基于Spark平台ALS模型推荐算法的研究

吴青洋 程旭 邓程鹏 丁浩轩 张宏 郑志伟

摘要：针对推荐系统的可扩性问题，该文比较了基于Hadoop实现ALS模型推荐算法与基于Spark平台实现ALS模型推荐算法的性能，通过在GroupLens网站提供的MovieLens数据集上的实验结果表明，Spark平台的计算性能更强。针对推荐系统的数据稀疏性问题，该文采用了ALS模型推荐算法。最后在Spark平台上使用Scala编程语言，对不同参数下的ALS模型进行训练，并在校验集中验证，获取了最佳参数下的模型。

关键词：MapReduce；Spark：ALS模型推荐算法：矩阵分解：迭代最小二乘法

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）23-0033-04

1 概述

推荐系统是目前使用最广泛的机器学习技术[1]之一。由于它在个性化推荐方面效果显著，因此引起了越来越多学者的关注。随着互联网的快速发展，推荐系统正面临处理海量数据的问题。

推荐系统旨在给用户推荐他们可能感兴趣的物品。它主要通过分析用户的行为信息数据来预测用户对某些物品的喜好。个性化推荐技术主要分为三类：基于内容的推荐，基于协同过滤的推荐，基于混合的推荐[2]。

该文使用推荐效果较好的协同过滤算法。协同过滤算法的关键是计算用户的相似度（或物品的相似度）。随着用户和物品数量的线性增长，推荐系统的计算量增大，性能降低。此时需要额外的计算能力，即推荐系统的可扩展性问题，也是协同过滤算法面临的难题之一[3]。

文献[4-5]使用Hadoop并行化协同过滤算法致力于解决计算复杂度和可扩展性问题。然而，如果数据量剧增的时候，这种基于MapReduce方式缺乏良好的可扩展性和计算效率。

该文提出了基于Spark平台的解决方案。我们使用两个集群计算框架比较基于ALS模型推荐算法：基于Hadoop的MapReduce和基于Spark的内存计算RDD。基于Hadoop平台使用Mahout实现ALS模型推荐算法[6-7]。基于Spark平台使用Scala编程语言实现ALS模型推荐算法。

由于用户和项目数量不断增加，用户项目评分矩阵往往十分庞大，此外评分矩阵通常是稀疏的，因此可以考虑采用低维度矩阵拟合评分矩阵。矩阵分解法是利用两个低维度的矩阵来描述评分矩阵，从而达到降维的目的[8]。该文采用的是容易并行化的最小二乘法ALS（Alternating-Least-Squares）[9]。

2 MapReduce

MapReduce是分布式编程的一种模式，用于处理集群中的海量数据，其中的每台计算机被称为一个节点，该模式是由谷歌公司在2004年提出的[10]，其主要特点是通过并行编程解决处理海量数据的问题。MapReduce主要思想是”Map（映射）"和"Reduce（归约）”，它们都是来自函数式编程语言和矢量编程语言。它极大地方便了编程人员在不会分布式并行编程的情况下，将自己的程序运行在分布式系统上。

开发人员的任务是实现以下两个步骤（见图1 MapReduce的工作流程）：

1）map函数将输入数据切分为（键，值）对组表示的片段，根据特定的记录，产生零个或多个中间对。MapReduce组织相关的所有中间值相同的中间键k。接下来，值转移到reduce（）函数。

2）reduce函数处理中间键K和与K对应的一组值，然后将这组值进行合并。每次调用Reduce函数通常返回一个值，但它也可以返回零个或多个值。

MapReduce能够有效地分配集群的资源来执行任务，解决了并行化编程的复杂性问题，但它缺少编程的灵活性：一个程序只能由map的和reduce函数组成，计算的每个阶段仅当其前一功能的各实例的结束后才能开始。执行复杂的操作，唯一的办法就是执行若干个MapReduce，输出数据的记录在磁盘上，然后再传给下一个任务。

在已经实现MapReduce的若干个实施方案中，Apache Hadoop的技术是最成功的，尤其在商业用途方面[11-12]。

3 协同过滤

协同过滤算法在推荐系统中广泛使用[13-15]。协同过滤算法分为基于邻域的推荐算法和基于模型的推荐算法。该文采用的是基于ALS模型推荐算法，算法原理如下：假设用户-物品评分矩阵为R，由矩阵奇异值分解原理可知，矩阵R可以分解为几个矩阵相乘的形式，如公式（1）：

4.1 Hadoop解决方案

基于Hadoop平台的Mahout[6]在机器学习领域实现了算法的并行化，Mahout包含聚类、分类、推荐过滤、频繁子项挖掘等算法的实现。

ALS模型推荐算法的并行化是通过执行连续的MapReduce任务来实现的，在程序的实现过程中，中间数据被不断地写入磁盘，然后再从磁盘读取相关数据，这种方式对系统的开销很大。

