Rust机器学习之petgraph

Rust机器学习之petgraph

图作为一种重要的数据结构和表示工具在科学和技术中无处不在。因此，许多软件项目会以各种形式用到图。尤其在知识图谱和因果AI领域，图是最基础的表达和研究工具。Python有著名的NetworksX库，便于用户对复杂网络进行创建、操作和学习。Rust有对应的petgraph库——一个用 Rust 开发的通用图形库。本文将用简短易懂的代码向大家介绍petgraph的主要功能特性。

本文是“Rust替代Python进行机器学习”系列文章的第六篇，其他教程请参考下面表格目录：

Python库	Rust替代方案	教程
numpy	ndarray	Rust机器学习之ndarray
pandas	Polars	Rust机器学习之Polars
scikit-learn	Linfa	Rust机器学习之Linfa
matplotlib	plotters	Rust机器学习之plotters
pytorch	tch-rs	Rust机器学习之tch-rs
networks	petgraph	Rust机器学习之petgraph

数据和算法工程师偏爱Jupyter，为了跟Python保持一致的工作环境，文章中的示例都运行在Jupyter上。因此需要各位搭建Rust交互式编程环境（让Rust作为Jupyter的内核运行在Jupyter上），相关教程请参考 Rust交互式编程环境搭建

关于petgraph

petgraph是Rust中最受欢迎的图算法库，它有着不输NetworkX的功能，但性能远超纯Python实现的NetworkX，因此很多项目都依赖petgraph库。

petgraph包含三个主要部分：

• 数据结构：包含4个不同的图实现，他们各有侧重，有的专注功能，有的专注性能，开发者可以根据实际需要权衡选择；
• 遍历：支持深度优先和广度优先遍历算法；
• 图算法：包括常见的图算法，如寻路算法。

安装petgraph

安装petgraph很简单，如果是标准rust项目，只需要在项目目录下运行：

cargo add petgraph

或在Cargo.toml文件中加入

petgraph = "0.6.2"

在机器学习中，我们更喜欢使用Jupyter。如果你已经搭建好Rust交互式编程环境（可以参考 《Rust交互式编程环境搭建》），可以直接通过下面代码引入petgraph :

:dep petgraph = "0.6.2"
:dep petgraph-evcxr = "*"

extern crate petgraph;
use petgraph_evcxr::draw_graph;

这里我们需要用到petgraph-evcxr的draw_graph方法让petgraph在Jupyter环境中绘制图。

基本用法

我们先来手动创建一个图。

在petgraph中手动建图很容易，首先初始化Graph结构，然后向其添加节点和边，例如：

use petgraph::graph::Graph;

let mut g : Graph<&str, &str> = Graph::new();
let a = g.add_node("Node A");
let b = g.add_node("Node B");
g.add_edge(a, b, "edge A->B");
draw_graph(&g);

输出结果如下图：

⚠注意：petgraph_evcxr::draw_graph不支持显示中文字符，因此图中所有显示文本都用英文。

petgraph有多种内存实现（详见图的实现），上面的例子用的是Graph结构。Graph又分有向图和无向图。我们用Graph::new()创建有向图，用Graph::new_undirected()创建无向图。

⚠注意：有向图和无向图的内存结构中是一样，都是有向图，区别在于某些算法行为会不同。

你可能留意到，Graph是支持泛型的，上面例子中我们给定Graph的两个参数为&str和&str类型。第一个参数表示节点的权重，第二个参数表示边的权重。这里权重在不同场景下含义不同，上面例子可以简单地将权重理解为标签，在寻路算法中权重表示路径的cost（详见图算法）。权重的数据类型完全可以灵活地自定义。

图的构造

图是一种通用数据结构，绝大多数常见数据结构都可以表示为图的形式。下面列举一些常见数据结构如何表示成图：

变量

理论上，变量可以表示为单例图（只有一个节点的图）。

let mut singleton : Graph<&str, &str, petgraph::Undirected> = Graph::new_undirected();
let singleton_node = singleton.add_node("Single Node");
draw_graph(&singleton);

