HAWQ + MADlib 玩转数据挖掘之（一）——安装

一、MADlib简介

        MADlib是Pivotal公司与伯克利大学合作的一个开源机器学习库，提供了精确的数据并行实现、统计和机器学习方法对结构化和非结构化数据进行分析，主要目的是扩展数据库的分析能力，可以非常方便的加载到数据库中, 扩展数据库的分析功能，2015年7月MADlib成为Apache软件基金会的孵化项目，其最新版本为MADlib1.11，可以用在Greenplum、PostgreSQL和HAWQ等数据库系统中。官网地址：http://madlib.incubator.apache.org/。

1. 设计思想

        驱动MADlib架构的主要思想与Hadoop是一致的，主要体现在以下方面：

• 操作数据库内的本地数据，不在多个运行时环境中进行不必要的数据移动。
• 充分利用数据库引擎的功能，但将机器学习逻辑从特定数据库的实现细节中分离出来。
• 利用MPP无共享技术提供的并行性和可扩展性，如Greenplum数据库和HAWQ。
• 执行的维护活动对Apache社区和正在进行的学术研究开放。

        如果只用一句话总结MADlib的特点，就如标题所述，可以用SQL玩转数据分析、数据挖掘和机器学习。

2. 特性

（1）分类
        如果所需的输出实质上是分类的，可以使用分类方法建立模型，预测新数据会属于哪一类。分类的目标是能够将输入记录标记为正确的类别。
        分类的例子：假设有描述人口统计的数据，以及个人申请贷款和贷款违约历史数据，那么我们就能建立一个模型，描述新的人口统计数据集合贷款违约的可能性。此场景下输出的分类为“违约”和“正常”两类。

（2）回归
        如果所需的输出具有连续性，我们使用回归方法建立模型，预测输出值。
        回归的例子：如果有真实的描述房地产属性的数据，我们就可以建立一个模型，预测基于房屋已知特征的售价。因为输出反应了连续的数值而不是分类，所以该场景是一个回归问题。

（3）聚类
        识别数据分组，一组中的数据项比其它组的数据项更相似。
        聚类的例子：在客户细分分析中，目标是识别客户行为相似特征组，以便针对不同特征的客户设计各种营销活动，以达到市场目的。如果提前了解客户细分情况，这将是一个受控的分类任务。当我们让数据识别自身分组时，这就是一个聚类任务。

（4）主题建模
        主题建模与聚类相似，也是确定彼此相似的数据组。但这里的相似通常特指在文本领域中，具有相同主题的文档。

（5）关联规则挖掘
        又叫做购物篮分析或频繁项集挖掘。相对于随机发生，确定哪些事项更经常一起发生，指出事项之间的潜在关系。
        关联规则挖掘的例子：在一个网店应用中，关联规则挖掘可用于确定哪些商品倾向于被一起售出。然后将这些商品输入到客户推荐引擎中，提供促销机会，如著名的啤酒与尿布的故事。

（6）描述性统计
        描述性统计不提供模型，因此不被认为是一种机器学习方法。但描述性统计有助于向分析人员提供信息以了解基础数据，为数据提供有价值的解释，可能影响数据模型的选择。
        描述性统计的例子：计算数据集中每个变量内的数据分布，可以帮助分析式理解哪些变量应被视为分类变量，哪些变量是连续性变量，以及值的分布情况。

（7）模型验证
        如果不了解一个模型的准确性就开始使用它，会导致糟糕的结果。正因如此，理解模型存在的问题，并用测试数据评估模型的精度显得尤为重要。需要将训练数据和测试数据分离，频繁进行数据分析，验证统计模型的有效性，评估模型不过分拟合训练数据。N-fold交叉验证也经常被使用。

