Machine Learning With Spark--读书笔记

第一章 Spark的环境搭建与运行

Spark的支持四种运行模式
- 本地单机模式Spark Standalone：所有Spark进程都运行在同一个Java虚拟机中。
- 集群单机模式：使用Spark内置的任务调度框架。
- 基于Mesos：Mesos是一个流行的开源集群计算框架。
-基于YARN：即Hadoop2，它是一个与Hadoop关联的集群计算和资源调度框架。

1.1 Spark的本地安装与配置

推荐阅读Spark官方文档: http://spark.apache.org/docs/latest
安装配置单机版Spark之后，可以运行Spark附带的一个示例程序来测试是否一切正常：

>./bin/run-example org.apache.spark.examples.SparkPi
要在本地模式下设置并行的级别，以local[N]的格式来指定一个master变量即可。上述参数中的N表示要使用的线程数目。比如只使用两个线程时，可输入如下命令：
>MASTER=local[2] ./bin/run-example org.apache.spark.examples.SparkPi

1.2 Spark集群

本书中将使用Spark的本地单机模式做概念讲解和举例说明，但所用的代码也可运行在Spark集群上。比如在一个Spark单机集群上运行上述示例，只需传入主节点的URL即可:

>MASTER-spark://IP:PORT ./bin/run-example org.apache.spark.examples.SparkPi

其中IP和PORT是主节点Master的IP地址和端口号。

1.3 Spark编程模型

1.3.1 SparkContext类与SparkConf类

我的理解是这一步是任何Spark程序的开始，即可以称为Environment Initialization。

1.first edition
val conf = new SparkConf().setAppName("Test Spark App").setMaster("local[4]")
val sc = new SparkContext(conf)
2.second edition
val sc = new SparkContext("local[4]", "Test Spark App")

ps:如果是提交到Spark集群上去运行，那么setMaster("spark://host:port")填写指定Master URL，具体可以去WebUI中查看。

1.3.2 Spark Shell

支持利用Scala或Python的交互式shell来进行交互式的程序编写。输入的代码会被立即计算，比较容易理解。spark shell会自动给你初始化好sc as SparkContext。

使用scala for spark shell:
>./bin/spark-shell
使用python for spark shell:
>./bin/pyspark

1.3.3 弹性分布式数据集(Resilient Distributed Dataset, RDD)

1.创建RDD

val collection = List("a", "b", "c", "d", "e")
val rddFormCollection = sc.parallelize(collection)
OR
val rddFormTextFile = sc.textFile("File Path")

2.Spark操作
Spark Operations = Transformation(Wait) + Action(Run)
转换操作是Lazy的，即只有当运行Action操作时才会执行Transformation操作。

3.RDD缓存策略
persist and cache。详情：http://spark.apache.org/docs/latest/programming-guide.html#rdd-persistence

1.3.4 广播变量和累加器

暂时用不到，就不写这部分了。

1.4 Spark Scala 编程入门

熟能生巧看代码。
输入数据：
John,iPhone Cover,9.99
John,Headphones,5.49
Jack,iPhone Cover,9.99
Jill,Samsung Galaxy Cover,8.95
Bob,iPad Cover,5.49

object Learning_SparkWithScal {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf = new SparkConf()
      .setAppName("Learn Spark")
      .setMaster("local[2]")
    val sc = new SparkContext(conf)

    val data = sc.textFile("data/UserPurchaseHistory.csv")
      .map(line => line.split(","))
      .map(purchaseRecord => (purchaseRecord(0), purchaseRecord(1), purchaseRecord(2)))

    //求购买次数
    val numPurchases = data.count()
    //求有多少个不同用户购买过商品
    val uniqueUsers = data.map{ case (user, product, price) => user}.distinct().count()
    //求和得出总收入
    val totalRevenue = data.map{case (user, product, price) => price.toDouble}.sum()
    //求出最畅销的产品是什么
    val productsByPopularity = data.map{ case (user, product, price) => (product, 1)}
      .reduceByKey(_ + _)
      .collect()
      .sortBy(-_._2)
    val mostPopular = productsByPopularity(0)

    println("Total purchases: " + numPurchases)
    println("Unique users: " + uniqueUsers)
    println("Total revenue: " + totalRevenue)
    println("Most popular product: %s with %d purchases".format(mostPopular._1, mostPopular._2))
  }
}

