#导入模块
import tensorflow as tf #导入tensorflow模块

from sklearn import datasets #导入sklearn中的datasets模块，方便下载内置的iris数据集

from matplotlib import pyplot as plt #导入matplotlib中的pyplot，待会画图

import numpy as np #导入numpy模块做数学运算

import time #导入时间模块，用来计时

#导入数据
x_data = datasets.load_iris().data #导入iris数据集的特征

y_data = datasets.load_iris().target #导入iris数据集的标签

#随机打乱顺序，使训练更具准确性
np.random.seed(120)#调用numpy中的random方法里的seed方法，赋值120，使输入特征和标签能够一一对应

np.random.shuffle(x_data) #调用numpy中的random方法里的shuffle方法，将训练集x_data里的特征值乱序

np.random.seed(120)#调用numpy中的random方法里的seed方法，赋值120，使输入特征和标签能够一一对应

np.random.shuffle(y_data) #调用numpy中的random方法里的shuffle方法，将测试集y_data里的标签乱序

tf.random.set_seed(120)#调用tensorflow中的random方法里的set_seed方法，赋值120

#划分数据集
x_train = x_data[:-30] #将iris数据集（特征，共150行，此时已打乱）前120行作为训练集x_train

y_train = y_data[:-30] #将iris数据集（标签，共150行，此时已打乱）前120行作为训练集y_train

x_test = x_data[-30:] #将iris数据集（特征，共150行，此时已打乱）最后30行作为测试集x_test

y_test = y_data[-30:] #将iris数据集（标签，共150行，此时已打乱）最后30行作为测试集y_test

#转换特征值的数据类型，使之与后面数据运算时数据类型一致
x_train = tf.cast(x_train, dtype = tf.float32) #调用tensorflow中的cast方法，将x_train中的特征值类型转换为float32

x_test = tf.cast(x_test, dtype = tf.float32) #调用tensorflow中的cast方法，将x_test中的特征值类型转换为float32

#用from_tensor_slices方法将特征值和标签值配对
train_data_batch = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)).batch(32)#将训练集的特征x_train和标签y_train配对，用batch方法将120个训练数据分成32个为一组的批次

test_data_batch = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)).batch(32)#将测试集的特征x_test和标签y_test配对，用batch方法将30个训练数据分成32个为一组的批次

#用truncated_normal方法构建神经网络，并用Variable方法标记可训练数据
w1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([4, 3], stddev = 0.1, seed = 1))#用truncated_normal方法,构建4个输入特征，3个分类的神经网络结构，标准差为0.1的正态分布，随机种子为1

b1 = tf.Variable(tf.random.truncated_normal([3], stddev = 0.1, seed = 1))#用truncated_normal方法,因为b1和w1的分类维度要一样，所以是3，标准差为0.1的正态分布，随机种子为1

#设置变量
learnRate = 0.1 #学习率为0.1

train_loss_results = [] #将每轮的loss记录在此列表中，为后面画loss曲线时提供数据

test_accuracy = [] #将每轮的精度accuracy记录在此列表中，为后面画精度accuracy曲线提供数据

epoch = 500 #循环500轮

loss_all = 0 #每轮分4个step,loss_all记录4个step生成的4个loss的和

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#SGDM优化器参数设置
# m_w, m_b = 0, 0 #初始化一阶动量m_w, m_b为0
#
# beta = 0.9 #设置超参数为0.9
#############################################################
#############################################################
#Adagrad优化器参数设置
# v_w, v_b = 0, 0 #初始化二阶动量v_w, v_b
#############################################################
#############################################################
#RMSprop优化器参数设置
# v_w, v_b = 0, 0 #初始化二阶动量v_w, v_b
# beta = 0.9 #初始化超参数为0.9
#############################################################
#############################################################
#Adam优化器参数设置
m_w, m_b = 0, 0 #初始化一阶动量m_w, m_b
v_w, v_b = 0, 0 #初始化二阶动量v_w, v_b
beta1, beta2 = 0.9, 0.999 #初始化超参数
delta_w, delta_b = 0, 0
global_step = 0 #定义训练的总batch数为global_step
#############################################################

