配合以进一步提高数据读取性能。此外， double_buffer_reader 负责异步完成CPU Tensor到GPU Tensor的转换，一定程度上提升了数据读取效率。

创建DataLoader对象¶

创建DataLoader对象的方式为：

import paddle.fluid as fluid

image = fluid.data(name='image', dtype='float32', shape=[None, 784])
label = fluid.data(name='label', dtype='int64', shape=[None, 1])

ITERABLE = True

data_loader = fluid.io.DataLoader.from_generator(
    feed_list=[image, label], capacity=64, use_double_buffer=True, iterable=ITERABLE)

其中，

feed_list为需要输入的数据层变量列表；
capacity为DataLoader对象的缓存区大小，单位为batch数量；
use_double_buffer默认为True，表示使用 double_buffer_reader 。建议开启，可提升数据读取速度；
iterable默认为True，表示该DataLoader对象是可For-Range迭代的。推荐设置iterable=True。当iterable=True时，DataLoader与Program解耦，定义DataLoader对象不会改变Program；当iterable=False时，DataLoader会在Program中插入数据读取相关的op。

需要注意的是：Program.clone() (参见 Program ）不能实现DataLoader对象的复制。如果您要创建多个不同DataLoader对象（例如训练和预测阶段需创建两个不同的DataLoader），则需重定义两个DataLoader对象。若需要共享训练阶段和测试阶段的模型参数，您可以通过 fluid.unique_name.guard() 的方式来实现。注：Paddle采用变量名区分不同变量，且变量名是根据 unique_name 模块中的计数器自动生成的，每生成一个变量名计数值加1。 fluid.unique_name.guard() 的作用是重置 unique_name 模块中的计数器，保证多次调用 fluid.unique_name.guard() 配置网络时对应变量的变量名相同，从而实现参数共享。

下面是一个使用DataLoader配置训练阶段和测试阶段网络的例子：

import paddle
import paddle.fluid as fluid
import paddle.dataset.mnist as mnist

def network():
    image = fluid.data(name='image', dtype='float32', shape=[None, 784])
    label = fluid.data(name='label', dtype='int64', shape=[None, 1])
    loader = fluid.io.DataLoader.from_generator(feed_list=[image, label], capacity=64)

    # Definition of models
    fc = fluid.layers.fc(image, size=10)
    xe = fluid.layers.softmax_with_cross_entropy(fc, label)
    loss = fluid.layers.reduce_mean(xe)
    return loss , loader

# Create main program and startup program for training
train_prog = fluid.Program()
train_startup = fluid.Program()

with fluid.program_guard(train_prog, train_startup):
    # Use fluid.unique_name.guard() to share parameters with test network
    with fluid.unique_name.guard():
        train_loss, train_loader = network()
        adam = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.01)
        adam.minimize(train_loss)

# Create main program and startup program for testing
test_prog = fluid.Program()
test_startup = fluid.Program()
with fluid.program_guard(test_prog, test_startup):
    # Use fluid.unique_name.guard() to share parameters with train network
    with fluid.unique_name.guard():
        test_loss, test_loader = network()

设置DataLoader对象的数据源¶

DataLoader对象通过 set_sample_generator() ， set_sample_list_generator 和 set_batch_generator() 方法设置其数据源。这三个方法均接收Python生成器 generator 作为参数，其区别在于：

set_sample_generator() 要求 generator 返回的数据格式为[img_1, label_1]，其中img_1和label_1为单个样本的Numpy Array类型数据。
set_sample_list_generator() 要求 generator 返回的数据格式为[(img_1, label_1), (img_2, label_2), ..., (img_n, label_n)]，其中img_i和label_i均为每个样本的Numpy Array类型数据，n为batch size。
set_batch_generator() 要求 generator 返回的数据的数据格式为[batched_imgs, batched_labels]，其中batched_imgs和batched_labels为batch级的Numpy Array或LoDTensor类型数据。

值得注意的是，使用DataLoader做多GPU卡（或多CPU核）训练时，实际的总batch size为用户传入的 generator 的batch size乘以设备数量。

当DataLoader的iterable=True（默认）时，必须给这三个方法传 places 参数，指定将读取的数据转换为CPU Tensor还是GPU Tensor。当DataLoader的iterable=False时，不需传places参数。

例如，假设我们有两个reader，其中fake_sample_reader每次返回一个sample的数据，fake_batch_reader每次返回一个batch的数据。

import paddle.fluid as fluid
import numpy as np

# sample级reader
def fake_sample_reader():
    for _ in range(100):
        sample_image = np.random.random(size=(784, )).astype('float32')
        sample_label = np.random.random_integers(size=(1, ), low=0, high=9).astype('int64')
        yield sample_image, sample_label

# batch级reader
def fake_batch_reader():
    batch_size = 32
    for _ in range(100):
        batch_image = np.random.random(size=(batch_size, 784)).astype('float32')
        batch_label = np.random.random_integers(size=(batch_size, 1), low=0, high=9).astype('int64')
        yield batch_image, batch_label

image1 = fluid.data(name='image1', dtype='float32', shape=[None, 784])
label1 = fluid.data(name='label1', dtype='int64', shape=[None, 1])

image2 = fluid.data(name='image2', dtype='float32', shape=[None, 784])
label2 = fluid.data(name='label2', dtype='int64', shape=[None, 1])

image3 = fluid.data(name='image3', dtype='float32', shape=[None, 784])
label3 = fluid.data(name='label3', dtype='int64', shape=[None, 1])

