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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。

python
def add(a, b):
    return a + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g

fancy_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：

  1. 定义计算流程；
  2. 把计算流程编译成可执行的程序；
  3. 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。

python
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 + b

def fancy_func(a, b, c, d):
    e = add(a, b)
    f = add(c, d)
    g = add(e, f)
    return g

print(fancy_func(1, 2, 3, 4))

10

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。

8.1.1 混合式编程取两者之长 ​

大部分深度学习框架在命令式编程和符号式编程之间二选一。例如，Theano 和受其启发的后来者 TensorFlow 使用了符号式编程，Chainer 和它的追随者 PyTorch 使用了命令式编程，而 Gluon 则采用了混合式编程的方式。

......

由于 PyTorch 仅仅采用了命令式编程，所以跳过本节剩余部分，感兴趣的可以去看 原文