机器学习实践：Spark MLlib库介绍与使用-3

机器学习实践：Spark MLlib库介绍与使用

1、实验描述

• MLlib （ Machine Learning Library ）是 Spark 的一个机器学习库。它能够较容易地解决一些实际的大规模机器学习问题。本实验旨在学习 Spark 的机器学习库—— MLlib 的相关知识，了解 MLlib 与 ML 之间的区别和联系，掌握 MLlib 中的几个基本数据类型

• 实验时长：90分钟

• 主要步骤：

  • 学习Mllib的基本数据类型

  • 学习Mllib的基本算法库

  • 利用Mllib算法库中的协同推荐算法为用户推荐电影

2、实验环境

• 虚拟机数量：1

• 系统版本：CentOS 7.5

• Spark版本：Apache Spark 2.1.1

3、相关技能

• linux常用命令
• Spark shell
• Scala语言编程
• MLlib 库的使用
• 协同过滤算法
• Spark SQL应用

4、相关知识点

• 数据类型：本地向量、标签点、本地矩阵
• 稠密向量、稀疏向量
• MLlib 库的主要内容
• MLlib 的数据类型和算法种类
• 协同过滤算法
• Spark SQL

5、效果图

• 利用ALS模型对测试数据做预测，看到这个误差值是在可以接受的范围内的。详情请看实验步骤

图 1

6、实验步骤

6.1MLlib 的数据类型

6.1.1本地向量

6.1.1.1本地向量（Local Vector）的索引是整型的、从0开始的。而它的值为 Double 类型，存储于单个机器内。 MLlib 支持两种本地向量：稠密向量和稀疏向量

6.1.1.2本地向量的基类是 Vector 类，DenseVector 和 SparseVector 类是其两种不同的实现。官方文档推荐大家使用 Vector 类中已实现的工厂方法来创建本地向量

6.1.1.3安装spark（这里我们只需要单机模式的spark的环境即可），解压tgz下的spark安装包

[zkpk@master ~]$ cd tgz/spark
[zkpk@master spark]$ tar -zxvf spark-2.1.1-bin-hadoop-2.7 -C ~/ 
[zkpk@master spark]$ cd

6.1.1.4打开spark shell终端

[zkpk@master ~]$ cd spark-2.1.1-bin-hadoop2.7/
[zkpk@master spark-2.1.1-bin-hadoop2.7]$ bin/spark-shell

6.1.1.5进入spark shell命令行后，导入spark mllib中的本地向量相关包

scala>import org.apache.spark.mllib.linalg.{Vector, Vectors}

6.1.1.6利用dense方法创建稠密向量(1.0, 0.0, 3.0)

scala>val dv: Vector = Vectors.dense(1.0, 0.0, 3.0)

6.1.1.7通过指定非零实体对应的索引和值，来创建稀疏向量 (1.0, 0.0, 3.0)

scala>val sv1: Vector = Vectors.sparse(3, Array(0, 2), Array(1.0, 3.0))	// 3个参数：第一个参数：vector大小；第二个indices：数组，用于保存vector中非零元素，且索引是递增的；第三个：vector非零值组成的数组，且与indices对应

6.1.1.8通过指定非零实体，来创建稀疏向量 (1.0, 0.0, 3.0)

scala>val sv2: Vector = Vectors.sparse(3, Seq((0, 1.0), (2, 3.0)))

图 2

6.1.1.9向量 (1.0, 0.0, 3.0) 写成稠密形式就是 [1.0, 0.0, 3.0]，而写成稀疏形式则是(3, [0, 2], [1.0, 3.0])，后者的第一个 3 是指向量的大小。稀疏和稠密的界限没有严格意义上的标准，通常需要依据具体的问题来决定

6.1.1.10在Spark中，如果没有引入org.apache.spark.mllib.linalg.Vector 包的话，Vector 会被认为是scala.collection.immutable.Vector 中定义的那个。因此，应当引入前者以显式地使用 MLlib 中的向量