列表

let mut list : Graph<&str, &str, petgraph::Undirected> = Graph::new_undirected();
let item1 = list.add_node("a");
let item2 = list.add_node("b");
let item3 = list.add_node("c");
list.add_edge(item1, item2, "");
list.add_edge(item2, item3, "");
draw_graph(&list);

表

let mut table : Graph<&str, &str, petgraph::Undirected> = Graph::new_undirected();
let cellA1 = table.add_node("A1");
let cellA2 = table.add_node("A2");
let cellA3 = table.add_node("A3");

let cellB1 = table.add_node("B1");
let cellB2 = table.add_node("B2");
let cellB3 = table.add_node("B3");

let cellC1 = table.add_node("C1");
let cellC2 = table.add_node("C2");
let cellC3 = table.add_node("C3");

// 列
table.add_edge(cellA1, cellA2, "");
table.add_edge(cellA2, cellA3, "");

table.add_edge(cellB1, cellB2, "");
table.add_edge(cellB2, cellB3, "");

table.add_edge(cellC1, cellC2, "");
table.add_edge(cellC2, cellC3, "");

// 行
table.add_edge(cellA1, cellB1, "");
table.add_edge(cellB1, cellC1, "");

table.add_edge(cellA2, cellB2, "");
table.add_edge(cellB2, cellC2, "");

table.add_edge(cellA3, cellB3, "");
table.add_edge(cellB3, cellC3, "");

draw_graph(&table);

树

let mut tree : Graph<&str, &str, petgraph::Directed> = Graph::new();
let tree_item1 = tree.add_node("a");
let tree_item2 = tree.add_node("b");
let tree_item3 = tree.add_node("c");
let tree_item4 = tree.add_node("d");
let tree_item5 = tree.add_node("e");
tree.add_edge(tree_item1, tree_item2, "");
tree.add_edge(tree_item1, tree_item3, "");
tree.add_edge(tree_item2, tree_item4, "");
tree.add_edge(tree_item2, tree_item5, "");
draw_graph(&tree);

环形缓冲器

let mut ring : Graph<&str, &str> = Graph::new();
let ring_item1 = ring.add_node("a");
let ring_item2 = ring.add_node("b");
let ring_item3 = ring.add_node("c");
let ring_item4 = ring.add_node("d");
ring.add_edge(ring_item1, ring_item2, "");
ring.add_edge(ring_item2, ring_item3, "");
ring.add_edge(ring_item3, ring_item4, "");
ring.add_edge(ring_item4, ring_item1, "");
draw_graph(&ring);

字典

let mut dict : Graph<&str, &str> = Graph::new();
let core = dict.add_node("dict");

let key1 = dict.add_node("key 1");
let key2 = dict.add_node("key 2");
let key3 = dict.add_node("key 3");

let value1 = dict.add_node("value 1");
let value2 = dict.add_node("value 2");
let value3 = dict.add_node("value 3");

dict.add_edge(core, key1, "");
dict.add_edge(core, key2, "");
dict.add_edge(core, key3, "");

dict.add_edge(key1, value1, "");
dict.add_edge(key2, value2, "");
dict.add_edge(key3, value3, "");
draw_graph(&dict);

图的实现

petgraph中的图有4种实现方式，它们的主要区别在于图在内存中的数据结构不同。根据场景不同，不同的实现可能带来不同的时间和空间性能。我们有必要了解这4种实现的区别，从而在使用时根据场景选择恰当的实现。

Graph

Graph背后的内存模型是邻接表，其对节点和边的类型无任何限制。节点和边分别通过 NodeIndex 和 EdgeIndex 的值访问。这些值可以访问背后的数值索引，这些索引在删除操作下不稳定。另外，Graph支持最多petgraph图算法。

StableGraph

与Graph类似，StableGraph背后的内存模型也是邻接表；但与Graph不同的是，从 StableGraph 中删除节点或边不会使现有索引失效。

GraphMap

GraphMap背后的内存模型是Map。其用节点作为Key，因此节点必须实现Copy, Eq, Ord, 和Hash。与其他三种实现不同，GraphMap 可以直接操作节点和边标签，无需中间操作。