1.5 Spark Java编程入门

很少用，相比Scala来说没有啥优势。

1.6 Spark Python 编程入门

和Scala语法差不多，主要是匿名函数的写法上，但是没有Scala逼格高。：D

1.7 在Amazon EC2 上运行Spark

搭建Spark集群，因为这一部分我自己搭过所以也算是略有心得了。

======================2017.6.10 更新===========================

第二章 设计机器学习系统

这一章大多是文字介绍的功夫，这里就不多扯了。

第三章 Spark上数据的获取、处理与准备

本章内容包括：

• 简要概述机器学习中用到的数据类型
• 举例说明从何处获取感兴趣的数据集（通常可从因特网上获取），其中一些会用于阐述本书中所涉及模型的应用
• 了解数据的处理、清理、探索和可视化方法
• 介绍将原始数据转换为可用于机器学习算法特征的各种技术
• 学习如何使用外部库或Spark内置函数来正则化输入特征

3.1 获取公开数据集

常见的公开数据集：

• UCL机器学习知识库 http://archive.ics.uci.edu/ml/
• Amazon AWS公开数据集 http://aws.amazon.com/publicdatasets/
• Kaggle http://www.kaggle.com/competitions
• KDnuggets http://www.kdnuggets.com/datasets/index.html

本章用到的数据集为MovieLens 100k数据集，下载地址: http://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-100k.zip
下载下来后使用unzip命令解压缩，其中比较重要的文件有u.user(用户属性文件), u.item(电影元数据) 和 u.data(用户对电影的评级)

3.2 探索与可视化数据

本文将使用IPython交互式终端和matplotlib库来对数据进行处理和可视化，故我们会用到Python和PySpark shell。
这里我们使用IPython Notebook，相关安装教程见链接：
http://blog.youkuaiyun.com/schwxd/article/details/53863483
我这里安装的是Anaconda2,期间还发生了虚拟机内存不够的状况，大概花了30分钟左右才重新分配了更大的内存。关于Vmware虚拟机内存分配的相关链接：
http://blog.youkuaiyun.com/timsley/article/details/50742755
在上述博文里我也遇到了点问题。比如：

后来发现可以在软件商店中直接下载安装-.-。后序的操作都跟博文中的差不多了，可能就是博文中有些地方描述的过于简单，我一头雾水的操作了半天才弄懂。

言归正传：什么都搞完之后，启动ipthon notebook,然后就打开了如下网页：

在界面的右边进行如下操作：点击New-> 选择Python2，就会新建一个python2的界面了！（感觉这个类似于一个网页版的python IDE）

输入一下简单的语句进行测试：

最后说一下简单的快捷键：

暂时看不懂没关系，编程的时候随便用用你就懂了！
好了，又掌握了一个新的看起来还不错的IDE，那么进行愉快的Spark的编程吧- -!

3.2.1 探索用户数据

#读入数据
user_data = sc.textFile("/home/whu/ml-100k/u.user")
user_data.first()
#统计各个维度的总数，count()函数
user_fields = user_data.map(lambda line: line.split("|"))
num_users = user_fields.map(lambda fields: fields[0]).count()
num_genders = user_fields.map(lambda fields: fields[2]).distinct().count()
num_occupations = user_fields.map(lambda fields: fields[3]).distinct().count()
num_zipcodes = user_fields.map(lambda fields: fields[4]).distinct().count()
print "Users: %d, genders: %d, occupations: %d, ZIP codes: %d" % (num_users, num_genders, num_occupations, num_zipcodes)
#画用户年龄段分布的直方图
#%pylab inline暂时是什么用不清楚，大概就是类似import numpy , matplotlib类似的功能吧
%pylab inline
ages = user_fields.map(lambda x: int(x[1])).collect()
hist(ages, bins=20, color='lightblue', normed=True)
#hist函数的输入参数有ages数组，直方图的bins数目（即区间数，这里为20）。同时还使用了normed=True参数来正则化直方图，即让每个方条表示年龄在该区间内的数据量占总数据量的比。
fig = matplotlib.pyplot.gcf()
fig.set_size_inches(16, 10)

