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<audio id="audio" title="29 | 图神经网络：Pinterest是如何应用图神经网络的？" controls="" preload="none"><source id="mp3" src="https://static001.geekbang.org/resource/audio/d7/ae/d72b01f17b2e18bbd2bab18e291e05ae.mp3"></audio>
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你好，我是王喆。
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互联网中到处都是图结构的数据，比如我们熟悉的社交网络，最近流行的知识图谱等等，这些数据中包含着大量的关系信息，这对推荐系统来说是非常有帮助的。
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为了能更好地利用这些信息进行推荐，各大巨头可谓尝试了各种办法，比如我们之前学过的DeepWalk、Node2Vec这些非常实用的Graph Embedding方法。但是技术的发展永无止境，最近两年，GNN（Graph Nerual Netwrok，图神经网络）毫无疑问是最火热、最流行的基于图结构数据的建模方法。严格一点来说，图神经网络指的就是可以直接处理图结构数据的神经网络模型。
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在诸多GNN的解决方案中，著名的社交电商巨头Pinterest对于GraphSAGE的实现和落地又是最为成功的，在业界的影响力也最大。所以，这节课我们就学一学GraphSAGE的技术细节，看一看Pinterest是如何利用图神经网络进行商品推荐的。
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## 搭桥还是平推？技术途径上的抉择
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在正式开始GraphSAGE的讲解之前，我想先给你讲一讲DeepWalk、Node2vec这些Graph Embedding方法和GNN之间的关系，这有助于我们理解GNN的原理。
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我们这里简单回顾一下DeepWalk和Node2vec算法的基本流程，如下面的图1所示。它们在面对像图1b这样的图数据的时候，其实没有直接处理图结构的数据，而是走了一个取巧的方式，先把图结构数据通过随机游走采样，转换成了序列数据，然后再 用诸如Word2vec这类序列数据Embedding的方法生成最终的Graph Embedding。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/1f/ed/1f28172c62e1b5991644cf62453fd0ed.jpeg" alt="" title="图1 基于随机游走的Graph Embedding算法">
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我把这类Graph Embedding的方法归类为基于随机游走的间接性Graph Embedding方法。它其实代表了我们在解决一类技术问题时的思路，**就是面对一个复杂问题时，我们不直接解决它，而是“搭一座桥”，通过这座桥把这个复杂问题转换成一个简单问题，因为对于简单问题，我们有非常丰富的处理手段。这样一来，这个复杂问题也就能简单地解决了。**显然，基于随机游走的Graph Embedding方法就是这样一种“搭桥”的解决方案。
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但搭桥的过程中难免会损失一些有用的信息，比如用随机游走对图数据进行抽样的时候，虽然我们得到的序列数据中还包含了图结构的信息，但却破坏了这些信息原始的结构。
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正因为这样，很多研究者、工程师不满足于这样搭桥的方式，而是希望造一台“推土机”，把这个问题平推过去，直接解决它。GNN就是这样一种平推解决图结构数据问题的方法，它直接输入图结构的数据，产生节点的Embedding或者推荐结果。当然，不同研究者打造这台推土机的方式各不相同，我们今天要重点介绍的GraphSAGE，就是其中最著名的一台，也最具参考价值。
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## GraphSAGE的主要步骤
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下面，我们就来详细讲一讲GraphSAGE的细节。GraphSAGE的全称叫做Graph Sample and Aggregate，翻译过来叫“图采样和聚集方法”。其实这个名称就很好地解释了它运行的过程，就是先“采样”、再“聚集”。
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这时候问题又来了，这里的“采样”还是随机游走的采样吗？要是还通过采样才能得到样本，我们造的还能是“推土机”吗，不就又变成搭桥的方式了吗？别着急，等我讲完GraphSAGE的细节，你就明白了。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/c1/25/c1d474d94b5d1dd56591ef55d58d5d25.jpeg" alt="" title="图2 GraphSAGE的主要过程 [br]（出自论文 Inductive Representation Learning on Large Graphs）">
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GraphSAGE的过程如上图所示，主要可以分为3步：
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1. 在整体的图数据上，从某一个中心节点开始采样，得到一个k阶的子图，示意图中给出的示例是一个二阶子图；
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1. 有了这个二阶子图，我们可以先利用GNN把二阶的邻接点聚合成一阶的邻接点（图1-2中绿色的部分），再把一阶的邻接点聚合成这个中心节点（图1-2中蓝色的部分）；
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1. 有了聚合好的这个中心节点的Embedding，我们就可以去完成一个预测任务，比如这个中心节点的标签是被点击的电影，那我们就可以让这个GNN完成一个点击率预估任务。
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这就是GraphSAGE的主要步骤，你看了之后可能还是觉得有点抽象。那接下来，我们再结合下图3推荐电影的例子，来看一看GraphSAGE是怎么工作的。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/2c/b3/2c4791fe07870eef1d4bcb6abe71e9b3.jpeg" alt="" title="图3 GraphSAGE示例">