6.1.2标签点

6.1.2.1标签点（Labeled Point）是一个本地向量，也分稀疏或者稠密，并且是一个带有标签的本地向量。

6.1.2.2在 MLlib 中，标签点常用于监督学习类算法。标签（Label）是用 Double 类型存放的，因此标签点可以用于回归或者分类算法中。如果是二维分类，标签则必须是 0 或 1 之间的一种。而如果是多个维度的分类，标签应当是从 0 开始的数字，代表各个分类的索引。

6.1.2.3标签点是由一个名为 LabeledPoint的 Case Class 样例类定义的

6.1.2.4在spark-shell中创建标签点， 引入标签点相关的包

scala>import org.apache.spark.mllib.linalg.Vectors
scala>import org.apache.spark.mllib.regression.LabeledPoint

6.1.2.5创建一个带有正面标签和稠密特征向量的标签点

scala>val lpd= LabeledPoint(1.0, Vectors.dense(1.0, 0.0, 3.0))

6.1.2.6创建一个带有负面标签和稀疏特征向量的标签点

scala>val lps= LabeledPoint(0.0, Vectors.sparse(3, Array(0, 2), Array(1.0, 3.0)))

图 3

6.1.3本地矩阵

6.1.3.1本地矩阵（Local matrix）的索引也是从0开始的，并且是整型。值也为 Double 类型，存储于单个机器内。 Mllib 支持两种本地矩阵：稠密矩阵和稀疏矩阵

6.1.3.2稠密矩阵的实体值以列为主序的形式，存放于单个 Double 型数组内。稀疏矩阵的非零实体以列为主序的形式，存放于压缩稀疏列（Compressed Sparse Column, CSC）中

6.1.3.3本地矩阵的基类是 Matrix 类，在 Spark 中有其两种实现，分别是 DenseMatrix 和 SparseMatrix 。官方文档中推荐使用已在 Matrices 类中实现的工厂方法来创建本地矩阵。需要注意的是，MLlib 中的本地矩阵是列主序的（column-major）

6.1.3.4在spark shell中创建本地矩阵，首先导入矩阵相关包

scala>import org.apache.spark.mllib.linalg.{Matrix, Matrices}

6.1.3.5创建稠密矩阵((1.0, 2.0), (3.0, 4.0), (5.0, 6.0))

scala>val md: Matrix = Matrices.dense(3, 2, Array(1.0, 3.0, 5.0, 2.0, 4.0, 6.0))	// 列主序的；如此例，第一列的值有3个，分别是1.0、3.0、5.0；另外三个值是第二列的值

6.1.3.6创建稀疏矩阵 ((9.0, 0.0), (0.0, 8.0), (0.0, 6.0))

scala>val ms: Matrix = Matrices.sparse(3, 2, Array(0, 1, 3), Array(0, 2, 1), Array(9, 6, 8))

图 4

6.2MLlib算法

6.2.1MLlib 的算法涵盖了基本统计、分类和回归和协同过滤等 9 个大类，而更加新颖和高效的算法也在不断地推陈出新。在 Spark中，主要的算法有：

6.2.1.1基本统计算法

• 汇总统计

• 相关统计

• 分层抽样

• 假设检验

• 随机数据生成

• 核密度估计

6.2.1.2分类和回归

6.2.1.3协同过滤

6.2.1.4聚类

6.2.1.5降维

6.2.1.6特征提取和转化

6.2.1.7频繁项挖掘

6.2.1.8评价指标

6.2.1.9PMML导出

6.2.2由于篇幅有限且算法内容较复杂，这里就不一一讲解，本实验介绍使用一种交替最小二乘法的协同过滤算法

6.3实例：利用算法来推荐电影

6.3.1利用**:quit**命令退出spark shell命令行，解压experiment/mllib目录下的数据集文件

scala>:quit
[zkpk@master spark-2.1.1-bin-hadoop2.7]$ cd ~/experiment/mllib
[zkpk@master mllib]$ unzip ml-1m.zip
[zkpk@master mllib]$ cd ml-1m

