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<audio id="audio" title="模型实战准备（二） | 模型特征、训练样本的处理" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/6a/16/6ayyb82b166cb52af679fb562dc4e016.mp3"></audio>
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你好，我是王喆，欢迎来到模型实战准备第二课。
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这节课，我们来讲实战中所需的模型特征和训练样本的处理。为什么我们要专门花一节课的时间讲这些呢？因为在推荐模型篇中，我们的重点在于学习模型结构的原理和实现，而要实现并且训练这些模型，我们就必须先解决训练所需的样本和特征的处理问题。
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这节课我们先来把模型实战的准备工作做完。具体来说，今天，我会带你用Spark来处理深度学习模型训练所需的样本和特征，再把特征存储到Redis中，供模型线上服务时调用。
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## 为什么选择Spark为TensorFlow处理特征和样本？
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这个时候，你可能会有疑问，我们的深度学习模型将在TensorFlow上进行训练，为什么要用Spark处理样本？可不可以直接让TensorFlow解决所有的事情呢？这是一个好问题，在我们学习具体的技术之前，先解决这个架构上的疑问是很有必要的。
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在业界的实践中，我们需要记住一个原则，就是**让合适的平台做合适的事情**。比如说，数据处理是Spark的专长，流处理是Flink的专长，构建和训练模型是TensorFlow的专长。在使用这些平台的时候，我们最好能够用其所长，避其所短。这也是一个业界应用拥有那么多个模块、平台的原因。
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你可能想说，TensorFlow也可以处理数据啊。没错，但是它并不擅长分布式的并行数据处理，在并行数据处理能力上，TensorFlow很难和动辄拥有几百上千个节点的Spark相比。那在面对海量数据的时候，如果我们能够利用Spark进行数据清洗、数据预处理、特征提取的话，最好的方案就是让Spark发挥它的长处，承担“繁重”但相对简单的样本和特征处理的工作，为TensorFlow减轻负担。
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## 物品和用户特征都有哪些？
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既然我们决定用Spark进行样本和特征处理，那下一个问题又接踵而来，我们能从MovieLens的数据集中抽取出什么特征呢？这就要用到我们在特征工程篇中学到的，关于推荐系统特征以及相关特征处理方法的知识，如果你记得还不够扎实，我建议你可以先回去复习一下。
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MovieLens数据集中，可供我们提取特征的数据表有两个，分别是movies表和ratings表，它们的数据格式如下：
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/87/b8/87cd18e09550522e85ef81a8f30869b8.jpg" alt="" title="图1 电影基本数据movies表（左），用户评分数据ratings表（右）">
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接下来，我们按照“物品特征”“用户特征”“场景特征”，这三大类推荐系统特征的顺序，来看一看从这两张表中能提取出什么样的特征。
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“物品特征”在我们的项目里指的就是电影特征了，从movies表中我们可以提取出电影的基本信息，包括movieId、title（电影名）、releaseYear（发布年份）和genre（风格类型）。除此之外，我们还可以利用ratings表为每个电影提取出一些统计类的特征，包括电影的平均评分、评分标准差等等。
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接下来是“用户特征”。乍一看，从movies和ratings表中，除了userId我们好像找不到其他直接可用的用户信息了。这个时候，千万不要忘了我们之前提到过的，用户特征最重要的部分就是历史行为特征。
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所以，从用户的评分历史中，我们其实可以提取出非常多有价值的特征。比如，我们可以根据ratings表的历史联合movies表的电影信息，提取出用户统计类特征，它包括用户评分总数、用户平均评分、用户评分标准差、用户好评电影的发布年份均值、用户好评电影的发布年份标准差、用户最喜欢的电影风格，以及用户好评电影ID等等。
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最后是“场景特征”。我们可用的场景特征就一个，那就是评分的时间戳，我们把它作为代表时间场景的特征放到特征工程中。
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好了，到这儿，我们就梳理完了所有可用的特征，我把它们总结在了下面的表格里，供你参考。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/ae/d5/ae45f7d9020dcb406291b8519d0312d5.jpeg" alt="" title="图2 所有可用的特征汇总表">
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用Spark来提取这些特征的总体实现会比较琐碎，所以我就不把全部代码贴在这里了，你可以参考SparrowRecsys项目中的com.wzhe.sparrowrecsys.offline.spark.featureeng.FeatureEngForRecModel对象，里面包含了所有特征工程的代码。这里，我们只讲几个有代表性的统计型特征的处理方法。
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val movieRatingFeatures = samplesWithMovies3.groupBy(col("movieId"))
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.agg(count(lit(1)).as("movieRatingCount"),
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avg(col("rating")).as("movieAvgRating"),
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stddev(col("rating")).as("movieRatingStddev"))
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```
