机器学习之Spark MLlib介绍_sparkmllib

一、什么是机器学习

机器学习(Machine Learning, ML)是一门多领域交叉学科，涉及概率论、统计学、逼近论、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。专门研究计算机怎样模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构使之不断改善自身的性能。它是人工智能的核心，是使计算机具有智能的根本途径，其应用遍及人工智能的各个领域，它主要使用归纳、综合而不是演绎。一种经常引用的英文定义是：

A computer program is said to learn from experience E with respect to some class of tasks T and performance measure P, if its performance at tasks in T, as measured by P, improves with experience E。

机器学习强调三个关键词：算法、经验、性能，其处理过程如上图所示。在数据的基础上，通过算法构建出模型并对模型进行评估。评估的性能如果达到要求，就用该模型来测试其他的数据；如果达不到要求，就要调整算法来重新建立模型，再次进行评估。如此循环往复，最终获得满意的经验来处理其他的数据。机器学习技术和方法已经被成功应用到多个领域，比如个性推荐系统，金融反欺诈，语音识别，自然语言处理和机器翻译，模式识别，智能控制等。

二、基于大数据的机器学习

传统的机器学习算法，由于技术和单机存储的限制，只能在少量数据上使用。即以前的统计/机器学习依赖于数据抽样。但实际过程中样本往往很难做好随机，导致学习的模型不是很准确，在测试数据上的效果也可能不太好。

随着 HDFS(Hadoop Distributed File System) 等分布式文件系统出现，存储海量数据已经成为可能。在全量数据上进行机器学习也成为了可能，这顺便也解决了统计随机性的问题。然而，由于 MapReduce 自身的限制，使得使用 MapReduce 来实现分布式机器学习算法非常耗时和消耗磁盘IO。因为通常情况下机器学习算法参数学习的过程都是迭代计算的，即本次计算的结果要作为下一次迭代的输入，这个过程中，如果使用 MapReduce，我们只能把中间结果存储磁盘，然后在下一次计算的时候从新读取，这对于迭代 频发的算法显然是致命的性能瓶颈。

在大数据上进行机器学习，需要处理全量数据并进行大量的迭代计算，这要求机器学习平台具备强大的处理能力。Spark 立足于内存计算，天然的适应于迭代式计算。即便如此，对于普通开发者来说，实现一个分布式机器学习算法仍然是一件极具挑战的事情。

幸运的是，Spark提供了一个基于海量数据的机器学习库，它提供了常用机器学习算法的分布式实现，开发者只需要有 Spark 基础并且了解机器学习算法的原理，以及方法相关参数的含义，就可以轻松的通过调用相应的 API 来实现基于海量数据的机器学习过程。

其次，Spark-Shell的即席查询也是一个关键。算法工程师可以边写代码边运行，边看结果。spark提供的各种高效的工具正使得机器学习过程更加直观便捷。比如通过sample函数，可以非常方便的进行抽样。

当然，Spark发展到后面，拥有了实时批计算，批处理，算法库，SQL、流计算等模块等，基本可以看做是全平台的系统。把机器学习作为一个模块加入到Spark中，也是大势所趋。

三、Spark 机器学习库MLLib

MLlib是Spark的机器学习（Machine Learning）库，旨在简化机器学习的工程实践工作，并方便扩展到更大规模。MLlib由一些通用的学习算法和工具组成，包括分类、回归、聚类、协同过滤、降维等，同时还包括底层的优化原语和高层的管道API。具体来说，其主要包括以下几方面的内容：

机器学习算法：常用的学习算法，如分类、回归、聚类和协同过滤；

特征处理：特征提取、转化、降维，和特征选择；

管道(Pipeline)：用于构建、评估和调整机器学习管道的工具;

存储：保存和加载算法，模型和管道;

实用工具：线性代数，统计，数据处理等工具。

Spark 机器学习库从 1.2 版本以后被分为两个包：

spark.mllib包含基于RDD的原始算法API。Spark MLlib 历史比较长，在1.0 以前的版本即已经包含了，提供的算法实现都是基于原始的 RDD。

spark.ml 则提供了基于DataFrames 高层次的API，可以用来构建机器学习工作流（PipeLine）。ML Pipeline 弥补了原始 MLlib 库的不足，向用户提供了一个基于 DataFrame 的机器学习工作流式 API 套件。

使用 ML Pipeline API可以很方便的把数据处理，特征转换，正则化，以及多个机器学习算法联合起来，构建一个单一完整的机器学习流水线。这种方式给我们提供了更灵活的方法，更符合机器学习过程的特点，也更容易从其他语言迁移。Spark官方推荐使用spark.ml。如果新的算法能够适用于机器学习管道的概念，就应该将其放到spark.ml包中，如：特征提取器和转换器。开发者需要注意的是，从Spark2.0开始，基于RDD的API进入维护模式（即不增加任何新的特性），并预期于3.0版本的时候被移除出MLLib。

Spark在机器学习方面的发展非常快，目前已经支持了主流的统计和机器学习算法。纵观所有基于分布式架构的开源机器学习库，MLlib可以算是计算效率最高的。MLlib目前支持4种常见的机器学习问题: 分类、回归、聚类和协同过滤。下表列出了目前MLlib支持的主要的机器学习算法：