python机器学习案例系列教程——LightGBM算法

全栈工程师开发手册 （作者：栾鹏）

python教程全解

安装

pip install lightgbm

gitup网址：https://github.com/Microsoft/LightGBM

中文教程

http://lightgbm.apachecn.org/cn/latest/index.html

lightGBM简介

xgboost的出现，让数据民工们告别了传统的机器学习算法们：RF、GBM、SVM、LASSO……..。现在微软推出了一个新的boosting框架，想要挑战xgboost的江湖地位。

顾名思义，lightGBM包含两个关键点：light即轻量级，GBM 梯度提升机。

LightGBM 是一个梯度 boosting 框架，使用基于学习算法的决策树。它可以说是分布式的，高效的，有以下优势：

• 更快的训练效率

• 低内存使用

• 更高的准确率

• 支持并行化学习

• 可处理大规模数据

xgboost缺点

其缺点，或者说不足之处：

每轮迭代时，都需要遍历整个训练数据多次。如果把整个训练数据装进内存则会限制训练数据的大小；如果不装进内存，反复地读写训练数据又会消耗非常大的时间。

预排序方法（pre-sorted）：首先，空间消耗大。这样的算法需要保存数据的特征值，还保存了特征排序的结果（例如排序后的索引，为了后续快速的计算分割点），这里需要消耗训练数据两倍的内存。其次时间上也有较大的开销，在遍历每一个分割点的时候，都需要进行分裂增益的计算，消耗的代价大。

对cache优化不友好。在预排序后，特征对梯度的访问是一种随机访问，并且不同的特征访问的顺序不一样，无法对cache进行优化。同时，在每一层长树的时候，需要随机访问一个行索引到叶子索引的数组，并且不同特征访问的顺序也不一样，也会造成较大的cache miss。

lightGBM特点

以上与其说是xgboost的不足，倒不如说是lightGBM作者们构建新算法时着重瞄准的点。解决了什么问题，那么原来模型没解决就成了原模型的缺点。

概括来说，lightGBM主要有以下特点：

• 基于Histogram的决策树算法

• 带深度限制的Leaf-wise的叶子生长策略

• 直方图做差加速

• 直接支持类别特征(Categorical Feature)

• Cache命中率优化

• 基于直方图的稀疏特征优化

• 多线程优化

前2个特点使我们尤为关注的。

Histogram算法

直方图算法的基本思想：先把连续的浮点特征值离散化成k个整数，同时构造一个宽度为k的直方图。遍历数据时，根据离散化后的值作为索引在直方图中累积统计量，当遍历一次数据后，直方图累积了需要的统计量，然后根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。

带深度限制的Leaf-wise的叶子生长策略

Level-wise过一次数据可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，也好控制模型复杂度，不容易过拟合。但实际上Level-wise是一种低效算法，因为它不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销，因为实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。

Leaf-wise则是一种更为高效的策略：每次从当前所有叶子中，找到分裂增益最大的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同Level-wise相比，在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise可以降低更多的误差，得到更好的精度。

Leaf-wise的缺点：可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度限制，在保证高效率的同时防止过拟合。

xgboost和lightgbm

决策树算法

XGBoost使用的是pre-sorted算法，能够更精确的找到数据分隔点；

• 首先，对所有特征按数值进行预排序。
• 其次，在每次的样本分割时，用O(# data)的代价找到每个特征的最优分割点。
• 最后，找到最后的特征以及分割点，将数据分裂成左右两个子节点。

优缺点：

这种pre-sorting算法能够准确找到分裂点，但是在空间和时间上有很大的开销。

• i. 由于需要对特征进行预排序并且需要保存排序后的索引值（为了后续快速的计算分裂点），因此内存需要训练数据的两倍。
• ii. 在遍历每一个分割点的时候，都需要进行分裂增益的计算，消耗的代价大。

LightGBM使用的是histogram算法，占用的内存更低，数据分隔的复杂度更低。

其思想是将连续的浮点特征离散成k个离散值，并构造宽度为k的Histogram。然后遍历训练数据，统计每个离散值在直方图中的累计统计量。在进行特征选择时，只需要根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。

Histogram 算法的优缺点：

• Histogram算法并不是完美的。由于特征被离散化后，找到的并不是很精确的分割点，所以会对结果产生影响。但在实际的数据集上表明，离散化的分裂点对最终的精度影响并不大，甚至会好一些。原因在于decision tree本身就是一个弱学习器，采用Histogram算法会起到正则化的效果，有效地防止模型的过拟合。
• 时间上的开销由原来的O(#data * #features)降到O(k * #features)。由于离散化，#bin远小于#data，因此时间上有很大的提升。
• Histogram算法还可以进一步加速。一个叶子节点的Histogram可以直接由父节点的Histogram和兄弟节点的Histogram做差得到。一般情况下，构造Histogram需要遍历该叶子上的所有数据，通过该方法，只需要遍历Histogram的k个捅。速度提升了一倍。

决策树生长策略

XGBoost采用的是按层生长level（depth）-wise生长策略，如Figure 1所示，能够同时分裂同一层的叶子，从而进行多线程优化，不容易过拟合；但不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销。因为实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。

