为提高性能而预取

在训练模型时，尤其是使用 GPU 或 TPU 等硬件加速器时，加速器可能会在等待 CPU 准备下一批数据时处于闲置状态。反之，CPU 也可能在等待加速器处理完当前批次时等待。这种“停-等”模式会引入延迟并导致硬件资源利用不足，从而减慢整体训练过程。

考虑一个未经优化的简化训练循环时间线：

未预取的执行时间线。请注意 CPU 和 GPU 上的闲置期，因为它们相互等待。

tf.data API 为此问题提供了一个简单解决方案：prefetch() 变换。预取使预处理和模型执行步骤重叠。当模型在 GPU 上使用批次 N 执行训练步骤（前向和后向传播）时，输入管道会使用 CPU 读取并预处理批次 N+1 的数据。

这通过在管道末尾添加 dataset.prefetch(buffer_size) 来实现。buffer_size 参数 (parameter)指定将预取的最大元素数量（或批次，如果应用于 batch() 之后）。

import tensorflow as tf

# 假设 'dataset' 是初始加载后的 tf.data.Dataset 对象
# 应用如 map、shuffle、batch 等变换
dataset = dataset.map(preprocess_function, num_parallel_calls=tf.data.AUTOTUNE)
dataset = dataset.shuffle(buffer_size=1000)
dataset = dataset.batch(batch_size=32)

# 在末尾添加预取
dataset = dataset.prefetch(buffer_size=tf.data.AUTOTUNE)

# 现在数据集已准备好传递给 model.fit()
# model.fit(dataset, epochs=10)

选择 buffer_size

手动确定最佳 buffer_size 可能很复杂。它取决于预处理与模型执行所需的时间、可用内存和系统配置等因素。缓冲区过小可能无法完全隐藏数据准备延迟，而缓冲区过大可能会消耗过多内存。

幸运的是，TensorFlow 提供了 tf.data.AUTOTUNE（如上例所示）。当您设置 buffer_size=tf.data.AUTOTUNE 时，tf.data 运行时会动态调整该值，试图使用保持加速器处于工作状态所需的最小缓冲区大小，同时兼顾可用内存。在大多数情况下，使用 tf.data.AUTOTUNE 是推荐的方法。

prefetch() 的放置位置

为了达到最佳效果，prefetch() 通常应是添加到数据集管道的最后一个变换。这确保所有前面的操作（加载、映射、混洗、批处理）都异步执行并与模型的训练步骤重叠。

使用预取后，执行时间线看起来更有效率：

使用预取的执行时间线。当 GPU 忙于训练当前批次时，CPU 准备下一个批次，这显著减少了闲置时间。

通过将 .prefetch(tf.data.AUTOTUNE) 作为输入管道的最后一步，您使 TensorFlow 能够自动管理数据准备和模型计算之间的重叠，通常会以极小的代码改动带来训练吞吐量 (throughput)的显著提升。这是一种简单而高效的方法，用于优化数据管道的性能。