对应的DataLoader设置如下：

import paddle
import paddle.fluid as fluid

ITERABLE = True
USE_CUDA = True
USE_DATA_PARALLEL = True

if ITERABLE:
    # 若DataLoader可迭代，则必须设置places参数
    if USE_DATA_PARALLEL:
        # 若进行多GPU卡训练，则取所有的CUDAPlace
        # 若进行多CPU核训练，则取多个CPUPlace，本例中取了8个CPUPlace
        places = fluid.cuda_places() if USE_CUDA else fluid.cpu_places(8)
    else:
        # 若进行单GPU卡训练，则取单个CUDAPlace，本例中0代表0号GPU卡
        # 若进行单CPU核训练，则取单个CPUPlace，本例中1代表1个CPUPlace
        places = fluid.cuda_places(0) if USE_CUDA else fluid.cpu_places(1)
else:
    # 若DataLoader不可迭代，则不需要设置places参数
    places = None

# 使用sample级的reader作为DataLoader的数据源
data_loader1 = fluid.io.DataLoader.from_generator(feed_list=[image1, label1], capacity=10, iterable=ITERABLE)
data_loader1.set_sample_generator(fake_sample_reader, batch_size=32, places=places)

# 使用sample级的reader + fluid.io.batch设置DataLoader的数据源
data_loader2 = fluid.io.DataLoader.from_generator(feed_list=[image2, label2], capacity=10, iterable=ITERABLE)
sample_list_reader = fluid.io.batch(fake_sample_reader, batch_size=32)
sample_list_reader = fluid.io.shuffle(sample_list_reader, buf_size=64) # 还可以进行适当的shuffle
data_loader2.set_sample_list_generator(sample_list_reader, places=places)

# 使用batch级的reader作为DataLoader的数据源
data_loader3 = fluid.io.DataLoader.from_generator(feed_list=[image3, label3], capacity=10, iterable=ITERABLE)
data_loader3.set_batch_generator(fake_batch_reader, places=places)

使用DataLoader进行模型训练和测试¶

使用DataLoader进行模型训练和测试的例程如下。

第一步，我们需组建训练网络和预测网络，并定义相应的DataLoader对象，设置好DataLoader对象的数据源。

import paddle
import paddle.fluid as fluid
import paddle.dataset.mnist as mnist
import six

ITERABLE = True

def network():
    # 创建数据层对象
    image = fluid.data(name='image', dtype='float32', shape=[None, 784])
    label = fluid.data(name='label', dtype='int64', shape=[None, 1])

    # 创建DataLoader对象
    reader = fluid.io.DataLoader.from_generator(feed_list=[image, label], capacity=64, iterable=ITERABLE)

    # Definition of models
    fc = fluid.layers.fc(image, size=10)
    xe = fluid.layers.softmax_with_cross_entropy(fc, label)
    loss = fluid.layers.reduce_mean(xe)
    return loss , reader

# 创建训练的main_program和startup_program
train_prog = fluid.Program()
train_startup = fluid.Program()

# 定义训练网络
with fluid.program_guard(train_prog, train_startup):
    # fluid.unique_name.guard() to share parameters with test network
    with fluid.unique_name.guard():
        train_loss, train_loader = network()
        adam = fluid.optimizer.Adam(learning_rate=0.01)
        adam.minimize(train_loss)

# 创建预测的main_program和startup_program
test_prog = fluid.Program()
test_startup = fluid.Program()

# 定义预测网络
with fluid.program_guard(test_prog, test_startup):
    # Use fluid.unique_name.guard() to share parameters with train network
    with fluid.unique_name.guard():
        test_loss, test_loader = network()

place = fluid.CUDAPlace(0)
exe = fluid.Executor(place)

# 运行startup_program进行初始化
exe.run(train_startup)
exe.run(test_startup)

# Compile programs
train_prog = fluid.CompiledProgram(train_prog).with_data_parallel(loss_name=train_loss.name)
test_prog = fluid.CompiledProgram(test_prog).with_data_parallel(share_vars_from=train_prog)

# 设置DataLoader的数据源
places = fluid.cuda_places() if ITERABLE else None

train_loader.set_sample_list_generator(
    fluid.io.shuffle(fluid.io.batch(mnist.train(), 512), buf_size=1024), places=places)

test_loader.set_sample_list_generator(fluid.io.batch(mnist.test(), 512), places=places)

第二步：根据DataLoader对象是否iterable，选用不同的方式运行网络。

若iterable=True，则DataLoader对象是一个Python的生成器，可直接for-range迭代。for-range返回的结果通过exe.run的feed参数传入执行器。

def run_iterable(program, exe, loss, data_loader):
    for data in data_loader():
        loss_value = exe.run(program=program, feed=data, fetch_list=[loss])
        print('loss is {}'.format(loss_value))

for epoch_id in six.moves.range(10):
    run_iterable(train_prog, exe, train_loss, train_loader)
    run_iterable(test_prog, exe, test_loss, test_loader)

若iterable=False，则需在每个epoch开始前，调用 start() 方法启动DataLoader对象；并在每个epoch结束时，exe.run会抛出 fluid.core.EOFException 异常，在捕获异常后调用 reset() 方法重置DataLoader对象的状态，以便启动下一轮的epoch。iterable=False时无需给exe.run传入feed参数。具体方式为：

def run_non_iterable(program, exe, loss, data_loader):
    data_loader.start()
    try:
        while True:
            loss_value = exe.run(program=program, fetch_list=[loss])
            print('loss is {}'.format(loss_value))
    except fluid.core.EOFException:
        print('End of epoch')
        data_loader.reset()

for epoch_id in six.moves.range(10):
    run_non_iterable(train_prog, exe, train_loss, train_loader)
    run_non_iterable(test_prog, exe, test_loss, test_loader)