【深度学习笔记】8_1 命令式和符号式混合编程

注：本文为《动手学深度学习》开源内容，部分标注了个人理解，仅为个人学习记录，无抄袭搬运意图

8.1 命令式和符号式混合编程

本书到目前为止一直都在使用命令式编程，它使用编程语句改变程序状态。考虑下面这段简单的命令式程序。

def add(a, b):return a + bdef fancy_func(a, b, c, d):e = add(a, b)f = add(c, d)g = add(e, f)return gfancy_func(1, 2, 3, 4) # 10

和我们预期的一样，在运行语句e = add(a, b)时，Python会做加法运算并将结果存储在变量e中，从而令程序的状态发生改变。类似地，后面的两条语句f = add(c, d)和g = add(e, f)会依次做加法运算并存储变量。

虽然使用命令式编程很方便，但它的运行可能很慢。一方面，即使fancy_func函数中的add是被重复调用的函数，Python也会逐一执行这3条函数调用语句。另一方面，我们需要保存变量e和f的值直到fancy_func中所有语句执行结束。这是因为在执行e = add(a, b)和f = add(c, d)这2条语句之后我们并不知道变量e和f是否会被程序的其他部分使用。

与命令式编程不同，符号式编程通常在计算流程完全定义好后才被执行。多个深度学习框架，如Theano和TensorFlow，都使用了符号式编程。通常，符号式编程的程序需要下面3个步骤：

定义计算流程；
把计算流程编译成可执行的程序；
给定输入，调用编译好的程序执行。

下面我们用符号式编程重新实现本节开头给出的命令式编程代码。

def add_str():return '''
def add(a, b):return a + b
'''def fancy_func_str():return '''
def fancy_func(a, b, c, d):e = add(a, b)f = add(c, d)g = add(e, f)return g
'''def evoke_str():return add_str() + fancy_func_str() + '''
print(fancy_func(1, 2, 3, 4))
'''prog = evoke_str()
print(prog)
y = compile(prog, '', 'exec')
exec(y)

输出：

def add(a, b):return a + bdef fancy_func(a, b, c, d):e = add(a, b)f = add(c, d)g = add(e, f)return gprint(fancy_func(1, 2, 3, 4))10

compile()函数的用法不多做赘述可以自行百度了解，这里的compile()函数接受三个参数：
prog：这是包含Python源代码的字符串，由evoke_str()函数生成。
''：这是文件名，这里使用了一个空字符串，因为我们没有从实际的文件中读取源代码。
'exec'：这表示prog包含的是一个独立的程序，即一个或多个语句，而不是一个单一的表达式

以上定义的3个函数都仅以字符串的形式返回计算流程。最后，我们通过compile函数编译完整的计算流程并运行。由于在编译时系统能够完整地获取整个程序，因此有更多空间优化计算。例如，编译的时候可以将程序改写成print((1 + 2) + (3 + 4))，甚至直接改写成print(10)。这样不仅减少了函数调用，还节省了内存。

对比这两种编程方式，我们可以看到以下两点。

命令式编程更方便。当我们在Python里使用命令式编程时，大部分代码编写起来都很直观。同时，命令式编程更容易调试。这是因为我们可以很方便地获取并打印所有的中间变量值，或者使用Python的调试工具。
符号式编程更高效并更容易移植。一方面，在编译的时候系统容易做更多优化；另一方面，符号式编程可以将程序变成一个与Python无关的格式，从而可以使程序在非Python环境下运行，以避开Python解释器的性能问题。