6.3.2解压完成之后有三个dat文件，分别是movies.dat、ratings.data、users.dat

6.3.3我们查看下用户信息users.dat文件的前10条，每行的数据格式为`用户ID：：性别：：年龄：：工作：：邮编`

[zkpk@master ml-1m]$ head -10 users.dat

图 5

6.3.3.1性别部分：M代表男性，F代表女性；

6.3.3.2年龄部分：1表示18岁以下，18表示18-24岁，25表示25-34岁，35表示35-44岁，45表示45-49岁，50表示50-55岁，56表示56岁及以上

6.3.3.3职业部分：职业编号分布在0-20，每一种编号分别表示一种职业，若想查看详情，打开README文件，找到对users.dat的描述的内容

6.3.4我们查看下评论信息ratings.dat文件的前10条，其格式为`用户ID：：电影ID：：评论星级：：时间戳`

[zkpk@master ml-1m]$ head -10 ratings.dat 

图 6

6.3.4.1电影ID部分：电影ID的范围在1-3952之间，每一个ID代表一部电影

6.3.4.2评论星级部分：共五星用1-5的数字表示

6.3.4.3时间戳部分：评论发布的时间戳

6.3.5我们查看下电影信息movies.dat文件的前10条，其格式为`电影ID：：电影标题：：电影流派`

[zkpk@master ml-1m]$ head -10 movies.dat 

图 7

6.3.5.1电影标题部分：电影的发布名称和发布年份等

6.3.5.2电影流派部分：共18个流派，一部电影可能属于一个或者多个流派，各流派如下：Action（行动）、Adventure（冒险）、Animation（动画）、Children’s（儿童）、Comedy（喜剧）、Crime（犯罪）、Documentary（纪录片）、Drama（戏剧）、Fantasy（幻想）、Film-Noir（黑色电影）、Horror（恐怖）、Musical（音乐）、Mystery（神秘）、Romance（浪漫）、Sci-Fi（科幻）、Thriller（惊悚）、War（战争）、Western（西方）

6.3.6重新进入Spark shell

[zkpk@master ml-1m]$ cd ~/spark-2.1.1-bin-hadoop2.7/
[zkpk@master spark-2.1.1-bin-hadoop2.7]$ bin/spark-shell

6.3.7开始编写实验代码

6.3.7.1引入本节实验要使用的相关spark包

scala>import spark.implicits._
scala>import org.apache.spark.rdd._
scala>import org.apache.spark.sql._
scala>import org.apache.spark.mllib.recommendation.Rating
scala>import org.apache.spark.mllib.recommendation.ALS
scala>import org.apache.spark.mllib.recommendation.MatrixFactorizationModel

6.3.7.2首先对电影数据建立一个 Case Class，它对应了 movies.dat 文件中的部分字段（其中 Genres（流派）字段不是我们所需要的，因此在 Case Class 中没有设置对应的成员变量）

scala>case class Movie(movieId: Int, title: String)

图 8

6.3.7.3同样的，我们为用户数据建立一个 Case Class，它对应了 users.dat 文件中的部分字段，（本实验只使用了 用户ID 作为运算时的输入）

scala>case class User(userId: Int, gender: String, age: Int, occupation: Int, zipCode: String)

图 9

6.3.7.4我们不需定义ratings.dat数据的Case Class，因为评价类型的数据在spark机器学习框架中已经有org.apache.spark.mllib.recommendation.Rating类来做映射，在一开始的导包中我们已经导入了该包

6.3.7.5定义三个解析数据函数。这些函数将用于解析数据集中的每一行内容，去掉分隔符 ::，然后把数据映射到 Case Class 的对应成员中，因此，针对三种数据，分别编写对应解析函数

// 解析 movies.dat 文件的函数；参数为此文件中的一行内容
scala> def parseMovieData(data: String): Movie = {
        val dataField = data.split("::")
        assert(dataField.size == 3)
        Movie(dataField(0).toInt, dataField(1))
}

