《Machine Learning with Spark》书评与作者访谈

Spark 机器学习

机器学习是基于现有数据，通过数据驱动做出决策或者预测的技术。Apache Spark及其机器学习库MLlib为开发可伸缩的机器学习应用，提供了多种有用的算法。InfoQ采访了《Machine Learning with Spark》一书的作者Nick Pentreath，共同探讨了有关数据科学和机器学习的话题。

机器学习以现有数据为基础创建模型，通过数据驱动，对未来做出决策或者预测。机器学习在最近几年获得大量的关注，因为它对企业与商业做出决策非常有帮助。

Apache Spark及其机器学习库MLlib为开发可伸缩的机器学习应用，提供了多种有用的算法。

关于这个话题，Nick Pentreath撰写了《Machine Learning with Spark》一书（由Packt Publishing出版）。

Nick首先介绍了Spark编程模型及其组件，比如SparkContext和弹性分布式数据集（RDD）。同时，他谈到了如何使用不同的编程语言，比如Scala、Java和Python来编写Spark程序。

他还谈到了如何基于Spark框架，使用基于内容的过滤和协同过滤技术，构建一个推荐引擎。此外，还讲到了使用Spark创建分类、回归和聚类模型，以及降维。

当能够对实时数据，而不仅仅是使用静态数据集进行数据处理和分析时，机器学习解决方案会更加有效。这就是本书最后一章中讨论的内容。涵盖的主题包括流式数据分析、流回归和k-means模型。

InfoQ采访了Nick，共同探讨了有关数据科学和机器学习的概念，以及这本书。

InfoQ：能为我们的读者介绍下，什么是机器学习吗？

Nick Pentreath：机器学习的定义有许多版本，但我倾向于认为它是简单地从数据中学习并对未来做出预测。从这个意义所上说，机器学习和统计学有许多相似之处，实际上，机器学习和统计学领域确实显著地重叠。然而，机器学习也深受计算机科学和人工智能领域的影响。将许多学科的思想和技术相结合是机器学习的一个方面，却是机器学习最吸引我的地方。

InfoQ：能介绍一些机器学习的商用场景吗？

Pentreath：以往，机器学习是相当理论的，绝不会出现于公众的心目中。直到最近，凭借在理论和计算能力的进步，机器学习似乎无处不在。现在它正强力支撑着多种应用，包括在线搜索、推荐引擎、定向广告、欺诈检测、图像和视频识别、自动驾驶汽车，以及各种人工智能场景。

InfoQ：什么是数据科学，数据科学家在大数据项目中的作用是什么？

Pentreath：就像机器学习一样，“数据科学”是相当新的术语，你能找到许多的定义。我不认为数据科学是一个定义。相反，它融合了来自不同学科的技术，包括统计学、机器学习、编程、数据可视化和通信。

我特别喜欢最近的一篇文章，其中介绍了两种类型的数据科学家，“A类型”和“B类型”。

“A类型”的数据科学更侧重于分析和实验。从这个意义上讲，一个数据科学家很可能做“统计学家”或“数据分析师”方向的事情，这是数据科学的一端。具体实例比如，运行A/B测试，以决定在Web应用中上线哪些新功能；或者为零售商店进行客户细分的工作。这里的核心技能，除了技术，是沟通和表达，将结果和最终效果呈现给广大（通常非技术）受众。

“B类型”的数据科学更侧重于创建一个时常处于自动化和实时的环境中，使用机器学习并作出决定的系统。具体实例比如，搜索和推荐引擎和欺诈检测模型。核心技能往往强调软件工程和进行较大规模计算的分布式系统。

在“大数据”项目中的数据科学家，其作用取决于项目的性质，通常对准上面提到的两大阵营。然而，这两种类型的数据科学家需要具备大数据量相关工作的特殊技能。包括分布式数据处理、可伸缩的机器学习方法，以及大规模数据可视化。

InfoQ: 我们来讨论下不同的机器学习模型吧，它们会用于哪些场景或者解决什么问题？

Pentreath：机器学习的应用领域非常广泛。从某种意义上说，几乎所有涉及不确定条件下做预测的问题，都可以利用机器学习技术来处理。

机器学习模型的主要类型包括：

• 监督学习——用于预测给定的结果，比如欺诈检测，或者客户会购买某件产品的可能性;
• 无监督学习——用于尝试揭开隐藏在原始数据背后的结构，比如学习单词和原始文本数据的语言结构之间的关系;
• 强化学习——这基本上学习如何通过不断地从一组有效的行动中选择一个，最大限度地“奖励”一些概念。示例包括许多人工智能的应用，比如自动飞行的直升机和学会玩视频游戏的计算机。

