如何在MLlib中实现随机森林和梯度提升树（GBTs）？-数据挖掘-火龙果软件

如何在MLlib中实现随机森林和梯度提升树（GBTs）？

译者：伯乐在线 - Den 来源：databricks.com 发布于：2015-4-24

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Spark 1.2在MLlib中引入了随机森林和梯度提升树(GBTs).这两种机器学习方法适用于分类和回归，且是在机器学习算法中应用得最多和最成功的算法。随机森林和GBTs都是集成学习算法，它们通过集成多棵决策树来实现强分类器。这篇博文中，我们会阐述这些模型及其他们在MLlib中的分布式实现。我们也给出一些简单例子和要点以便你知道如何上手。

集成学习方法

简单来说，集成学习方法就是基于其他的机器学习算法，并把它们有效的组合起来的一种机器学习算法。组合产生的算法相比其中任何一种算法模型更强大、准确。

在MLlib 1.2中，我们使用决策树作为基础模型。我们提供两种集成算法：随机森林和梯度提升树(GBTs)。两者之间主要差别在于每棵树训练的顺序。

随机森林通过对数据随机采样来单独训练每一棵树。这种随机性也使得模型相对于单决策树更健壮，且不易在训练集上产生过拟合。

GBTs则一次只训练一棵树，后面每一棵新的决策树逐步矫正前面决策树产生的误差。随着树的添加，模型的表达力也愈强。

最后，两种方法都生成了一个决策树的权重集合。该集成模型通过组合每棵独立树的结果来进行预测。下图显示一个由3棵决策树集成的简单实例。

在上述例子的回归集合中，每棵树都预测出一个实值。这些预测值被组合起来产生最终集成的预测结果。这里，我们通过取均值的方法来取得最终的预测结果（当然不同的预测任务需要用到不同的组合算法）。

集成学习的分布式学习算法

在MLlib中，随机森林和GBTs的数据都是按实例（行）存储的。算法的实现以原始的决策树代码为基础，每棵决策树采用分布式学习（早前的博客中有提到）。我们的许多算法优化都是参考Google’s PLANET project，特别是其中一篇关于分布式环境下的集成学习的文章。

随机森林：随机森林中的每棵树都是单独训练，多棵树可以并行训练（除此之外，单独的每棵树的训练也可以并行化）。MLlib也确实是这么做的：根据当前迭代内存的限制条件，动态调整可并行训练的子树的数量。

GBTs：因为GBTs只能一次训练一棵树，因此并行训练的粒度也只能到单棵树。

我们在这里强调一下MLlib中用到的两项重要的优化技术

1.内存：随机森林使用一个不同的样本数据训练每一棵树。我们利用TreePoint这种数据结构来存储每个子采样的数据，替代直接复制每份子采样数据的方法，进而节省了内存。

2.通信：尽管决策树经常通过选择树中每个决策点的所有功能进行训练，但随机森林则往往在每一个节点限制选择一个随机子集。MLlib的实现中就充分利用了这个子采样特点来减少通信：例如，若每个节点值用到1/3的特征，那么我们就会减少1/3的通信。

详细部分请见MLlib编程指南的集成章节。

使用MLlib集成学习

我们将演示如何使用MLlib进行学习集成模型。下面的Scala例子说明了怎么读取数据集，将数据集分割为训练集和测试集，学习一个模型以及打印出模型及其测试精度。Java和Pyton的例子请参阅MLlib编程指南。需要注意的是GBTs暂时还没有Python接口，但是我们期望Spark1.3发布版中会包含。（via Github PR 3951）

随机森林例子

import org.apache.spark.mllib.tree.RandomForest
import org.apache.spark.mllib.tree.configuration.Strategy
import org.apache.spark.mllib.util.MLUtils
 
// Load and parse the data file.
val data =
MLUtils.loadLibSVMFile(sc, "data/mllib/sample_libsvm_data.txt")
// Split data into training/test sets
val splits = data.randomSplit(Array(0.7, 0.3))
val (trainingData, testData) = (splits(0), splits(1))
 