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计算统计型特征的典型方法，就是利用Spark中的groupBy操作，将原始评分数据按照movieId分组，然后用agg聚合操作来计算一些统计型特征。比如，在上面的代码中，我们就分别使用了count内置聚合函数来统计电影评价次数（movieRatingCount），用avg函数来统计评分均值（movieAvgRating），以及使用stddev函数来计算评价分数的标准差（movieRatingStddev）。
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特征处理具体过程，我们就讲完了。不过，这里我还想和你多分享一些我的经验。**一般来说，我们不会人为预设哪个特征有用，哪个特征无用，而是让模型自己去判断，如果一个特征的加入没有提升模型效果，我们再去除这个特征。就像我刚才虽然提取了不少特征，但并不是说每个模型都会使用全部的特征，而是根据模型结构、模型效果有针对性地部分使用它们。**在接下来的课程中，我们还会详细探讨不同模型对这些特征的具体使用方法。
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## 最终的训练样本是什么样的？
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特征提取之后就到了训练模型的步骤，为了训练模型，我们还需要生成模型所需的训练样本。这里我们需要明确两件事情，一是样本从哪里来，二是样本的标签是什么。这两件事情都跟我们训练模型的目标有关系。
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对于一个推荐模型来说，它的根本任务是预测一个用户U对一个物品I在场景C下的喜好分数。所以在训练时，我们要为模型生成一组包含U、I、C的特征，以及最终真实得分的样本。在SparrowRecsys中，这样的样本就是基于评分数据ratings，联合用户、物品特征得来的。
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其中，用户特征和物品特征都需要我们提前生成好，然后让它们与ratings数据进行join后，生成最终的训练样本，具体的实现也在FeatureEngForRecModel中，你可以先参考我在下面贴出的关键代码。这样，我们就解决了第一个关键问题。
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//读取原始ratings数据
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val ratingSamples = spark.read.format("csv").option("header", "true").load(ratingsResourcesPath.getPath)
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//添加样本标签
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val ratingSamplesWithLabel = addSampleLabel(ratingSamples)
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//添加物品（电影）特征
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val samplesWithMovieFeatures = addMovieFeatures(movieSamples, ratingSamplesWithLabel)
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//添加用户特征
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val samplesWithUserFeatures = addUserFeatures(samplesWithMovieFeatures)
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```
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接着，我们来看第二个关键问题，也就是样本的标签是什么，对于MovieLens数据集来说，用户对电影的评分是最直接的标签数据，因为它就是我们想要预测的用户对电影的评价，所以ratings表中的0-5的评分数据自然可以作为样本的标签。
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但对于很多应用来说，我们基本上不可能拿到它们的评分数据，更多的是点击、观看、购买这些隐性的反馈数据，所以业界更多使用CTR预估这类解决二分类问题的模型去解决推荐问题。
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为了让我们的实践过程更接近真实的应用场景，我也对MovieLens数据集进行了进一步处理。具体来说就是，把评分大于等于3.5分的样本标签标识为1，意为“喜欢”，评分小于3.5分的样本标签标识为0，意为“不喜欢”。这样一来，我们可以完全把推荐问题转换为CTR预估问题。
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## 如何在生成样本时避免引入“未来信息”？
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训练模型所需要的训练样本我们已经得到了，但是，在处理训练样本的时候，还有一个问题我们一定要注意，那就是引入未来信息（Future Information）的问题，这也是我们在实际工作中经常会遇到的问题。
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什么叫做未来信息呢？如果我们在t时刻进行模型预测，那么t+1时刻的信息就是未来信息。这个问题在模型线上服务的时候是不存在的，因为未来的事情还未发生，我们不可能知道。但在离线训练的时候，我们就容易犯这样的错误。比如说，我们利用t时刻的样本进行训练，但是使用了全量的样本生成特征，这些特征就包含了t+1时刻的未来信息，这就是一个典型的引入未来信息的错误例子。
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这样说可能还是有点抽象，我们用刚才讲过的特征举个例子。刚才我们说到有一个用户特征叫做用户平均评分（userAvgRating），我们通过把用户评论过的电影评分取均值得到它。假设，一个用户今年评论过三部电影，分别是11月1日评价电影A，评分为3分，11月2日评价电影B，评分为4分，11月3日评价电影C，评分为5分。如果让你利用电影B这条评价记录生成样本，样本中userAvgRating这个特征的值应该取多少呢？
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有的同学会说，应该取评价过的电影评分的均值啊，(3+4+5)/3=4分，应该取4分啊。这就错了，因为在样本B发生的时候，样本C还未产生啊，它属于未来信息，你怎么能把C的评分也加进去计算呢？而且样本B的评分也不应该加进去，因为userAvgRating指的是历史评分均值，B的评分是我们要预估的值，也不可以加到历史评分中去，所以正确答案是3分，我们只能考虑电影A的评分。
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因此，在处理历史行为相关的特征的时候，我们一定要考虑未来信息问题。类似的还有用户评分总数、用户评分标准差、用户最喜欢的电影风格、用户好评电影ID等一系列特征。