3. 功能

        MADlib的功能特色如图1所示。

图1

• Data Types and Transformations（数据类型转换）
 Arrays and Matrices（数组与矩阵）
o Array Operations（数组运算）
o Matrix Operations（矩阵运算）
o Matrix Factorization（低矩阵分解）
o Low-rank Matrix Factorization（低阶矩阵分解）
o Singular Value Decomposition（SVD，奇异值分解）
o Norms and Distance functions（规范和距离函数）
o Sparse Vectors（稀疏向量）
 Dimensionality Reduction（降维）
o Principal Component Analysis（PCA主成分分析）
o Principal Component Projection（PCP主成分投影）
 Encoding Categorical Variables（编码分类变量）
 Stemming（切词）
• Model Evaluation（模型评估）
 Cross Validation（交叉验证）
• Statistics（统计）
 Descriptive Statistics（描述性统计）
o Pearson’s Correlation（皮尔斯相关性）
o Summary（摘要汇总）
 Inferential Statistics（推断性统计）
o Hypothesis Tests（假设检验）
 Probability Functions（概率函数）
• Supervised Learning（监督学习算法）
 Conditional Random Field（条件随机场）
 Regression Models（回归模型）
o Clustered Variance（聚类方差）
o Cox-Proportional Hazards Regression（Cox比率风险回归模型）
o Elastic Net Regularization（Elastic Net 回归）
o Generalized Linear Models
o Linear Regression（线性回归）
o Logistic Regression（逻辑回归）
o Marginal Effects（边际效应）
o Multinomial Regression（多项式回归）
o Ordinal Regression（有序回归）
o Robust Variance（鲁棒方差）
 Support Vector Machines（SVM，支持向量机）
 Tree Methods（树模型）
o Decision Tree（决策树）
o Random Forest（随机森林）
• Time Series Analysis（时间序列分析）
 ARIMA（自回归积分滑动平均模型）
• Unsupervised Learning（无监督学习）
 Association Rules（关联规则）
o Apriori Algorithm（Apriori算法）
 Clustering（聚类）
o k-Means Clustering（k-Means）
 Topic Modelling（主题模型）
o Latent Dirichlet Allocation（LDA）
• Utility Functions（效用函数）
 Developer Database Functions（开发者数据库函数）
 Linear Solvers（线性求解器）
o Dense Linear Systems（稠密线性系统）
o Sparse Linear Systems（稀疏线性系统）
 Path Functions（路径函数）
 PMML Export（PMML输出）
 Text Analysis（文本分析）
o Term Frequency（词频，TF）

二、安装

1. 确定安装平台

        MADlib最新发布版本是1.11，可以安装在PostgreSQL、Greenplum和HAWQ中，在不同的数据库中安装过程也不尽相同。我是安装在HAWQ2.1.1.0中。

2. 下载MADlib二进制安装压缩包

        下载地址为： https://network.pivotal.io/products/pivotal-hdb。2.1.1.0版本的HAWQ提供了四个安装文件，如图2所示。经过测试，只有MADlib 1.10.0版本的文件可以正常安装。

图2 

3. 安装MADlib

        以下命令需要使用gpadmin用户，在HAWQ的master主机上执行。
（1）解压缩

tar -zxvf madlib-ossv1.10.0_pv1.9.7_hawq2.1-rhel5-x86_64.tar.gz

（2）安装MADlib的gppkg文件

gppkg -i madlib-ossv1.10.0_pv1.9.7_hawq2.1-rhel5-x86_64.gppkg

        该命令在HAWQ集群的所有节点（master和segment）上创建MADlib的安装目录和文件，缺省目录为/usr/local/hawq_2_1_1_0/madlib。
（3）在指定数据库中部署MADlib

$GPHOME/madlib/bin/madpack install -c /dm -s madlib -p hawq

        该命令在HAWQ的dm数据库中建立madlib schema，-p参数指定平台为HAWQ。命令执行后可以查看在madlib schema中创建的数据库对象。

dm=# set search_path=madlib;
SET
dm=# \dt
                     List of relations
 Schema |       Name       | Type  |  Owner  |   Storage   
--------+------------------+-------+---------+-------------
 madlib | migrationhistory | table | gpadmin | append only
(1 row)