Csr

Csr是Compressed Sparse Row（压缩稀疏行或稀疏矩阵）的简称，它是表示稀疏矩阵数据（大部分图都是稀疏数据）的有效方法，通过快速边查询可以降低内存消耗。虽然Csr对节点或边类型没有限制，但是，Csr 的 API 是所有图中限制最多的。

图的遍历

petgraph支持三种遍历形式：

• 广度优先
• 深度优先
• 后序深度优先

每种形式都实现为迭代器，且都考虑了边的方向性。

广度优先

广度优先需要用到petgraph::visit::Bfs，广度优先遍历实现方式如下：

use petgraph::visit::Bfs;

let mut bfs_graph = Graph::<(),(), petgraph::Undirected>::new_undirected();

//      0
//     /|\
//    1 2 3
//        |
//        4
bfs_graph.extend_with_edges(&[
    (0, 1), (0, 2), (0, 3), (3, 4)
]);


for start in bfs_graph.node_indices() {
    let mut bfs = Bfs::new(&bfs_graph, start);

    print!("[{}] ", start.index());

    while let Some(visited) = bfs.next(&bfs_graph) {
        print!(" {}", visited.index());
    }

    println!();
};

上面代码会输出广度优先遍历顺序：

[0]  0 3 2 1 4
[1]  1 0 3 2 4
[2]  2 0 3 1 4
[3]  3 4 0 2 1
[4]  4 3 0 2 1 

深度优先

深度优先需要用到petgraph::visit::Dfs，用法跟广度优先一样，只需要将Bfs替换成Dfs即可。

use petgraph::visit::Dfs;

let mut dfs_graph = Graph::<(),(), petgraph::Undirected>::new_undirected();

//      0
//     /|\
//    1 2 3
//        |
//        4
dfs_graph.extend_with_edges(&[
    (0, 1), (0, 2), (0, 3), (3, 4)
]);


for start in dfs_graph.node_indices() {
    let mut dfs = Dfs::new(&dfs_graph, start);

    print!("[{}] ", start.index());

    while let Some(visited) = dfs.next(&dfs_graph) {
        print!(" {}", visited.index());
    }

    println!();
};

上面代码会输出深度优先遍历顺序：

[0]  0 1 2 3 4
[1]  1 0 2 3 4
[2]  2 0 1 3 4
[3]  3 0 1 2 4
[4]  4 3 0 1 2

后序深度优先

有时我们可能需要先迭代节点的邻居，然后是节点本身。petgraph为这种遍历顺序提供了DfsPostOrder。使用方式与深度遍历相同：

use petgraph::visit::DfsPostOrder;

let mut dfs_graph = Graph::<(),(), petgraph::Undirected>::new_undirected();

//      0
//     /|\
//    1 2 3
//        |
//        4
dfs_graph.extend_with_edges(&[
    (0, 1), (0, 2), (0, 3), (3, 4)
]);


for start in dfs_graph.node_indices() {
    let mut dfs = DfsPostOrder::new(&dfs_graph, start);

    print!("[{}] ", start.index());

    while let Some(visited) = dfs.next(&dfs_graph) {
        print!(" {}", visited.index());
    }

    println!();
};

上面代码会输出后序深度优先遍历顺序：

[0]  1 2 4 3 0
[1]  2 4 3 0 1
[2]  1 4 3 0 2
[3]  1 2 0 4 3
[4]  1 2 0 3 4

图算法

petgraph支持许多图算法，这些算法都封装在algo包中。

寻路算法

在所有图算法中，日常用的最多的是寻路算法，比如被学校广泛教授的优雅的Dijkstra算法。下面列举一些需要用到寻路算法的场景：

• 计算机网络中两个节点之间边权重为ping时长
• 计算机网络中两个节点之间边权重为数据传输成本
• 计算机网络中两个节点之间边权重为ping时长和数据传输成本之和
• 地图上两个地点间的权重为两点间的距离
• 交易市场中边权重为两样商品或证券的兑换成本