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那在Spark中，我们应该如何处理这些跟历史行为相关的特征呢？这就需要用到window函数了。比如说，我在生成userAvgRating这个特征的时候，是使用下面的代码生成的：
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withColumn("userAvgRating", avg(col("rating"))
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.over(Window.partitionBy("userId")
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.orderBy(col("timestamp")).rowsBetween(-100, -1)))
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我们可以看到，代码中有一个`over(Window.partitionBy("userId").orderBy(col("timestamp")))`操作，它的意思是，在做rating平均这个操作的时候，我们不要对这个userId下面的所有评分取平均值，而是要创建一个滑动窗口，先把这个用户下面的评分按照时间排序，再让这个滑动窗口一一滑动，滑动窗口的位置始终在当前rating前一个rating的位置。这样，我们再对滑动窗口内的分数做平均，就不会引入未来信息了。
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类似的操作，我使用在了所有与历史行为有关的特征中，你也可以在SparrowRecsys的源码中看到。
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## 如何把特征数据存入线上供模型服务用？
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在生成好特征和训练样本之后，还有一个问题需要我们解决，那就是特征的线上存储问题。因为训练样本是供离线训练使用的，而线上模型推断过程是要使用线上特征的。
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好在，特征数据库Redis已经为我们提供了解决办法。我们把用户特征和物品特征分别存入Redis，线上推断的时候，再把所需的用户特征和物品特征分别取出，拼接成模型所需的特征向量就可以了。
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FeatureEngForRecModel中的extractAndSaveUserFeaturesToRedis函数给出了详细的Redis操作，我把其中的关键操作放在了下面。
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val userKey = userFeaturePrefix + sample.getAs[String]("userId")
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val valueMap = mutable.Map[String, String]()
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valueMap("userRatedMovie1") = sample.getAs[String]("userRatedMovie1")
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valueMap("userRatedMovie2") = sample.getAs[String]("userRatedMovie2")
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...
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valueMap("userAvgRating") = sample.getAs[String]("userAvgRating")
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valueMap("userRatingStddev") = sample.getAs[String]("userRatingStddev")
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redisClient.hset(userKey, JavaConversions.mapAsJavaMap(valueMap))
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我们可以看到，代码中使用了Redis一个新的操作hset，它的作用是把一个Map存入Redis。这样做有什么好处呢？对于这里的用户特征来说，Map中存储的就是特征的键值对，又因为这个Map本身是userId的值，所以，每个userId都拥有一组用户特征。这样一来，我们就可以在推荐服务器内部，通过userId来取出所有对应的用户特征了。当然，物品特征的储存方式是一样的。
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到这里，我们完成了所有特征工程相关的准备工作，为之后的模型训练也做好了充足的准备。
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## 小结
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这节课，我们选择Spark作为特征和样本处理的平台，是因为Spark更擅长海量数据的分布式处理，为TensorFlow减轻数据处理的负担。在选择具体特征的过程中，我们遵循了“物品特征”“用户特征”“场景特征”这三大类特征分类方式，基于MovieLens的ratings表和movies表完成了特征抽取。
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在样本处理过程中，我们选用评分和基于评分生成的好评差评标识作为样本标签，并基于ratings表的每条数据，通过联合物品和用户数据生成训练样本。在训练样本的生成中，要特别注意“未来信息”的问题，利用Spark中的window函数滑动生成历史行为相关特征。最后我们利用Redis的hset操作把线上推断用的特征存储Redis。
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这些重点内容，我也都总结在了下面的表格里，你可以看一看。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/48/4d/48e15afe48dba3d35bef1e6f69aee84d.jpg" alt="">
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## 课后思考
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为了避免引入未来信息，咱们课程中讲了基于userId的window函数方法，你觉得还有哪些方法也能避免引入未来信息吗？
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欢迎把你的思考和答案写在留言区，如果你觉得今天的内容对你有所帮助，也欢迎你分享给你的朋友或同事。我们下节课见！
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