分布式机器学习原理及实战(Pyspark) |
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分布式机器学习原理及实战(Pyspark)
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一、大数据框架及Spark介绍
1.1 大数据框架
大数据（Big Data）是指无法在一定时间内用常规软件工具对其内容进行抓取、管理和处理的数据集合。大数据技术，是指从各种各样类型的数据中，快速获得有价值信息的能力。 Spark是一个分布式内存批计算处理框架，Spark集群由Driver, Cluster Manager（Standalone,Yarn 或 Mesos），以及Worker Node组成。对于每个Spark应用程序，Worker Node上存在一个Executor进程，Executor进程中包括多个Task线程。
Pyspark中支持两个机器学习库：mllib及ml，区别在于ml主要操作的是DataFrame，而mllib操作的是RDD，即二者面向的数据集不一样。相比于mllib在RDD提供的基础操作，ml在DataFrame上的抽象级别更高，数据和操作耦合度更低。 注：mllib在后面的版本中可能被废弃，本文示例使用的是ml库。 pyspark.ml训练机器学习库有三个主要的抽象类：Transformer、Estimator、Pipeline。 Transformer主要对应feature子模块，实现了算法训练前的一系列的特征预处理工作，例如MinMaxScaler、word2vec、onehotencoder等，对应操作为transform； # 举例：特征加工 from pyspark.ml.feature import VectorAssembler featuresCreator = VectorAssembler( inputCols=[col[0] for col in labels[2:]] + [encoder.getOutputCol()], outputCol='features' ) Estimator对应各种机器学习算法，主要为分类、回归、聚类和推荐算法4大类，具体可选算法大多在sklearn中均有对应，对应操作为fit； # 举例：分类模型 from pyspark.ml.classification import LogisticRegression logistic = LogisticRegression(featuresCol=featuresCreator.getOutputCol(), labelCol='INFANT_ALIVE_AT_REPORT') Pipeline可将一些列转换和训练过程串联形成流水线。 # 举例：创建流水线 from pyspark.ml import Pipeline pipeline = Pipeline(stages=[encoder, featuresCreator, logistic]) # 特征编码，特征加工，载入LR模型 # 拟合模型 train, test = data.randomSplit([0.7,0.3],seed=123) model = pipeline.fit(train) 2.2 PySpark分布式机器学习原理在分布式训练中，用于训练模型的工作负载会在多个微型处理器之间进行拆分和共享，这些处理器称为工作器节点，通过这些工作器节点并行工作以加速模型训练。 分布式训练可用于传统的 ML 模型，但更适用于计算和时间密集型任务，如用于训练深度神经网络。分布式训练有两种主要类型：数据并行及模型并行，主要代表有Spark ML，Parameter Server和TensorFlow。 spark的分布式训练的实现为数据并行：按行对数据进行分区，从而可以对数百万甚至数十亿个实例进行分布式训练。 以其核心的梯度下降算法为例： 1、首先对数据划分至各计算节点； 2、把当前的模型参数广播到各个计算节点（当模型参数量较大时会比较耗带宽资源）； 3、各计算节点进行数据抽样得到mini batch的数据，分别计算梯度，再通过treeAggregate操作汇总梯度，得到最终梯度gradientSum； 4、利用gradientSum更新模型权重（这里采用的阻断式的梯度下降方式，当各节点有数据倾斜时，每轮的时间起决于最慢的节点。这是Spark并行训练效率较低的主要原因）。 注：单纯拿Pyspark练练手，可无需配置Pyspark集群，直接本地配置下单机Pyspark，也可以使用线上spark集群(如: community.cloud.databricks.com)。 本项目通过PySpark实现机器学习建模全流程：数据的载入，数据分析，特征加工，二分类模型训练及评估。 #!/usr/bin/env python # coding: utf-8 # 初始化SparkSession from pyspark.sql import SparkSession spark = SparkSession.builder.appName("Python Spark RF example").config("spark.some.config.option", "some-value").getOrCreate() # 加载数据 df = spark.read.format('com.databricks.spark.csv').options(header='true', inferschema='true').load("./data.csv",header=True) from pyspark.sql.functions import * # 数据基本信息分析 df.dtypes # Return df column names and data types df.show() #Display the content of df df.head() #Return first n rows df.first() #Return first row df.take(2) #Return the first n rows df.schema # Return the schema of df df.columns # Return the columns of df df.count() #Count the number of rows in df df.distinct().count() #Count the number of distinct rows in df df.printSchema() #Print the schema of df df.explain() #Print the (logical and physical) plans df.describe().show() #Compute summary statistics df.groupBy('Survived').agg(avg("Age"),avg("Fare")).show() # 聚合分析 df.select(df.Sex, df.Survived==1).show() # 带条件查询 df.sort("Age", ascending=False).collect() # 排序 df = df.dropDuplicates() # 删除重复值 df = df.na.fill(value=0) # 缺失填充值 df = df.na.drop() # 或者删除缺失值 df = df.withColumn('isMale', when(df['Sex']=='male',1).otherwise(0)) # 新增列：性别0 1 df = df.drop('_c0','Name','Sex') # 删除姓名、性别、索引列 # 设定特征/标签列 from pyspark.ml.feature import VectorAssembler ignore=['Survived'] vectorAssembler = VectorAssembler(inputCols=[x for x in df.columns if x not in ignore], outputCol = 'features') new_df = vectorAssembler.transform(df) new_df = new_df.select(['features', 'Survived']) # 划分测试集训练集 train, test = new_df.randomSplit([0.75, 0.25], seed = 12345) # 模型训练 from pyspark.ml.classification import LogisticRegression lr = LogisticRegression(featuresCol = 'features', labelCol='Survived') lr_model = lr.fit(test) # 模型评估 from pyspark.ml.evaluation import BinaryClassificationEvaluator predictions = lr_model.transform(test) auc = BinaryClassificationEvaluator().setLabelCol('Survived') print('AUC of the model:' + str(auc.evaluate(predictions))) print('features weights', lr_model.coefficientMatrix)文章首发于算法进阶，公众号阅读原文可访问GitHub项目源码 |
自2003年Google公布了3篇大数据奠基性论文，为大数据存储及分布式处理的核心问题提供了思路：非结构化文件分布式存储（GFS）、分布式计算（MapReduce）及结构化数据存储（BigTable），并奠定了现代大数据技术的理论基础，而后大数据技术便快速发展，诞生了很多日新月异的技术。 
归纳现有大数据框架解决的核心问题及相关技术主要为：
在执行具体的程序时，Spark会将程序拆解成一个任务DAG（有向无环图），再根据DAG决定程序各步骤执行的方法。该程序先分别从textFile和HadoopFile读取文件，经过一些列操作后再进行join，最终得到处理结果。 
PySpark是Spark的Python API，通过Pyspark可以方便地使用 Python编写 Spark 应用程序， 其支持 了Spark 的大部分功能，例如 Spark SQL、DataFrame、Streaming、MLLIB(ML)和 Spark Core。
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