// 解析 users.dat 文件的函数；参数为此文件中的一行内容
scala> def parseUserData(data: String): User = {
        val dataField = data.split("::")
        assert(dataField.size == 5)
        User(dataField(0).toInt, dataField(1), dataField(2).toInt, dataField(3).toInt, dataField(4))
}

// 解析 ratings.dat 文件的函数，这里用到的 Rating 类是在org.apache.spark.mllib.recommendation.Rating 包中定义的
scala> def parseRatingData(data: String): Rating = {
        val dataField = data.split("::")
        Rating(dataField(0).toInt, dataField(1).toInt, dataField(2).toDouble)
}

图 10

6.3.8定义好三种数据对应的解析函数后，下面我们将他们导入到 RDD 中

scala>val moviesData = sc.textFile("/home/zkpk/experiment/mllib/ml-1m/movies.dat").map(parseMovieData).cache()	//cache()将RDD缓存起来
scala>val usersData = sc.textFile("/home/zkpk/experiment/mllib/ml-1m/users.dat").map(parseUserData).cache()
scala>val ratingsData = sc.textFile("/home/zkpk/experiment/mllib/ml-1m/ratings.dat").map(parseRatingData).cache()

图 11

6.3.9通过一些方法来查看数据的某些特征

6.3.9.1看一下评价数据到底有多少个

scala>val amountOfRatings = ratingsData.count()

图 12

6.3.9.2看一下多有少个用户评价了电影

scala>val amountOfUsers = ratingsData.map(_.user).distinct().count()	//ratingsData是一个RDD，其元素类型是Rating；_.user中_代表RDD中的一个个Rating对象，然后取出此对象的user属性；再去重；计数

图 13

6.3.10将这些 RDD 转化为 DataFrame ，用于后续的操作

scala>val moviesDF = moviesData.toDF()
scala>val usersDF = usersData.toDF()
scala>val ratingsDF = ratingsData.toDF()

图 14

6.3.11将这几个 DataFrame 注册为临时表

scala>moviesDF.registerTempTable("movies")
scala>usersDF.registerTempTable("users")
scala>ratingsDF.registerTempTable("ratings")

图 15

6.3.12利用一个 SQL 查询，获取id是1680的用户的评价高于 4.5 分的电影有哪些

scala>val highRatingMovies = spark.sql("SELECT ratings.user, ratings.product, ratings.rating, movies.title FROM ratings JOIN movies ON movies.movieId=ratings.product  WHERE ratings.user=1680 and ratings.rating > 4.5 ORDER BY ratings.rating DESC ")

6.3.13检索完成后，调用 show() 函数查看前20条结果，结果格式为：用户ID，电影ID，用户评分，电影标题（每次实验结果可能略有不同）

scala>highRatingMovies.show()

图 16

6.3.14开始机器学习，将已有的数据划分为两部分：训练集、测试集

6.3.15继续在spark shell中编程，将评分数据集按照训练集70%，测试集30%来随机切分，250L是随机种子数

scala>val tempPartitions = ratingsData.randomSplit(Array(0.7, 0.3), 250L)

6.3.15.1这里用到了 randomSplit 函数，两个参数分别为划分比例、产生随机数的种子值

6.3.16然后我们将划分的结果存放在两个不同的变量中：

scala>val trainingSetOfRatingsData = tempPartitions(0).cache()	// 训练集
scala>val testSetOfRatingData = tempPartitions(1).cache()		// 测试集

6.3.17将训练集用于 ALS 算法

scala>val recomModel = new ALS().setRank(20).setIterations(10).run(trainingSetOfRatingsData)

6.3.17.1MLlib 中的 ALS 算法需要设置三个参数，分别是特征矩阵的秩数量 setRank、迭代次数 setIterations 和训练用的训练数据集。其中特征矩阵的秩设置为 20，表明生成的 userFeatures 和 itemFeatures 的个数是20