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首先，我们要利用MovieLens的数据得到电影间的关系图，这个关系图可以是用用户行为生成（这个方法我们在[第7讲](https://time.geekbang.org/column/article/296672)中讲过），它也可以是像生成知识图谱一样来生成，比如，两部电影拥有同一个演员就可以建立一条边，拥有相同的风格也可以建立一条边，规则我们可以自己定。
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在这个由电影作为节点的关系图上，我们随机选择一个中心节点。比如，我们选择了玩具总动员（Toy Story）作为中心节点，这时再向外进行二阶的邻接点采样，就能生成一个树形的样本。
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经过多次采样之后，我们会拥有一批这样的子图样本。这时，我们就可以把这些样本输入GNN中进行训练了。GNN的结构我会在下一小节详细来讲，这里我们只要清楚，这个GNN既可以预测中心节点的标签，比如点击或未点击，也可以单纯训练中心节点的Embedding就够了。
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总的来说，**GraphSAGE的主要步骤就是三个“抽样-聚合-预测”**。
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## GraphSAGE的模型结构
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现在，我们关注的重点就变成了GraphSAGE的模型结构到底怎么样？它到底是怎么把一个k阶的子图放到GNN中去训练，然后生成中心节点的Embedding的呢？接下来，我就结合GraphSAGE的模型结构来和你详细讲一讲。
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这里，我们还是以二阶的GraphSAGE为例，因为超过二阶的结构只是进一步延伸这个模型，没有更多特别的地方，所以我们理解二阶的模型结构就足够了。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/e8/c0/e8d640076241bd415da8b782f8c256c0.jpg" alt="" title="图4 GraphSAGE的模型结构">
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上图中处理的样本是一个以点A为中心节点的二阶子图，从左到右我们可以看到，点A的一阶邻接点包括点B、点C和点D，从点B、C、D再扩散一阶，可以看到点B的邻接点是点A和点C，点C的邻接点是A、B、E、F，而点D的邻接点是点A。
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清楚了样本的结构，我们再从右到左来看一看GraphSAGE的训练过程。这个GNN的输入是二阶邻接点的Embedding，二阶邻接点的Embedding通过一个叫CONVOLVE的操作生成了一阶邻接点的Embedding，然后一阶邻接点的Embedding再通过这个CONVOLVE的操作生成了目标中心节点的Embedding，至此完成了整个训练。
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这个过程实现的关键就在于这个叫CONVOLVE的操作，那它到底是什么呢？
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CONVOLVE的中文名你肯定不会陌生，就是卷积。但这里的卷积并不是严格意义上的数学卷积运算，而是一个由Aggregate操作和Concat操作组成的复杂操作。这里，我们要重点关注图4中间的部分，它放大了CONVOLVE操作的细节。
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**这个CONVOLVE操作是由两个步骤组成的：第一步叫Aggregate操作，就是图4中gamma符号代表的操作，它把点A的三个邻接点Embedding进行了聚合，生成了一个Embedding hN(A)；第二步，我们再把hN(A)与点A上一轮训练中的Embedding hA连接起来，然后通过一个全联接层生成点A新的Embedding。**
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第二步实现起来很简单，但第一步中的Aggregate操作到底是什么呢？搞清楚这个，我们就搞清楚了GraphSAGE的所有细节。
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事实上，Aggregate操作我们也不陌生，它其实就是把多个Embedding聚合成一个Embedding的操作，我们在推荐模型篇中也讲过很多次了。比如，我们最开始使用的Average Pooling，在DIN中使用过的Attention机制，在序列模型中讲过的基于GRU的方法，以及可以把这些Embedding聚合起来的MLP等等。Aggregate操作非常多，如果你要问具体用哪个，我还是那句老话，**实践决定最终结构**。
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到这里，我们就抽丝剥茧地讲清楚了GraphSAGE的每个模型细节。如果你还有疑惑，再回头多看几遍GraphSAGE的模型结构图，结合我刚才的讲解，相信不难理解。
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## GraphSAGE的预测目标
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不过，在讲GraphSAGE的主要步骤的时候，我们还留下了一个“小尾巴”没有讲，就是说GraphSAGE既可以预测中心节点的标签，比如点击或未点击，又可以单纯地生成中心节点的Embedding。要知道预测样本标签这个事情是一个典型的有监督学习任务，而生成节点的Embedding又是一个无监督学习任务。
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那GraphSAGE是怎么做到既可以进行有监督学习，又能进行无监督学习的呢？要想让GraphSAGE做到这一点，关键就看你怎么设计它的输出层了。
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我们先来说说有监督的情况，为了预测中心节点附带的标签，比如这个标签是点击或未点击，我们就需要让GraphSAGE的输出层是一个Logistic Regression这样的二分类模型，这个输出层的输入，就是我们之前通过GNN学到的中心节点Embedding，输出当然就是预测标签的概率了。这样，GraphSAGE就可以完成有监督学习的任务了。