结果图：至于为什么我这没有竖着的边缘黑线我也不是很清楚。。。

接下来计算用户职业的分布情况：

count_by_occupation = user_fields.map(lambda fields: (fields[3], 1)).reduceByKey(lambda x, y: x + y).collect()
#将RDD转换为两个数组
x_axis1 = np.array([c[0] for c in count_by_occupation]) # 职业标签轴
y_axis1 = np.array([c[1] for c in count_by_occupation]) # 数量轴
#我们需要对该数据进行排序，从而在条形图中以从少到多的顺序来显示各个职业
#为此可先创建两个数组，调用numpy的argsort函数来以数量升序从各数组中选取元素
x_axis = x_axis1[np.argsort(y_axis1)]
y_axis = y_axis1[np.argsort(y_axis1)]

pos = np.arange(len(x_axis))
width = 1.0
ax = plt.axes()
ax.set_xticks(pos + (width / 2))
ax.set_xticklabels(x_axis)

plt.bar(pos, y_axis, width, color='lightblue')
plt.xticks(rotation=30)
fig = matplotlib.pyplot.gcf()
fig.set_size_inches(16, 10)

结果图：

Spark对RDD提供了一个名为countByValue()的便捷函数。它会计算RDD里各不同值所分别出现的次数，并将其以Python dict函数的形式(或是Scala、Java下的Map函数)返回给驱动程序：

count_by_occupation2 = user_fields.map(lambda fields: fields[3]).countByValue()
print "Map-reduce approach: "
print dict(count_by_occupation2)
print ""
print "countByValue approach:"
print dict(count_by_occupation)

结果：

3.2.2 探索电影数据

movie_data = sc.textFile("/home/whu/ml-100k/u.item")
print movie_data.first()
num_movie = movie_data.count()
print "Movies: %d" % num_movie
# 有些电影数据不规整，需要如下函数来处理解析错误。
def convert_year(x) :
    try:
        return int(x[-4:]) # 取最后四个元素
    except:
        return 1990
movie_fields = movie_data.map(lambda lines: lines.split("|"))
years = movie_fields.map(lambda fields: fields[2]).map(lambda x: convert_year(x))
#使用Spark的filter操作过滤掉这些1990数据
years_filter = years.filter(lambda x: x != 1990)
#画电影的年龄分布图（用当前年份1998减去发行年份代表电影的年龄）
movie_ages = years_filter.map(lambda yr: 1998-yr).countByValue()
values = movie_ages.values()
bins = movie_ages.keys()
hist(values, bins=bins, color='lightblue', normed=True)
fig = matplotlib.pyplot.gcf()
fig.set_size_inches(6, 10)

结果图：

3.2.3 探索评级数据

rating_data = sc.textFile("/home/whu/ml-100k/u.data")
print rating_data.first()
num_ratings = rating_data.count()
print "Ratings: %d" % num_ratings

rating_data_raw = rating_data.map(lambda line: line.split("\t"))
ratings = rating_data_raw.map(lambda fields: int(fields[2]))
max_rating = ratings.reduce(lambda x,y: max(x, y))
min_rating = ratings.reduce(lambda x,y: min(x, y))
mean_rating = ratings.reduce(lambda x,y: x + y) / double(num_ratings)
median_rating = np.median(ratings.collect())
ratings_per_user = num_ratings / num_users
ratings_per_movie = num_ratings / num_movie

print "Min rating: %d" % min_rating
print "Max rating: %d" % max_rating
print "Average rating: %2.2f" % mean_rating
print "Median rating: %d" % median_rating
print "Average # of ratings per user: %2.2f" % ratings_per_user
print "Average # of ratings per movie: %2.2f" % ratings_per_movie