// Train a RandomForest model.
val treeStrategy = Strategy.defaultStrategy("Classification")
val numTrees = 3 // Use more in practice.
val featureSubsetStrategy = "auto" // Let the algorithm choose.
val model = RandomForest.trainClassifier(trainingData,
treeStrategy, numTrees, featureSubsetStrategy, seed = 12345)
 
// Evaluate model on test instances and compute test error
val testErr = testData.map { point =>
val prediction = model.predict(point.features)
if (point.label == prediction) 1.0 else 0.0
}.mean()
println("Test Error = " + testErr)
println("Learned Random Forest:n" + model.toDebugString)

GBTs例子

import org.apache.spark.mllib.tree.GradientBoostedTrees
import org.apache.spark.mllib.tree.configuration.BoostingStrategy
import org.apache.spark.mllib.util.MLUtils
 
// Load and parse the data file.
val data =
MLUtils.loadLibSVMFile(sc, "data/mllib/sample_libsvm_data.txt")
// Split data into training/test sets
val splits = data.randomSplit(Array(0.7, 0.3))
val (trainingData, testData) = (splits(0), splits(1))
 
// Train a GradientBoostedTrees model.
val boostingStrategy =
BoostingStrategy.defaultParams("Classification")
boostingStrategy.numIterations = 3 // Note: Use more in practice
val model =
GradientBoostedTrees.train(trainingData, boostingStrategy)
 
// Evaluate model on test instances and compute test error
val testErr = testData.map { point =>
val prediction = model.predict(point.features)
if (point.label == prediction) 1.0 else 0.0
}.mean()
println("Test Error = " + testErr)
println("Learned GBT model:n" + model.toDebugString)

Scalability 扩展性

通过二分类问题的实证结果，我们证明了MLlib的扩展性。以下的各张图表分别对GBTs和随机森林的特性进行比较，其中每棵树都有不同的最大深度。

这些测试是一个回归的任务，即从音频特征从预测出歌曲的发布日期（YearPredictionMSD数据集来自UCI ML repository）。我们使用EC2 r3.2xlarge机器，算法的参数除非特别说明都使用默认值。

模型大小的伸缩：训练时间和测试误差

下面的两张图表显示了增加树的数量对集成效果的影响。对于GBTs和随机森林这两者而言，增加树的数量都会增加训练的时间（第一张图所示),同时树的数量增加也提高了预测精度（以测试的平均均方误差为衡量标准，图二所示)。

两者相比，随机森林训练的时间更短，但是要达到和GBTs同样的预测精度则需要更深的树。GBTs则能在每次迭代时显著地减少误差，但是经过过多的迭代，它又太容易过拟合(增加了测试误差）。随机森林则不太容易过拟合，测试误差也趋于稳定。

下面为均方误差随单棵决策树深度（深度分别为2，5，10）变化曲线图。

说明：463,715 个训练实例. 16个节点。

训练集的伸缩：训练时间和测试误差

下面两张图表显示了使用不同的训练集对算法结果产生的影响。图表表明，虽然数据集越大，两种方法的训练时间更长，但是却能产生更好的测试结果。

进一步伸缩：更多的节点，更快的训练速度

最后一张图表展示了使用更大的计算机集群来解决上述问题的效果，结论是GBTs和随机森林在大集群上速度得到显著提升。例如说，单树深度为2的GBTs在16个节点上的训练速度大约是在2个节点上的4.7倍。数据集越大则效果提升的越明显。

展望

GBTs不久就会提供Python的API。未来的另一个开发议题就是可插入性：集成方法不仅仅可以集成决策树，它可以集成几乎所有的分类和回归算法。在Spark 1.2中，处于实验中的spark.ml包中引入的Pipelines API将使得集成方法通用化，并做到真正的可插入。

进一步了解

API和相关例子详见MLlib集成学习文档。

要想了解更多用于构建集合的决策树相关背景知识，详见之前的博客。

致谢 MLlib集成算法由本博客的作者们合作开发完成，他们是Qiping Li (Alibaba), Sung Chung (Alpine Data Labs), and Davies Liu (Databricks).我们也感谢Lee Yang, Andrew Feng, and Hirakendu Das (Yahoo) ，他们帮助设计与测试。我们也欢迎你来贡献一份力量！

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