Spark上的决策树(Decision Tree On Spark)

最近花了一些时间学习了Scala和Spark，学习语言和框架这样的东西，除了自己敲代码折腾和玩弄外，另一个行之有效的方法就是阅读代码。MLlib正好是以Spark为基础的开源机器学习库，便借机学习MLlib是如何利用Spark实现分布式决策树。本文主要是剖析MLlib的DecisionTree源码，假设读者已经入门Scala基本语法，并熟悉决策树的基本概念，假如您不清楚，可以参照Coursera上两门课程，一门是Scala之父Martin Odersky的《Functional Programming Principles in Scala》，用来学习Scala。另一门则是台湾大学林轩田教授的《机器学习技法》，用于学习决策树基础:-)。

实现概要

在陷入实现细节之前，我们先从全局大方面上来把握一下MLlib是如何实现分布式决策树的。

• 首先，MLlib认为，决策树是随机森林(RandomForest)的一种特殊情况，也就是只有一棵树并且不采取特征抽样的随机森林。所以在训练决策树的时候，其实是训练随机森林，最后从随机森林中抽出一棵树。
• 为了减少分布式训练过程中遍历数据的次数和提高训练速度，实现上采取了以下几个优化技巧：
  
  • 以广度优先方式建树(传统的实现是递归版本的深度优先方式)
  • 广度优先获得在maxMemory限制下的队列中的节点，作为一组，按组训练，这样每一次遍历数据需要做更多的计算和更多的存储空间，但是相应地减少了网络通信
  • 提前计算特征的切割点(Split)和切割区间(Bin)，在数据量大的情况下，可以近似按Bin寻找最优切割点，而不用遍历训练数据的所有可能分割点
  • 利用已知的Bin和每个Bin需要的统计量个数构造一个一维数组，进行分区统计再合并

优化技巧剖析

训练随机森林获取决策树

其实这算不上什么优化技巧，为了逻辑上连贯，还是加上了:-)，什么都不用说，直接上代码，请看DecisionTree中的run方法便知：

  def run(input: RDD[LabeledPoint]): DecisionTreeModel = {
    // Note: random seed will not be used since numTrees = 1.
    val rf = new RandomForest(strategy, numTrees = 1, featureSubsetStrategy = "all", seed = 0)
    val rfModel = rf.run(input)
    rfModel.trees(0)
  }

按层建树

其实这个技巧挺简单的，只要你知道如何按层打印二叉树的节点就可以，这种可是经典的面试题来的-:)，很简单，只需利用一个队列来辅助即可。每次将队列的节点全部拿出来，按顺序处理每个节点，并将产生的新节点重新进队列，直到队列为空。

queue.enqueue(root)
while !queue.isEmpty：
    nodes = extractNodes(queue) //取出队列中的节点
    for node in nodes:
        growTree(node,queue)  //此处子节点可能会进入queue

这样便实现了按层建树的过程。MLlib中将这样每一次迭代从queue中获取的节点归为一组，并考虑每一组是需要用到的内存是否满足最大的内存限制，所以并不是每一次迭代都取整层的节点。也就是说每一组可能有不同层次的节点，因为是训练随机森林，所以每一组的节点可能来源不止一棵树。通过分组的操作，每一次遍历数据，可以操作当前组的所有节点，而不是只处理一个节点，从而减少了数据的遍历次数。

提前计算特征的切割点(Split)和切割区间(Bin)

遍历一遍输入数据或采样数据，我们就可以提前知道所有可能的分裂点。决策树的一个优势是可以处理连续特征(Continuous feature)和类别特征(Category feature)。

对于类别特征，比如一个颜色特征，它的特征值可以是：红，黄，蓝，绿。假设一个类别特征的特征值数目为 N ，因为一个特征可以同时取得多个特征值，比如红蓝，蓝绿，那么分割点其实就是特征值的所有可能组合，其个数为： 2N ，对于二叉决策树而言，有一半的分裂点其实是重复的，比如选红蓝为分割点和选黄绿为分割点其实是一样的，所以必须除以2，也就是 2N−1 ，对于其中一种情况是取得所有特征值或者一种都取不到的情况，必须排除，所以最终的分裂点Split个数就是： 2N−1−1 ，而区间Bin个数就是 2N−2 。具体实现中，MLlib采用了一个可证明的技巧(详请查阅《The Elements Of Statistical Learning》9.2.4节)，对于二元分类问题，分裂点Split个数直接设为 N−1 ，Bin的个数为 N 。

对于连续的实数特征，标准的做法是将输入进行排序，然后将每个输入或者前后两个输入的平均值即中间点作为分裂点。假设实数特征有 N 个不同训练的数据，那么分裂点Split的个数就是 N 。分割区间Bin的个数就是 N+1