在每种主要类型中，有许多不同的模型和算法，每个都有自身的优点和缺点。

InfoQ: What are different technologies to implement Machine Learning solutions? How does Spark compare with these technologies?
在实现机器学习的解决方案中，用到了哪些不同的技术？请比较一下这些技术与Spark？

Pentreath：几乎有与模型的数量同样多的机器学习库和框架！其中使用最广泛的是R语言及其诸多库、Python语言的scikit-learn、Java语言的Weka和C++语言的Vowpal Wabbit。最近的一些新增的包括H2O和各种深度学习框架，比如Caffe和Deeplearning4J。

Apache Spark核心本身是一个分布式数据处理框架。Spark的MLlib库提供了各种机器学习算法的分布式实现，重点解决的是大规模学习问题，通常涉及数亿或数十亿的训练样本。因此，它可能不会像一些其他通用库那样覆盖尽可能多的算法。这其中部分原因是机器学习模型的分布式实现往往难以做到有效，另一个原因是MLlib仍然是一个出于开发状态的年轻项目。

InfoQ：设计一款机器学习系统需要考虑些什么，最佳实践是什么？

Pentreath：设计一款机器学习系统（相对于临时的探索和分析）时的考虑因素与任何复杂的软件系统的设计大致相同。可能包括：数据存储和模式设计（比如，存储和管理模型，以及各种输入数据源）、不同组件的模块化（比如，数据处理和构建模型的组件通常与模型服务组件分离）、单独架构每个独立的可扩展组件、系统和性能测试（包括传统的软件测试，以及测试和监控模型的性能），以及数据可视化（比如，模型性能和分析的仪表盘）。

此外，机器学习系统可以在大多数情况下，与各种其它系统进行互操作，如Web服务、报告系统、支付处理系统等。在这种情况下，所使用的方法包括面向服务的架构或者“微服务”，它们为机器学习系统和其他系统之间的通信提供了清晰的API。

InfoQ: 在本书的第4章，你讨论了推荐引擎。能否谈谈不同的推荐模式，以及每种会有哪些选择？

Pentreath：推荐模型一般分为三种主要类型——协同过滤、基于内容或者基于模型的方法。

“协同过滤”方法使用“众包智慧”，基于大量其他用户的行为，发现用户（或项目）与给定用户（或项目）的相似性。这推动了常见于电子商务网站的推荐，比如“浏览了这款产品的人还查浏览了......”。协同过滤的潜在假设是，具有类似行为的人也偏好类似的项目（例如，电影）。因此，当推荐电影给用户时，我们可以查找与其相似的其他用户，以及他们曾经观看或评价过那些电影。然后，将这些电影推荐给用户。

“基于内容”的模型使用项目的内容属性（比如类别、标签、说明以及其他数据）生成推荐。基于内容的模型一般不考虑其他用户的整体行为。

“基于模型”的方法尝试对用户偏好的项目直接建模（比如，给定所有用户对各种电影给出的评分集合，建模某个用户对一部电影的预期评分）。基于模型的方法通常结合某种形式的协同过滤，并且还可以包括基于内容的方法。

协同过滤（和使用协同过滤的基于模型的方法）在实践中，往往表现得非常好。

然而，这些模型的一个缺点是，需要相当多的可用数据。这些方法还无法处理“冷启动问题”——当出现一个新的用户或项目时，我们的模型没有历史数据，因此不能立即为该用户（或项目）推荐，直到收集到一些偏好数据。最后，协同过滤的计算往往相当昂贵（特别在当用户和项目的数量非常大的时候）。

基于内容的方法与协同过滤模型相比，缺乏“个性化”，而且常常执行得不好。然而，它们可以处理冷启动问题，因为它们不需要新项目的偏好数据。

基于模型的方法往往尝试混合使用协同过滤的强大功能和性能，以及基于内容过滤的灵活性和适应性。最新技术比如基于内容的深度学习中的特征提取、因式分解机、张量分解和其他混合模型都取得了强劲的性能（至少在基准数据集上）。