6.3.18生成推荐结果，通过 MatrixFactorizationModel 类的 recommendProducts 方法，我们可以对某个用户生成推荐结果（每次实验结果可能略有不同）

scala>val recomResult = recomModel.recommendProducts(1234, 10)	// 1234是userid

图 17

6.3.18.11234 是我们随意指定的一个用户 ID，做实验时也可以修改成其他用户的 ID 。10 是产生推荐的数量

6.3.19也可以利用mkString展现更直观的推荐结果

scala>println(recomResult.mkString("\n"))

图 18

6.3.19.1输出数据的格式是 Rating 类的格式：用户ID、电影ID和该用户对电影可能的评分。

6.3.20但仅看到电影的 ID，并不知道具体是什么电影。所以还需要按照电影的 ID找到对应的电影标题:

scala>val movieTitles = moviesDF.rdd.map(array => (array(0), array(1))).collectAsMap()	// 0、1分别是movieId、title
scala>val recomResultWithTitle = recomResult.map(rating => (movieTitles(rating.product), rating.rating))

6.3.21然后再把结果输出，就可以看到推荐的电影名称了：

scala>println(recomResultWithTitle.mkString("\n"))

图 19

6.3.22模型评价，评价的方式便是将上边得到的推荐结果（评分预测值）与测试集中实际结果相比较。利用 MatrixFactorizationModel 类的 predict 函数来得到预测的评分值

scala>val predictResultOfTestSet = recomModel.predict(testSetOfRatingData.map { case Rating(user, product, rating) => (user, product) })

6.3.23得到对测试集的预测评分结果后，用 map 、 join算子将它与测试集的原始数据组合成 **((用户ID, 电影ID), (测试集原有评分, 预测评分))**的数据结构。这个格式是 Key-Value 形式的，Key 为 (user, product)。我们是要把这里的测试集原有评分与预测时得到的评分相比较，二者的联系就是 user 和 product 相同。第一个 map 可以将 (用户ID, 电影ID) 与 测试集原有评分 组合成 KV 格式；第二个 map 操作，可以将 (用户ID, 电影ID) 与 预测评分 组合成 KV 格式

// 测试集
scala>val formatResultOfTestSet = testSetOfRatingData.map {
        case Rating(user, product, rating) => ((user, product), rating)
}

// 预测结果
scala>val formatResultOfPredictionResult = predictResultOfTestSet.map {
        case Rating(user, product, rating) => ((user, product), rating)
}

6.3.24然后利用join算子将二者连接起来，Key 相同的不同值就整合在一起形成了 ((用户ID, 电影ID), (测试集原有评分, 预测评分)) 的格式。

scala>val finalResultForComparison = formatResultOfPredictionResult.join(formatResultOfTestSet)

6.3.25最后利用这个结果来计算预测评分和实际评分之间的平均绝对误差。平均绝对误差（Mean Absolute Error）是所有单个观测值与算术平均值偏差的绝对值的平均。与平均误差相比，平均绝对误差由于被绝对值化，不会出现正负相抵消的情况，所以平均绝对误差能更好地反映预测值误差的实际情况。我们直接取finalResultForComparison 结果中 ratingOfTest 和 ratingOfPrediction两个值，先算误差，再取绝对值。最后对所有的绝对值计算平均数

scala>val MAE = finalResultForComparison.map {
        case ((user, product), (ratingOfTest, ratingOfPrediction)) => {val deviation= (ratingOfTest - ratingOfPrediction)
        Math.abs(deviation)}
}.mean()

6.3.26查看终端结果（每次实验结果可能略有不同），可以看到这个误差值是在可以接受的范围内的

图 20

7、总结

算术平均值偏差的绝对值的平均。与平均误差相比，平均绝对误差由于被绝对值化，不会出现正负相抵消的情况，所以平均绝对误差能更好地反映预测值误差的实际情况。我们直接取finalResultForComparison 结果中 ratingOfTest 和 ratingOfPrediction两个值，先算误差，再取绝对值。最后对所有的绝对值计算平均数