dm=# \ds
                        List of relations
 Schema |          Name           |   Type   |  Owner  | Storage 
--------+-------------------------+----------+---------+---------
 madlib | migrationhistory_id_seq | sequence | gpadmin | heap
(1 row)

dm=# select type,count(*) 
dm-#   from (select p.proname as name,
dm(#                case when p.proisagg then 'agg'
dm(#                     when p.prorettype = 'pg_catalog.trigger'::pg_catalog.regtype then 'trigger'
dm(#                     else 'normal'
dm(#                 end as type
dm(#            from pg_catalog.pg_proc p, pg_catalog.pg_namespace n 
dm(#           where n.oid = p.pronamespace and n.nspname='madlib') t 
dm-#  group by rollup (type);
  type  | count 
--------+-------
 agg    |   135
 normal |  1324
        |  1459
(3 rows)

        可以看到，MADlib部署应用程序madpack首先创建数据库模式madlib，然后在该模式中创建数据库对象，包括 一个表，一个序列，1324个普通函数，135个聚合函数。所有的机器学习和数据挖掘模型、算法、操作和功能都是通过调用这些函数实际执行的。
（4）验证安装

$GPHOME/madlib/bin/madpack install-check -c /dm -s madlib -p hawq

        该命令通过执行29个模块的77个案例，验证所有模块都能正常工作。命令输出如下：

[gpadmin@hdp3 Madlib]$ $GPHOME/madlib/bin/madpack install-check -c /dm -s madlib -p hawq
madpack.py : INFO : Detected HAWQ version 2.1.
TEST CASE RESULT|Module: array_ops|array_ops.sql_in|PASS|Time: 1851 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: bayes|gaussian_naive_bayes.sql_in|PASS|Time: 24222 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: bayes|bayes.sql_in|PASS|Time: 70634 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: crf|crf_train_small.sql_in|PASS|Time: 27186 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: crf|crf_train_large.sql_in|PASS|Time: 32602 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: crf|crf_test_small.sql_in|PASS|Time: 22410 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: crf|crf_test_large.sql_in|PASS|Time: 21711 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: elastic_net|elastic_net_install_check.sql_in|PASS|Time: 931563 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: graph|sssp.sql_in|PASS|Time: 18174 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: linalg|svd.sql_in|PASS|Time: 72105 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: linalg|matrix_ops.sql_in|PASS|Time: 58312 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: linalg|linalg.sql_in|PASS|Time: 2836 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|table_to_pmml.sql_in|PASS|Time: 34508 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_rf.sql_in|PASS|Time: 35993 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_ordinal.sql_in|PASS|Time: 15540 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_multinom.sql_in|PASS|Time: 12546 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_glm_poisson.sql_in|PASS|Time: 7321 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_glm_normal.sql_in|PASS|Time: 8597 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_glm_ig.sql_in|PASS|Time: 8861 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_glm_gamma.sql_in|PASS|Time: 26212 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_glm_binomial.sql_in|PASS|Time: 12977 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pmml|pmml_dt.sql_in|PASS|Time: 9401 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: prob|prob.sql_in|PASS|Time: 1917 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: sketch|support.sql_in|PASS|Time: 143 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: sketch|mfv.sql_in|PASS|Time: 720 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: sketch|fm.sql_in|PASS|Time: 7301 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: sketch|cm.sql_in|PASS|Time: 19777 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: svm|svm.sql_in|PASS|Time: 205677 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: tsa|arima_train.sql_in|PASS|Time: 75680 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: tsa|arima.sql_in|PASS|Time: 76236 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: conjugate_gradient|conj_grad.sql_in|PASS|Time: 6757 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: knn|knn.sql_in|PASS|Time: 9835 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: lda|lda.sql_in|PASS|Time: 20510 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|wsr_test.sql_in|PASS|Time: 2766 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|t_test.sql_in|PASS|Time: 3686 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|robust_and_clustered_variance_coxph.sql_in|PASS|Time: 17499 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|pred_metrics.sql_in|PASS|Time: 14032 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|mw_test.sql_in|PASS|Time: 1852 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|ks_test.sql_in|PASS|Time: 2465 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|f_test.sql_in|PASS|Time: 2358 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|cox_prop_hazards.sql_in|PASS|Time: 39932 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|correlation.sql_in|PASS|Time: 10520 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|chi2_test.sql_in|PASS|Time: 3581 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: stats|anova_test.sql_in|PASS|Time: 1801 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: svec_util|svec_test.sql_in|PASS|Time: 14043 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: svec_util|gp_sfv_sort_order.sql_in|PASS|Time: 3399 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|text_utilities.sql_in|PASS|Time: 6579 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|sessionize.sql_in|PASS|Time: 3901 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|pivot.sql_in|PASS|Time: 15634 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|path.sql_in|PASS|Time: 9321 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|encode_categorical.sql_in|PASS|Time: 7665 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: utilities|drop_madlib_temp.sql_in|PASS|Time: 153 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: assoc_rules|assoc_rules.sql_in|PASS|Time: 31975 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: convex|lmf.sql_in|PASS|Time: 66775 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|poisson.sql_in|PASS|Time: 19117 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|ordinal.sql_in|PASS|Time: 23446 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|multinom.sql_in|PASS|Time: 18780 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|inverse_gaussian.sql_in|PASS|Time: 20931 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|gaussian.sql_in|PASS|Time: 23795 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|gamma.sql_in|PASS|Time: 43365 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: glm|binomial.sql_in|PASS|Time: 39437 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: linear_systems|sparse_linear_sytems.sql_in|PASS|Time: 5405 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: linear_systems|dense_linear_sytems.sql_in|PASS|Time: 3331 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: recursive_partitioning|random_forest.sql_in|PASS|Time: 294832 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: recursive_partitioning|decision_tree.sql_in|PASS|Time: 91311 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|robust.sql_in|PASS|Time: 55325 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|multilogistic.sql_in|PASS|Time: 25330 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|marginal.sql_in|PASS|Time: 73750 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|logistic.sql_in|PASS|Time: 76501 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|linear.sql_in|PASS|Time: 7517 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: regress|clustered.sql_in|PASS|Time: 40661 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: sample|sample.sql_in|PASS|Time: 890 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: summary|summary.sql_in|PASS|Time: 14644 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: kmeans|kmeans.sql_in|PASS|Time: 52173 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pca|pca_project.sql_in|PASS|Time: 229016 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: pca|pca.sql_in|PASS|Time: 523230 milliseconds
TEST CASE RESULT|Module: validation|cross_validation.sql_in|PASS|Time: 33685 milliseconds
[gpadmin@hdp3 Madlib]$