LightGBM采用leaf-wise生长策略，如Figure 2所示，每次从当前所有叶子中找到分裂增益最大（一般也是数据量最大）的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同Level-wise相比，在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise可以降低更多的误差，得到更好的精度。Leaf-wise的缺点是可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度的限制，在保证高效率的同时防止过拟合。

网络通信优化

XGBoost由于采用pre-sorted算法，通信代价非常大，所以在并行的时候也是采用histogram算法；LightGBM采用的histogram算法通信代价小，通过使用集合通信算法，能够实现并行计算的线性加速。

LightGBM支持类别特征

实际上大多数机器学习工具都无法直接支持类别特征，一般需要把类别特征，转化one-hotting特征，降低了空间和时间的效率。而类别特征的使用是在实践中很常用的。基于这个考虑，LightGBM优化了对类别特征的支持，可以直接输入类别特征，不需要额外的0/1展开。并在决策树算法上增加了类别特征的决策规则。

lightGBM调参

所有的参数含义，参考：http://lightgbm.apachecn.org/cn/latest/Parameters.html

调参过程：

（1）num_leaves

LightGBM使用的是leaf-wise的算法，因此在调节树的复杂程度时，使用的是num_leaves而不是max_depth。

大致换算关系：num_leaves = 2^(max_depth)

（2）样本分布非平衡数据集：可以param[‘is_unbalance’]=’true’

（3）Bagging参数：bagging_fraction+bagging_freq（必须同时设置）、feature_fraction

（4）min_data_in_leaf、min_sum_hessian_in_leaf

sklearn接口形式的LightGBM示例

这里主要以sklearn的使用形式来使用lightgbm算法，包含建模，训练，预测，网格参数优化。

import lightgbm as lgb
import pandas as pd
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import  make_classification
# 加载数据
print('Load data...')

iris = load_iris()
data=iris.data
target = iris.target
X_train,X_test,y_train,y_test =train_test_split(data,target,test_size=0.2)

# df_train = pd.read_csv('../regression/regression.train', header=None, sep='\t')
# df_test = pd.read_csv('../regression/regression.test', header=None, sep='\t')
# y_train = df_train[0].values
# y_test = df_test[0].values
# X_train = df_train.drop(0, axis=1).values
# X_test = df_test.drop(0, axis=1).values

print('Start training...')
# 创建模型，训练模型
gbm = lgb.LGBMRegressor(objective='regression',num_leaves=31,learning_rate=0.05,n_estimators=20)
gbm.fit(X_train, y_train,eval_set=[(X_test, y_test)],eval_metric='l1',early_stopping_rounds=5)

print('Start predicting...')
# 测试机预测
y_pred = gbm.predict(X_test, num_iteration=gbm.best_iteration_)
# 模型评估
print('The rmse of prediction is:', mean_squared_error(y_test, y_pred) ** 0.5)

# feature importances
print('Feature importances:', list(gbm.feature_importances_))

# 网格搜索，参数优化
estimator = lgb.LGBMRegressor(num_leaves=31)

param_grid = {
    'learning_rate': [0.01, 0.1, 1],
    'n_estimators': [20, 40]
}

gbm = GridSearchCV(estimator, param_grid)

gbm.fit(X_train, y_train)

print('Best parameters found by grid search are:', gbm.best_params_)

原生形式使用lightgbm

# coding: utf-8
# pylint: disable = invalid-name, C0111
import json
import lightgbm as lgb
import pandas as pd
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.datasets import  make_classification

iris = load_iris()
data=iris.data
target = iris.target
X_train,X_test,y_train,y_test =train_test_split(data,target,test_size=0.2)


# 加载你的数据
# print('Load data...')
# df_train = pd.read_csv('../regression/regression.train', header=None, sep='\t')
# df_test = pd.read_csv('../regression/regression.test', header=None, sep='\t')
#
# y_train = df_train[0].values
# y_test = df_test[0].values
# X_train = df_train.drop(0, axis=1).values
# X_test = df_test.drop(0, axis=1).values

# 创建成lgb特征的数据集格式
lgb_train = lgb.Dataset(X_train, y_train)
lgb_eval = lgb.Dataset(X_test, y_test, reference=lgb_train)

# 将参数写成字典下形式
params = {
    'task': 'train',
    'boosting_type': 'gbdt',  # 设置提升类型
    'objective': 'regression', # 目标函数
    'metric': {'l2', 'auc'},  # 评估函数
    'num_leaves': 31,   # 叶子节点数
    'learning_rate': 0.05,  # 学习速率
    'feature_fraction': 0.9, # 建树的特征选择比例
    'bagging_fraction': 0.8, # 建树的样本采样比例
    'bagging_freq': 5,  # k 意味着每 k 次迭代执行bagging
    'verbose': 1 # <0 显示致命的, =0 显示错误 (警告), >0 显示信息
}

print('Start training...')
# 训练 cv and train
gbm = lgb.train(params,lgb_train,num_boost_round=20,valid_sets=lgb_eval,early_stopping_rounds=5)

print('Save model...')
# 保存模型到文件
gbm.save_model('model.txt')

print('Start predicting...')
# 预测数据集
y_pred = gbm.predict(X_test, num_iteration=gbm.best_iteration)
# 评估模型
print('The rmse of prediction is:', mean_squared_error(y_test, y_pred) ** 0.5)