上述列举的场景都可以通过 petgraph 建模，然而，petgraph 可能不适合建模地理空间图，我们需要使用专门的程序库或数据库来完成地理空间建模，例如Postgres，Postgres 可以使用 postgis 插件存储地理空间数据，并使用 pgRouting 查找最短路径。专用的地理空间路由引擎能够使用空间启发式算法（例如方向）来显著加速路径查找。

petgraph内置了3个寻路算法：

• Dijkstra算法：经典寻路算法
• A*算法：向Dijkstra算法中加入启发式算法
• Bellman_Ford算法：让Dijkstra算法支持负权重

这里拿最经典的Dijkstra算法给大家演示petgraph如何寻找最短路径：

use petgraph::algo;

let mut graph = Graph::<(),()>::new();

//      0
//     /|\
//    1 2 3
//        |
//        4
graph.extend_with_edges(&[
    (0, 1), (0, 2), (0, 3), (3, 4)
]);

for start in graph.node_indices() {
    println!("--- {:?} ---", start.index());
    println!("{:?}", algo::dijkstra(&graph, start, None, |_| 1));
};

上面的代码以图上每一点作为起点，分别调用algo::dijkstra方法计算所能到达最终节点的最短路径。algo::dijkstra的接口定义如下：

pub fn dijkstra<G, F, K>(
    graph: G, 
    start: G::NodeId, 
    goal: Option<G::NodeId>, 
    edge_cost: F
) -> HashMap<G::NodeId, K> where
    G: IntoEdges + Visitable,
    G::NodeId: Eq + Hash,
    F: FnMut(G::EdgeRef) -> K,
    K: Measure + Copy,

其中start代表起始节点；edge_cost是一个函数，返回节点间路径的cost，用于计算路径消耗，cost一定为非负数，在上面代码中我们恒定返回1；goal是个可选值，如果goal不为空，则一旦计算出目标节点的成本，算法就会终止。

注意，这里的返回值不是一条路径，而是一个Map，它包含了起始节点到每一个可达节点的最短路径成本。

上面的代码会输出如下信息：

--- 0 ---
{NodeIndex(1): 1, NodeIndex(3): 1, NodeIndex(2): 1, NodeIndex(4): 2, NodeIndex(0): 0}
--- 1 ---
{NodeIndex(1): 0}
--- 2 ---
{NodeIndex(2): 0}
--- 3 ---
{NodeIndex(3): 0, NodeIndex(4): 1}
--- 4 ---
{NodeIndex(4): 0}

0节点可以到达{0，1，2，3，4}节点，到达每个节点的最短路径消耗分别为{0， 1， 1， 1， 2}；

1节点只能到达{1}节点，最短路径消耗为0；

2节点只能到达{2}节点，最短路径消耗为0；

3节点可以到达{3，4}节点，到达每个节点的最短路径消耗分别为{0， 1}；

4节点只能到达{4}节点，最短路径消耗为0；

其他算法

除了寻路算法，petgraph还有很多其他算法，这里简单列举一些常用的算法：

• all_simple_paths： 返回给定节点上所有路径的迭代器
• condensation： 将每个强连接节点归并到一个节点
• connected_components：返回连通节点数
• has_path_connecting：如果两个节点间存在连通路径则返回True
• is_cyclic_directed：如果图中包含至少一个有向环则返回True
• is_cyclic_undirected： 如果图中包含至少一个环则返回
• kosaraju_scc：用 Kosaraju 算法返回强连通分量的向量
• min_spanning_tree：以树的形式返回每一个连通部分
• tarjan_scc：用 Tarjan 算法返回强连通分量向量
• toposort：返回按拓扑顺序排列的节点向量

结论

petgraph几乎涵盖了日常项目中所需的大部分功能，4种图实现能够满足绝大部分场景需求，并且使用Rust迭代器进行遍历带来了极大的灵活性和强大的功能，Rust的性能优势也非常凸显。但不幸的是，4种图实现缺乏通用接口，并且某些算法与某些图实现不兼容。如果所需的算法petgraph有实现，那么用petgraph是一个不错的选择。