import tensorflow as tf
from tensorflow.examples.tutorials.mnist import input_data

# MNIST数据集相关常数。
INPUT_NODE = 784  # 输入层节点数。对于MNIST数据集，这个就等于图片的像素。
OUTPUT_NODE = 10  # 输出层节点数。这个等于类别的数目。MNIST数据集中区分0-9十个数字，所以节点数是10

# 配置神经网络的参数。
LAYER1_NODE = 500  # 隐藏层节点数。这里使用只有一个隐藏层的网络结构作为样例。
                   # 这个隐藏层500个节点
BATCH_SIZE = 100  # 一个训练batch中的训练数据个数。
                  # 数字越小，训练过程越接近随机梯度下降。数字越大，越接近梯度下降。
LEARNING_RATE_BASE = 0.8        # 基础的学习率
LEARNING_RATE_DECAY = 0.99      # 学习率的衰减率
REGULARAZTION_RATE = 0.0001     # 描述模型复杂度的正则化项在损失函数中的系数。
TRAINING_STEPS = 5000           # 训练轮数
MOVING_AVERAGE_DECAY = 0.99     # 滑动平均衰减率

# 辅助函数。给定神经网络的输入和所有参数，计算神经网络的前向传播结果。
# 定义了一个使用ReLU激活函数的三层全连接神经网络。通过加入隐藏层实现了多层网络结构，通过ReLU激活函数实现了去线性化。
# 这个函数中也支持传入用于计算参数平均值的类，方便在测试时使用滑动平均模型。
def inference(input_tensor, avg_class, weights1, biases1, weights2, biases2):
    # 当没有提供滑动平均类时，直接使用参数当前的取值。
    if avg_class == None:
        # 计算隐藏层的前向传播结果，使用了ReLU激活函数。
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, weights1) + biases1)

        # 计算输出层的前向传播结果。因为在计算损失函数时会一起计算softmax函数，所以这里不需要加入激活函数。
        # 而且不加入softmax不会影响预测结果。因为预测时使用的是不同类别对应节点输出值的相对大小，
        # 有没有softmax层对最后分类结果的计算并没有影响。所以在计算整个神经网络的前向传播时可以不加入最后的softmax层
        return tf.matmul(layer1, weights2) + biases2

    else:
        # 使用滑动平均类
        # 首先使用avg_class.average函数计算得出变量的滑动平均值。
        # 然后计算相应的神经网络前向传播结果。
        layer1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_tensor, avg_class.average(weights1)) + avg_class.average(biases1))
        return tf.matmul(layer1, avg_class.average(weights2)) + avg_class.average(biases2)


# 训练模型的过程。
def train(mnist):
    x = tf.placeholder(tf.float32, [None, INPUT_NODE], name='x-input')
    y_ = tf.placeholder(tf.float32, [None, OUTPUT_NODE], name='y-input')
    # 生成隐藏层的参数。
    weights1 = tf.Variable(tf.truncated_normal([INPUT_NODE, LAYER1_NODE], stddev=0.1))
    biases1 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[LAYER1_NODE]))
    # 生成输出层的参数。
    weights2 = tf.Variable(tf.truncated_normal([LAYER1_NODE, OUTPUT_NODE], stddev=0.1))
    biases2 = tf.Variable(tf.constant(0.1, shape=[OUTPUT_NODE]))

    # 计算当前参数下神经网络前向传播结果。给出的滑动平均的类None，不使用滑动平均值。
    # 计算不含滑动平均类的前向传播结果
    y = inference(x, None, weights1, biases1, weights2, biases2)

    # 定义存储训练轮数的变量。这个变量不需要计算滑动平均值，所以指定这个变量为不可训练的变量(trainable=False)。
    # 使用Tensorflow训练神经网络时，一般会将代表训练轮数的变量指定为不可训练的参数。
    global_step = tf.Variable(0, trainable=False)

    # 给定滑动平均衰减率和训练轮数的变量，初始化滑动平均类。
    # 给定训练轮数的变量可以加快训练早期变量的更新速度。
    variable_averages = tf.train.ExponentialMovingAverage(MOVING_AVERAGE_DECAY, global_step)
    variables_averages_op = variable_averages.apply(tf.trainable_variables())
    average_y = inference(x, variable_averages, weights1, biases1, weights2, biases2)

    # 计算交叉熵及其平均值
    cross_entropy = tf.nn.sparse_softmax_cross_entropy_with_logits(logits=y, labels=tf.argmax(y_, 1))
    cross_entropy_mean = tf.reduce_mean(cross_entropy)

    # 损失函数的计算
    regularizer = tf.contrib.layers.l2_regularizer(REGULARAZTION_RATE)
    regularaztion = regularizer(weights1) + regularizer(weights2)
    loss = cross_entropy_mean + regularaztion

    # 设置指数衰减的学习率。
    learning_rate = tf.train.exponential_decay(
        LEARNING_RATE_BASE,
        global_step,
        mnist.train.num_examples / BATCH_SIZE,
        LEARNING_RATE_DECAY,
        staircase=True)

    # 优化损失函数
    train_step = tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate).minimize(loss, global_step=global_step)

    # 反向传播更新参数和更新每一个参数的滑动平均值
    with tf.control_dependencies([train_step, variables_averages_op]):
        train_op = tf.no_op(name='train')

    # 计算正确率
    correct_prediction = tf.equal(tf.argmax(average_y, 1), tf.argmax(y_, 1))
    accuracy = tf.reduce_mean(tf.cast(correct_prediction, tf.float32))

    # 初始化会话，并开始训练过程。
    with tf.Session() as sess:
        tf.global_variables_initializer().run()
        validate_feed = {x: mnist.validation.images, y_: mnist.validation.labels}
        test_feed = {x: mnist.test.images, y_: mnist.test.labels}

        # 循环的训练神经网络。
        for i in range(TRAINING_STEPS):
            if i % 1000 == 0:
                validate_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=validate_feed)
                print("After %d training step(s), validation accuracy using average model is %g " % (i, validate_acc))

            xs, ys = mnist.train.next_batch(BATCH_SIZE)
            sess.run(train_op, feed_dict={x: xs, y_: ys})

        test_acc = sess.run(accuracy, feed_dict=test_feed)
        print(("After %d training step(s), test accuracy using average model is %g" % (TRAINING_STEPS, test_acc)))


def main(argv=None):
    mnist = input_data.read_data_sets("MNIST_data", one_hot=True)
    train(mnist)


if __name__=='__main__':
    main()