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而对于无监督学习，那就更简单了。这是因为，我们的输出层就完全可以仿照[第6讲](https://time.geekbang.org/column/article/295939)中Word2vec输出层的设计，用一个softmax当作输出层，预测的是每个点的ID。这样一来，每个点ID对应的softmax输出层向量就是这个点的Embedding，这就和word2vec的原理完全一致了。如果你仔细学了YouTube的候选集生成模型的话，就会知道这和视频向量的生成方式也是一样的。
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## GraphSAGE在Pinterest推荐系统中的应用
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GraphSAGE我们讲了这么多，那Pinterest到底是怎么在它的推荐系统中应用GNN的呢？我这就来讲一讲。
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由于GraphSAGE是Pinterest和斯坦福大学联合提出的，所以Pinterest对于GNN的应用也是直接在GraphSAGE的基础上进行的，只是给这个GNN取了个换汤不换药的新名字，PinSAGE。
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Pinterest这个网站的主要功能是为用户提供各种商品的浏览、推荐、收藏的服务，那么所谓的Pin这个动作，其实就是你收藏了一个商品到自己的收藏夹。因此，所有的Pin操作就连接起了用户、商品和收藏夹，共同构成了一个它们之间的关系图。PinSAGE就是在这个图上训练并得到每个商品的Embedding的。
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而PinSAGE Embedding的具体应用场景，其实跟我们[14讲](https://time.geekbang.org/column/article/303641)中实现的功能一样，就是商品的相似推荐。只不过之前业界更多地使用Item2vec、DeepWalk这些方法，来生成用于相似推荐的物品Embedding，在GNN流行起来之后，大家就开始尝试使用GNN生成的物品Embedding进行相似推荐。
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那么，PinSAGE在Pinterest场景下的效果到底怎么样呢？Pinterest给出了一些例子如图5所示，我们可以判断一下。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/9c/84/9c694cc8c041c237e541d64d9e370684.jpg" alt="" title="图5 PinSAGE在Pinterest上应用的例子">
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我们先看图5左边的例子，因为它给出的是一个种子发芽的图片，我们就推测它应该是一个卖绿植或者绿植种子的商家。接下来，我们再来判断左边通过四种不同算法找到的相似图片是不是合理。其中，PinSAGE是Pinterest实际用于推荐系统中的算法，其他三个Visual、Annot、Pixie都是效果测试中的对比算法。
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我们看到通过第一个算法Visual找到的图片，虽然看上去和原来的图片比较相似，但前两个图片居然都是食品照片，这显然不相关。第二个算法Annot中的树木，以及第三个算法Pixie中的辣椒和西兰花，显然都跟绿植种子有很遥远的差距。相比之下，PinSAGE找到的图片就很合理了，它找到的全都是种子发芽或者培育绿植的图片，这就非常合乎用户的逻辑了。
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要知道，在PinSAGE应用的构成中，它没有直接分析图片内容，而只是把图片当作一个节点，利用节点和周围节点的关系生成的图片Embedding。因此，这个例子可以说明，PinSAGE某种程度上理解了图片的语义信息，而这些语义信息正是埋藏在Pinterest的商品关系图中。可见，PinSAGE起到了多么神奇的数据挖掘的作用。
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## 小结
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这节课，我们讲解了图神经网络的经典方法GraphSAGE，我们抽丝剥茧地把GraphSAGE的细节全部剖开了。关于GraphSAGE，我们重点要记住它的特点和主要步骤。
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首先，GraphSAGE是目前来说最经典的GNN解决方案。因此，它具有GNN最显著的特点，那就是它可以直接处理图数据，不需要把图数据转换成更简单的序列数据，再用序列数据Embedding方法进行处理。
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其次，GraphSAGE的主要步骤是三步“采样-聚合-预测”。其中，采样是指在整体图数据上随机确定中心节点，采样k阶子图样本。聚合是指利用GNN把k阶子图样本聚合成中心节点Embedding。预测是指利用GNN做有监督的标签预测或者直接生成节点Embedding。
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在这三步之中，重点在于聚合的GNN结构，它使用CONVOLVE操作把邻接点Embedding聚合起来，跟中心节点上一轮的Embedding连接后，利用全连接层生成新的Embedding。
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为了方便你及时回顾，我也把这节课中的重要知识点总结了下面的表格中，你可以看看。
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<img src="https://static001.geekbang.org/resource/image/13/b9/1300b834c6c356e8fbbe17d69d1b1db9.jpeg" alt="">
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## 课后思考
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使用GraphSAGE是为了生成每个节点的Embedding，那我们有没有办法在GraphSAGE中加入物品的其他特征，如物品的价格、种类等等特征，让最终生成的物品Embedding中包含这些物品特征的信息呢？
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期待在留言区看到你对GraphSAGE的思考，我们下节课见！
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