但是对于海量数据，或者一个无序的特征有太多的特征值，按照上面做法，就肯定吃不消了。所以一个近似的做法就是，提前为这样的实数特征确定好分裂区间的个数，也就是为什么在决策树设定参数中有maxBins这个参数的来由了。对于类别特征如果特征值超过maxBins，那么将分裂箱子Bin的数量退化为特征值的个数。对于连续的特征，如果不同训练特征少于maxBins，那么还是按照前面分析的做法，如果超过了，Bin的个数就设为maxBins，并采取尽量平均的方式选择切割点，使得每个Bin尽量包含相同个数的训练数据。如果训练数据实在太多，可以使用采样的方式，利用采样部分数据作为训练数据再使用上面的方法确定Split和Bin。由于采取了分区间的操作和可能的采样手段，必然降低了决策树的预测精度，但是另一方面却可以大大提升训练速度。实际中据说这样的技巧也没损伤多少精度-:)。

以上分析位于代码DecisionTreeMetadata.buildMetadata方法和DecisionTree.findSplitsBins方法中。其中DecisionTreeMetadata.buildMetadata设定了无序特征的分裂数目，而DecisionTree.findSplitsBins则确定了连续特征的分裂数并且实际生成连续特征、有序类别特征、无序类别特征的分裂对象(Split)和分裂区间(Bin)

按节点分区统计

因为Spark的RDD数据是以Partition分区存储的。所以如果能先利用分区计算部分统计量，最后再合并统计量，就可以减少很多不必要的通信开销。那么该怎样分区统计并且使得后面合并的时候方便呢？MLlib的具体实现是为每个节点创建一个一维数组allStats作为统计的容器，怎样一个一维数组呢？由于上一步的计算，我们已经提前知道每个特征对应的Bin的个数了，那么每个Bin里面到底需要多少统计量呢？对于分类问题，假设是二元分类，那么每个Bin其实只有2个统计量，就是计算落到这个Bin里面正负样本的个数。而多类分类问题，分类个数 N ，则每个Bin里面就需要 N 个统计量。给个图直观展示一下，对于一个3类分类决策树，构造这样的一维数组allStats形式如下：

每个Bin都有3个类别的count，并顺序排列下去组成一个大的一维数组。这样的大数组涵盖了我们计算的所有可能性，为每个节点创建这样一个数组，都会消耗一定内存，所以设置maxBins需要小心。

既然我们提前知道每个特征对应的Bin的个数和每个Bin需要的统计量个数，我们可以设置一个数组featureOffsets，大小是featureNum，从0开始，累加每个feature对应的Bin数目，也就是进行Cumulative sum 操作。这样数组最后一个元素值就是总的Bin的个数totalBins。计算featureOffsets的代码如下：

  private val featureOffsets: Array[Int] = {
    numBins.scanLeft(0)((total, nBins) => total + statsSize * nBins) }

设置这样的偏移数组的好处就是一旦获得featureIndex，我们很方便查询到具体在上面大数组中的偏移量。给定一个featureIndex，还有binIndex，假设每个Bin的统计量为statSize，那么在大数组的更新偏移量为：

offset=featureOffsets(featureIndex)+binIndex∗statSize

整理一下，我们之前已经事先计算每一个特征可能落入的Bin和切割点Split。也就是说一个特征取得不同的值将可能会落入不同的Bin中，但是对应具体的一个训练数据LabeledPoint，在每个特征上的取值已经是确定了，那么对于该LabeledPoint，我们可以事先计算每个特征对应落到那个Bin中，由于我们之前计算连续特征对应的Split和Bin的时候是有序的，那么可以利用二分查找寻找每个具体特征值的对应Bin，这也大大地节约了计算量。对于Categorical特征，则特征值就作为Bin的Index。具体可参考TreePoint的实现。LabeledPoint到TreePoint的转换其实就是将LabeledPoint里面的每一个特征值映射到每个Bin的Index，对于每一个TreePoint，我们因此可以知道它所有落入不同Bin的位置并更新那个Bin的统计量。
这样复杂的计算过程，在MLlib中实现抽象为类DTStatsAggregator，每个节点都有对应的DTStatsAggregator，DTStatsAggregator中包含前面介绍的allStats和featureOffsets。用于计算不同Bin在各个RDD分区的部分统计，最后再由reduceByKey合并起来，变成一个充分统计。示意如下：

因为这个技巧需要综合之前所有技巧，并且为了效率，实现上没有过多抽象，读起源码来难度会比较大。所以读一两遍读不懂不要气馁-:)。在真正分裂节点的时候，Continuous Feature和Categorical Feature是在计算信息增益的形式是有所不同的，并且都运用了Cumulative sum的技巧，但是这已经不是为了实现分布式决策树的技巧，这里就不再赘述。

结语

其实单单靠文字很难表达清楚整个实现过程，但是本文也差不多点出了MLlib中DecisionTree的核心要点，我并不希冀读者通过阅读本文就可以完全理解，但是可以根据本文点出的概念，再阅读源码，读5遍左右(我就是读了5遍)，应该可以完全理解了-:)。决策树是随机森林和梯度提升树的基础，理解了决策树，再看其他两种模型，都是可以秒懂的-:)。

参考引用

《Scalable Distributed Decision Trees in Spark MLlib》
《PLANET: Massively Parallel Learning of Tree Ensembles with MapReduce》
官方文档Decision Trees - spark.mllib