#训练部分
now_time = time.time() #用时间戳记录训练起始时间now_time

for epoch in range(epoch): #遍历数据集，每个epoch循环一次数据集
    for step, (x_train, y_train) in enumerate(train_data_batch): #遍历batch，每个step循环一次batch
        ##########################################
        global_step +=1 #每循环一个btach，global_step自加1
        ############################################
        with tf.GradientTape() as tape: #用上下文管理器记录梯度信息
            y = tf.matmul(x_train, w1) + b1 #神经网络乘加运算，用tensorflow中的matmul方法将训练特征值x_train和w1参数进行矩阵相乘
            y = tf.nn.softmax(y) #用tensorflow中的softmax方法将神经网络乘加运算后得到的输出符合正态分布，输出和为1，可以在之后用来与独热码相减求loss
            y_one_hot = tf.one_hot(y_train, depth = 3) #用tensorflow中的one_hot方法将训练标签y_train转换为独热码格式，因为y输出为3，所以深度为3，方便接下来计算loss的和
            loss = tf.reduce_mean(tf.square(y_one_hot - y)) #用tensorflow中的reduce_mean方法求平均值，用tensorflow中的square方法求平方，这里用均方误差求损失函数loss
            loss_all += loss.numpy() #将每个step计算出的loss累加，后面可以用来求loss平均值，

        #计算loss对各个参数的梯度
        loss_gradient = tape.gradient(loss, [w1, b1])#用tensorflow中的GradientTape方法中的gradient方法求loss对各个参数w1,b1的梯度gradient
        #############################################################
        # Adam优化器，进行梯度更新
        #求一阶动量和二阶动量
        m_w = beta1 * m_w + (1 - beta1) * loss_gradient[0]  #求一阶动量m_w，和SGDM一阶动量表达式一样
        m_b = beta1 * m_b + (1 - beta1) * loss_gradient[1]  #求一阶动量m_b，和SGDM一阶动量表达式一样
        v_w = beta2 * v_w + (1 - beta2) * tf.square(loss_gradient[0])  #求二阶动量v_w,和RMSprop的二阶动量表达式一样
        v_b = beta2 * v_b + (1 - beta2) * tf.square(loss_gradient[1])  #求二阶动量v_b,和RMSprop的二阶动量表达式一样
        #求修正项
        m_w_correction = m_w / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step))) #对一阶动量m_w除以一个式子得到修正项m_w_correction
        m_b_correction = m_b / (1 - tf.pow(beta1, int(global_step)))  #对一阶动量m_b除以一个式子得到修正项m_b_correction
        v_w_correction = v_w / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step))) #对一阶动量v_w除以一个式子得到修正项v_w_correction
        v_b_correction = v_b / (1 - tf.pow(beta2, int(global_step))) #对一阶动量v_b除以一个式子得到修正项v_w_correction

#参数自更新

        #参数自更新
        w1.assign_sub(learnRate * m_w_correction / tf.sqrt(v_w_correction)) #参数w1自更新
        b1.assign_sub(learnRate * m_b_correction / tf.sqrt(v_b_correction)) #参数b1自更新)



        #############################################################
        #############################################################
        # RMSprop优化器，进行梯度更新
        # v_w = beta * v_w + (1 - beta) * tf.square(loss_gradient[0]) #计算二阶动量v_w
        # v_b = beta * v_b + (1 - beta) * tf.square(loss_gradient[1]) #计算二阶动量v_b
        # w1.assign_sub(learnRate * loss_gradient[0] / tf.sqrt(v_w)) #自更新w1
        # b1.assign_sub(learnRate * loss_gradient[1] / tf.sqrt(v_b)) #自更新b1

        #############################################################
        #############################################################
        # Adagrad优化器，进行梯度更新
        # v_w += tf.square(loss_gradient[0]) #求二阶动量v_w，从开始到此刻梯度的平方和
        # v_b += tf.square(loss_gradient[1]) #求二阶动量v_b，从开始到此刻梯度的平方和
        # w1.assign_sub(learnRate * loss_gradient[0] /tf.sqrt(v_w)) #对参数w1进行更新
        # b1.assign_sub(learnRate * loss_gradient[1] / tf.sqrt(v_b)) #对参数b1进行更新

        #############################################################
        #############################################################
        #SGDM优化器，进行梯度更新
        # m_w = beta * m_w + (1 - beta) * loss_gradient[0] #求一阶动量m_w
        # m_b = beta * m_b + (1 - beta) * loss_gradient[1] #求一阶动量m_b
        # w1.assign_sub(learnRate * m_w) #对参数w1进行更新
        # b1.assign_sub(learnRate * m_b) #对参数b1进行更新
        #############################################################