在实践中，方法和模型的选用取决于领域、可用的数据（以及数据量），以及时间、成本和其他约束。通常，一个真实的系统融合了多种方法（或更有条理的组合，比如组合模型）。使用任何机器学习系统，测试和评估不同的方法在处理离线和实时数据中表现出来的性能，监控，并做出相应的调整都是非常重要的。

InfoQ：欺诈检测是流行的机器学习实践场景之一。能否讲述一下如何使用MLlib库实现这种场景呢？

Pentreath：欺诈检测是二元分类问题的一个很好的例子。例如，我们可能希望创建一个模型，可以预测一个给定的网上交易是否是欺诈。潜在的结果只有两种，要么 “欺诈”，要么“没有欺诈”。

MLlib提供了一些适用于二元分类问题的算法，包括线性支持向量机、逻辑回归、决策树、朴素贝叶斯和多层感知。此外，还提供了组合模型（一组模型的组合预测），比如随机森林、梯度提升模型。这些组合模型往往能够在二元分类任务中取得非常不错的表现。

对于任何机器学习问题来说，算法只是解决方案的一部分。在很多情况下，用于训练的输入数据（或“特征”）更为重要。这就是常说的，数据科学家需要花费高比例的时间，将原始输入数据清洗和转换成对机器学习模型有用的特征。

除了以上各种二元分类算法，MLlib还为这些算法提供了一套丰富的处理和转换功能，可以从数据集生成特征。

另一个关键点是使用工具，比如交叉验证（MLlib中可用），严格评价和比较不同特征转换和模型管道的性能，如果可能的话，在实时数据中进行A/B测试。

InfoQ：如何将机器学习和Spark的其他库一起使用，比如Spark Streaming和Spark SQL？

Pentreath：在最初的版本中，Spark MLlib通常是在RDD（即弹性分布式数据集，是Spark的核心数据结构的抽象）上操作的，在RDD中包含了特征向量（以及相关的“标签”或“目标变量”）。

随着DataFrames成为Spark上的SQL核心，MLlib推出了名为Spark ML的新API。特别是，Spark ML关注于使用丰富的、更高级的DataFrame API创建机器学习管道。

一个典型的机器学习工作流是，使用DataFrames读取不同来源的数据。然后，使用Spark SQL过滤、聚合，并执行数据集上的其他初始化处理。接下来，可能涉及的步骤是，使用Spark ML将处理过的数据转换以创建特征向量，随后对模型进行训练和评估。因此，从这个角度上说，Spark中的机器学习与Spark SQL和DataFrames已经深度集成。

Spark Streaming为集群和线性模型提供了流式数据实现。其它的Spark ML模型可以集成于Spark Streaming程序，比如，使用新的数据不断更新的模型，或者我们模型的性能实时监控数据。

Nick还谈到机器学习的未来，以及如何使用Spark MLlib库开发机器学习的应用程序。

Pentreath：尽管机器学习可能看起来好像无处不在，我相信在使用机器学习技术来解决现实世界问题这条路上，我们才刚刚上路。自动化决策的需求数量将会变得更大，所以机器学习将会在许多不同的行业被越来越广泛的应用。

同样地，随着数据量的不断增长，分布式机器学习和大规模数据处理工具将变得越来越重要。可以看到，Apache Spark的核心功能包括解决“大数据”难题，它的MLlib和Spark ML是更容易开发和使用大型机器学习、获得更广用户支持的关键因素。

我对通用机器学习和Apache Spark机器学习的未来充满希望！

可以从Packt的网站上获取关于Nick的书的更多信息，如果你对这本书感兴趣，可以使用这个优惠码“MLWSPK50”购买，这是电子书五折销售的优惠码，有效期至2016年2月29日。

关于受访者

Nick Pentreath是大数据和机器学习公司Graphflow的联合创始人，该公司专注于推荐和客户智能领域。Nick具有金融市场、机器学习和软件开发的背景。他曾是高盛的研究科学家，定向于伦敦创业认知匹配的在线广告。还层领导过非洲最大的社交网络Mxit的数据科学和分析团队。他热衷于结合商业，使用机器学习和尖端科技打造而成智能系统，通过学习数据带来底线的增值。自2013年以来，Nick一直参与Apache Spark项目，是Apache Spark PMC的成员。

查看英文原文：Machine Learning with Spark: Book Review and Interview