#Spark对RDD提供一个名为stats()的函数，功能如下：
ratings.stats()
# 结果：(count: 100000, mean: 3.52986, stdev: 1.12566797076, max: 5.0, min: 1.0)】

# 绘制电影评级的分布
count_by_ratings = ratings.countByValue()
x_axis = np.array(count_by_ratings.keys())
y_axis = np.array([float(c) for c in count_by_ratings.values()])
#这里对y轴正则化，使它表示百分比
y_axis_normed = y_axis / y_axis.sum()
pos = np.arange(len(x_axis))
width = 1.0

ax = plt.axes()
ax.set_xticks(pos + (width / 2))
ax.set_xticklabels(x_axis)

plt.bar(pos, y_axis_normed, width, color='lightblue')
plt.xticks(rotation=30)
fig = matplotlib.pyplot.gcf()
fig.set_size_inches(16, 10)

#绘制各个用户的电影评级分布
user_ratings_grouped = rating_data_raw.map(lambda fields: (int(fields[0]), 1)).reduceByKey(lambda x, y: x + y)
#user_ratings_byuser = user_ratings_grouped.map(lambda (k, v): (k, len(v)))
user_ratings_grouped.take(5)
# 结果：[(1, 272), (2, 62), (3, 54), (4, 24), (5, 175)]

user_ratings_byuser_local = user_ratings_byuser.map(lambda (k, v): v).collect()
hist(user_ratings_byuser_local, bins=200, color='lightblue', normed=True)
fig = matplotlib.pyplot.gcf()
fig.set_size_inches(16, 10)

3.3 处理与转换数据

主要是 非规整数据和缺失数据的填充，比如之前用1990年来填充那些没有发行年份的电影。
这段代码不是很懂np函数参数的写法，暂时也懒得去看了-。-

years_pre_processed = movie_fields.map(lambda fields: fields[2]).map(lambda x: convert_year(x)).collect()
years_pre_processed_array = np.array(years_pre_processed)

mean_year = np.mean(years_pre_processed_array[years_pre_processed_array != 1990])
median_year = np.median(years_pre_processed_array[years_pre_processed_array != 1990])
index_bad_data = np.where(years_pre_processed_array == 1990)[0][0]
years_pre_processed_array[index_bad_data] = median_year

print "Mean year of release: %d" % mean_year
print "Median year of release: %d" % median_year
print "Index of '1990' after assigning median: %s" % np.where(years_pre_processed_array == 1990)[0]

3.4 从数据中提取有用特征

主要针对：

• 数值特性
• 类别特征
• 文本特征
• 其他特征

3.4.1 数值特征

这个就比较简单了，基本上不需要做啥处理。

3.4.2 类别特征

类别特征就是那些各个取值之间没有明确的顺序关系的，比如性别、职业等等。将类别特征表示为数字形式，常用k之1的方法，即Hash思想编号。

all_occupations = user_fields.map(lambda fields: fields[3]).distinct().collect()
all_occupations.sort()
idx = 0
all_occupations_dict = {}
for o in all_occupations:
    all_occupations_dict[o] = idx
    idx += 1
print "Encoding of 'doctor': %d" % all_occupations_dict['doctor']
print "Encoding of 'programmer': %d" % all_occupations_dict['programmer']
# 结果：Encoding of 'doctor': 2
#      Encoding of 'programmer': 14

#再将编号转化为长度为k的二元向量来表示一个变量的取值
K = len(all_occupations_dict)
binary_x = np.zeros(K)
k_programmer = all_occupations_dict['programmer']
binary_x[k_programmer] = 1
print "Binary feature vector: %s" % binary_x
print "Length of binary vector: %d" % K
#输出：
Binary feature vector: [ 0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  0.  1.  0.  0.  0. 0.  0.  0.]
Length of binary vector: 21

3.4.3 派生特征

======================今天就先学到这里，周六晚上给自己放个假吧================