在相同的数据上训练相同的模型会产生截然不同的测试精度

Question

我的模型得到的测试精度非常不一致，但无法弄清楚原因。

我试图对一些 TensorFlow/Keras 的东西进行基准测试，发现我的结果不可靠。不是时间，而是模型的测试精度。在某些运行中，模型会达到测试精度 = 0.65，有时它只会达到 0.35。相同的架构，相同的优化器在相同的数据集上训练，一切都相同。

我尝试删除大多数随机源，例如使用相同的 numpy rng 种子、TensorFlow rng 种子、在运行之间重置 TensorFlow 后端，以及使用相同的种子对数据集进行混洗等。问题仍然存在。

谁能帮我弄清楚我做错了什么？

Here is a reproducible example 在 Google Colab 上，但是这个问题也会在本地发生在 Python、TensorFlow 和 Cuda/Cudnn.

的不同版本上

而here is the dataset我正在使用。它只是 CIFAR-10，训练分区分为训练和验证。

编辑：问题似乎是我在 .shuffle 和 batch 之间的一些交互引起的，更具体地说是它们的参数 buffer_size、reshuffle_each_iteration 和 drop_remainder。以下组合似乎可以避免该问题（但会导致大量内存使用）：

dataset.shuffle(buffer_size=dataset.cardinality().numpy(),
                reshuffle_each_iteration=False,
                seed=rng_seed)
        .batch(batch_size=batch_size,
               drop_remainder=True)

Answer 1

看来您遇到了 2 个问题，每个问题都导致了不同的结果运行:

使用 GPU
使用tf.data.AUTOTUNE

1 的解决方案： 将您在 Colab 中的运行时间切换为“None”

2 的解决方案： 将您的 return 从 tf.data.AUTOTUNE 更改为固定的 BatchSize（例如 128）：

train.prefetch(128),
val.prefetch(128),
test.prefetch(128),

你也可以看看我改编的your code here.

Answer 2

为了速度，在接下来的所有实验中，我都将epoch固定为1。

最暴力的解决方案之一是在构建模型之前添加以下两行，不需要任何其他更改并支持random:

tf.keras.utils.set_random_seed(some_seed)
tf.config.experimental.enable_op_determinism()

即：

def why_u_inconsistent():
    # tf.keras.backend.clear_session()
    # tf.random.set_seed(42)
    # np.random.seed(42)
    tf.keras.utils.set_random_seed(0)
    tf.config.experimental.enable_op_determinism()
    train, val, test = get_train_val_test()
    model = get_model()
    model.fit(train, validation_data=val, epochs=1, verbose=0)
    scores = model.evaluate(test, verbose=0)
    for name, value in zip(model.metrics_names, scores):
        print(f"test {name}: {value}")

输出是（你会满意的，因为它们完全一样）：

run: 0
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 3.872633934020996
test accuracy: 0.1818999946117401
=====
run: 1
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 3.872633934020996
test accuracy: 0.1818999946117401
=====
run: 2
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 3.872633934020996
test accuracy: 0.1818999946117401
=====
run: 3
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 3.872633934020996
test accuracy: 0.1818999946117401
=====
run: 4
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 3.872633934020996
test accuracy: 0.1818999946117401

P.S。在设置随机种子时，我们应该使用tf.keras.utils.set_random_seed，包括random、numpy.random和tensorflow.random。他们实际上使用了三个不同的随机随机实例，即他们的随机种子不会相互影响，但确实影响了我们的代码，因为我们不可避免地使用它们。当然也可以单独设置，tf.keras.utils.set_random_seed只是一种方便的方式。不幸的是，您的原始代码没有设置基本模块的种子random。

然后，我检查了每个 run_nr 的数据管道输出是否必须相同。我将每个批次的reduce_mean写入csv文件来比较每个run_nr的输出，发现它们根本没有区别。所以在这里，我们可以将问题绘制为 determinism problem and I have explained

关于你的问题，我找到了更好的解释，即2个关键点momentum和learning_rate使你的算法遇到determinism问题。如果我们不使用tf.config.experimental.enable_op_determinism，任何算法在最后几位精度都是不确定的（可能是cuda或TensorFloat-32 dtype造成的），但是momentum累积不确定性误差和 learning_rate 放大误差。如果我们使用 SGD（不是说你必须使用它）没有 momentum 的优化器，像这样：

...
    optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(0.001)
    model.compile(
        optimizer=optimizer,
        loss="categorical_crossentropy",
        metrics=["accuracy"],
    )
...
def why_u_inconsistent(index):
    tf.keras.utils.set_random_seed(0)
    # tf.config.experimental.enable_op_determinism()
    train, val, test = get_train_val_test()
    
    model = get_model()
    model.fit(train, validation_data=val, epochs=1, verbose=0)
    scores = model.evaluate(test, verbose=0)
    for name, value in zip(model.metrics_names, scores):
        print(f"test {name}: {value}")
...

1 纪元之后的输出将如下所示，其中输出非常接近：

run: 0
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 2.20281720161438
test accuracy: 0.1808999925851822
=====
run: 1
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 2.202397346496582
test accuracy: 0.1809999942779541
=====
run: 2
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 2.2010912895202637
test accuracy: 0.18019999563694
=====
run: 3
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 2.200165271759033
test accuracy: 0.18230000138282776
=====
run: 4
Found 42500 files belonging to 10 classes.
Found 7500 files belonging to 10 classes.
Found 10000 files belonging to 10 classes.
test loss: 2.2025880813598633
test accuracy: 0.18019999563694
=====

所以让我们得出一个更好的结论：

使用tf.keras.utils.set_random_seed(some_seed)控制所有需要的随机行为
尽可能优化算法，减轻计算精度的影响。即让算法不产生或积累精度上的小误差。可调节的键有很多，不仅是optimizer或optimizer的参数，还有其他东西，如bacth_size、gradient_clip、gradient_norm等。
如果你想获得完全一致的可重现结果并接受其副作用（减速），请使用tf.config.experimental.enable_op_determinism。

在相同的数据上训练相同的模型会产生截然不同的测试精度

Training the same model on the same data yielding extremely different test accuracy

keras

neural-network

tensorflow2.0