        #############################################################

        # 梯度更新,使用了SGD(无monentum)优化器
        # w1.assign_sub(
        #     learnRate * loss_gradient[0])  # 用assign_sub方法进行自减，实现参数w1的自动更新,等价于w1 = w1 - learn_Rate * loss_gradient[0]
        # b1.assign_sub(
        #     learnRate * loss_gradient[1])  # 用assign_sub方法进行自减，实现参数b1的自动更新,等价于b = b - learn_Rate * loss_gradient[1]

        #############################################################


    # 每个epoch,打印loss信息
    print("epoch: {}, loss: {}".format(epoch,loss_all / 4))  # 每个epoch,打印loss信息,有4个step，所以总loss_all要除以4，求得每次step的平均loss
    train_loss_results.append(loss_all / 4)  # 用append方法将4个step的loss求平均值记录在train_loss_results中
    loss_all = 0  # loss_all归零，为下一个epoch的求loss做准备

    # 测试部分
    total_correct = 0  # total_correct为预测对的样本个数，初始化为0
    total_test_number = 0  # total_number为测试的总样本数，初始化为0

    for x_test, y_test in test_data_batch:  # 遍历训练集的特征值和标签值
        # 用更新后的参数进行预测
        y = tf.matmul(x_test, w1) + b1  # 用tensorflow中的matmul方法来进行乘加运算，再加上b1得到前向传播的结果
        y = tf.nn.softmax(y)  # 用tensorflow中的softmax方法将神经网络乘加运算后得到的前向传播的结果符合正态分布，输出和为1，可以在之后用来与独热码相减求loss
        predict = tf.argmax(y, axis=1)  # 用tensorflow中的argmax方法，返回y中最大值的索引，即预测的标签分类，axis表示按列求值
        predict = tf.cast(predict, dtype=y_test.dtype)  # 将predict的类型转换为测试集标签y_test的数据类型
        correct = tf.cast(tf.equal(predict, y_test),
                          dtype=tf.int32)  # 用tensorflow中的equal方法判断，若分类正确，则值为1，否则为0，并用tensorflow中的cast方法将bool类型转化为int32类型
        correct = tf.reduce_sum(correct)  # 用tensorflow中的reduce_sum方法将每个batch的correct数加起来
        total_correct += int(correct)  # 将所有batch中的correct数转化为int类型，并加起来
        total_test_number += x_test.shape[0]  # 用shape方法返回测试集特征x_test的行数，也就是测试的总样本数

    accuracy = total_correct / total_test_number  # 总的准确率
    test_accuracy.append(accuracy)  # 测试集的准确率添加到列表中来，方便记录
    print("test_accuracy:", accuracy)  # 打印测试集精度准确率
    print("-------------------------------------------------")  # 为每个epoch进行分隔，方便查看

total_time = time.time() - now_time #用时间戳记录总训练时间total_time

print("total_time:", total_time) #打印总训练时间total_time

# 绘制loss曲线
plt.title('Loss Function Curve')  # 用matplotlib中的title方法标出图片标题
plt.xlabel("Epoch")  # 用matplotlib中的xlabel方法标出x轴变量名称
plt.ylabel("Loss")  # 用matplotlib中的ylabel方法标出y轴变量名称
plt.plot(train_loss_results, label="$Loss$")  # 用matplotlib中的plot方法逐点画出训练集损失值结果train_loss_results值并连线，连线的标签为Loss
plt.legend()  # 用matplotlib中的legend方法画出曲线图标
plt.show()  # 用matplotlib中的show方法画出图像

# 绘制accuracy曲线
plt.title("Accuracy Curve")  # 用matplotlib中的title方法标出图片标题
plt.xlabel("Epoch")  # 用matplotlib中的xlabel方法标出x轴变量名称
plt.ylabel("Accuracy")  # 用matplotlib中的ylabel方法标出y轴变量名称
plt.plot(test_accuracy, label="$Accuracy$")  ##用matplotlib中的plot方法逐点画出测试集精准度test_accuracy值并连线，连线的标签为Accuracy
plt.legend()  # 用matplotlib中的legend方法画出曲线图标
plt.show()  # 用matplotlib中的show方法画出图像