        可以看到，所有案例都已经正常执行，说明MADlib安装成功。

三、卸载

        卸载过程基本上是安装的逆过程。

1. 删除madlib模式

        方法1，使用madpack部署应用程序。

$GPHOME/madlib/bin/madpack uninstall -c /dm -s madlib -p hawq

        方法2，使用SQL命令手工删除模式。

drop schema madlib cascade;

2. 删除其它遗留数据库对象

（1）删除模式
        如果测试中途出错，数据库中可能包含测试的模式，这些模式名称的前缀都是madlib_installcheck_，只能手工执行SQL命令删除这些模式，如：

drop schema madlib_installcheck_kmeans cascade;

（2）删除用户
        如果存在遗留的测试用户，则删除它。

drop user if exists madlib_1100_installcheck;

3. 删除MADlib rpm包

（1）查询包名

gppkg -q --all

        输出如下：

[gpadmin@hdp3 Madlib]$ gppkg -q --all
20170630:16:19:53:076493 gppkg:hdp3:gpadmin-[INFO]:-Starting gppkg with args: -q --all
madlib-ossv1.10.0_pv1.9.7_hawq2.1

（2）删除rpm包

gppkg -r madlib-ossv1.10.0_pv1.9.7_hawq2.1

参考：

MADlib官网
数据库数据分析扩展—MADlib
MADlib
一张图看懂MADlib能干什么
Apache MADlib Installation Guide
How to install or uninstall MADlib