4.2 Apache Spark

2012年4月加州大学伯克利分校的AMPLab 发表的文章中提出了弹性分布式数据集（简称RDD）的概念，Spark就是基于RDD实现的，Spark平台开发者的目的是消除MapReduce范式的局限性。Spark类似Hadoop的MapReduce范式，也是一个开源的分布式计算平台[11]，而且Spark与HDFS是完全兼容的[16]。

RDD本質上是一个只读的分区记录集合，这意味着一个特定元素集合可以在集群节点间被共享。此外，RDD还具有以下特征：

1）只能由操作其RDD集或从文件系统读取数据时被创建；

2）为了有效地实现容错，RDD提供了一种高度受限的共享内存，即RDD是只读的；

3）中间结果的操作可以存储在内存中，计算迭代算法更快。

5 實验研究

1）对比spark与MapReduce 计算平台性能的差异

为了比较Spark与Hadoop MapReduce性能上差异，该文统计在MovieLens数据集为100万条记录数上，二者实现ALS模型推荐算法所消耗时间。为了减小实验误差，所有实验均进行三次，取三次结果的平均值作为最终结果。

2）基于Spark平台ALS模型推荐算法并行化实现指标统计

该文基于Spark平台ALS模型推荐算法并行化实现中，对推荐系统相关评测指标进行统计，统计基于ALS推荐算法在不同的属性个数、正则化参数、迭代次数下RMSE的大小。实验中训练集占数据量60%，校验集占数量20%，评测集占数据20%。所有实验均进行三次，取三次结果的平均值作为最终结果。

5.1 实验数据

该实验数据集是由GroupLe小组提供的MovieLens数据集，其主要包括3个种类的数据集，大小分别为100k， 1M， 10M，分别记录了10万条、100万条、1000万条用户评分记录。100万条记录里面主要有四个文件：movies.dat， ratings.dat， users.dat， README，其中users.dat记录所有用户相关信息；ratings.dat记录用户一电影的评分信息及时间戳；movies.dat记录电影相关信息，包括电影名、类型、年份等。该文主要采用100万条记录作为实验数据集，它包括了6060多名用户对4000多部电影评分的记录。

5.2 实验步骤

所有实验在包括一个MasterNode主节点和两个DataNodes（从节点）的集群上运行，每个节点都配备了Intel（R）Core（TM） i5-4590处理器（3.30 Ghz）和8GB的RAM。实验运行在版本为2.20的Hadoop（Mahout的版本为0.9），版本为2.10.04的Scala和版本为1.0的Spark。

5.3 实验结果

图2显示了通过基于Hadoop的Mahout中ParallelALSFactorizationJob类（并行化ALS）和基于Spark平台通过Scala语言编写的程序来计算ALS模型训练所消耗时间的研究结果。实验处理的数据集由MovieLens100万的记录组成，ParallelALSFactorizationJob执行计算的平均时间为1221.89秒，基于Spark平台实现的平均时间为73.72秒，由结果可知Spark性能提升非常明显，而且迭代次数越多两者之间的区别越明显。

从表1可以看出不同参数下的RMSE值，其中ranks表示属性个数，lambda表示正则化参数，表1的数据可以转化为图3中直方图形式。从图3中我们可以看出，不同的参数值对于最终训练出的模型影响非常大，一般来说，在同一属性个数及正则化参数下，迭代次数越多，RMSE值越小，正则化参数对于RMSE的值影响更大，当正则化参数为10，迭代次数为35，属性个数为10时，RMSE达到最小值0.880424。

5.4 实验总结

在进行需要多次迭代的机器学习算法计算中，Spark比Hadoop Mapreduce 优势非常明显。这主要是因为Spark是基于内存运算的，在计算过程中，中间结果不落地，直接放在内存中，大大提升了系统性能，减少了任务完成时间。基于Spark平台的ALS模型推荐算法性能相比Hadoop提升了15倍左右，尤其是当迭代次数为25，性能提升约有20倍，并没有官网中所说的，性能提升两个数量级以上，分析原因主要是由于数据量比较小。此外，不同的参数值对于最终训练出的模型影响非常大，正则化参数对于RMSE的值影响更大。

6 结束语

通过实验结果分析可知，基于Spark平台的计算性能突出，很好地解决了推荐系统的可扩性问题，使用基于ALS模型推荐算法，很好地解决了推荐系统的数据稀疏性问题。Spark平台的特点，在大数据的世界引起了人们的广泛关注，基于RDD的内存运算，通过将磁盘上费时的读/写中间结果的操作，转化为相关的RDD操作，使节点之间工作效率更高。该文的进一步工作应包括：使用更大的数据集进行反复实验和研究其他类型的数据。

参考文献：

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[15] Gong S， Ye H， Tan H. Combining memory-based and model-based collaborative filtering in recommender system[C]//Circuits， Com-munications and Systems， 2009. PACCS09. Pacific-Asia Conference on. IEEE， 2009： 690-693.

[16] Spark documentation[EB/OL]. http：//spark.apache.org/documentation.html.

【通聯编辑：谢媛媛】