Spark的MLlib實(shí)現(xiàn)了協(xié)同過濾（Collaborative Filtering）這個(gè)功能。官網(wǎng)文檔鏈接

熟悉推薦算法的同學(xué)可能也有這個(gè)認(rèn)識(shí)：協(xié)同過濾主要分為3大類——1、基于User的協(xié)同過濾；2、基于Item的協(xié)同過濾；3、基于Model的協(xié)同過濾。前面兩個(gè)比較簡(jiǎn)單不多描述了，主要講下基于Model的協(xié)同過濾。在網(wǎng)上找到一個(gè)對(duì)基于Model的協(xié)同過濾的算法總結(jié)包括：Aspect Model，pLSA，LDA，聚類，SVD，Matrix Factorization等。不管這句話說的是否嚴(yán)謹(jǐn)（比如還有二分圖模型），總之我認(rèn)為Spark MLlib目前（2.2.0版本）并不能算是完整的協(xié)同過濾。只是做了基于Model的協(xié)同過濾中的矩陣分解內(nèi)容。當(dāng)然做好了矩陣分解，接下來再做別的也就輕松了。

關(guān)于基于Model的矩陣分解，可以參考矩陣分解在協(xié)同過濾推薦算法中的應(yīng)用。Spark的MLlib中使用的是ALS（Alternating Least Squares (ALS) matrix factorization）算法。這個(gè)可以看成是對(duì)FunkSVD的一種求解實(shí)現(xiàn)。不過考慮到有時(shí)候我們輸入的User-Item的rating可能不是某種評(píng)判的數(shù)值打分，而是User對(duì)于Item的某種偏好，此時(shí)使用ALS-WR（alternating-least-squares with weighted-λ-regularization）通過置信度權(quán)重來重新定義目標(biāo)函數(shù)，從而得到新的結(jié)果。關(guān)于ALS和ALS-WR可以參考協(xié)同過濾之ALS-WR算法和機(jī)器學(xué)習(xí)（十四）——協(xié)同過濾的ALS算法（2）、主成分分析以及協(xié)同過濾 CF & ALS 及在Spark上的實(shí)現(xiàn)

上面主要是理論基礎(chǔ)部分，熟悉了理論基礎(chǔ)后，我們看下通過Spark的MLlib的落地實(shí)現(xiàn)，我們需要做哪些工作。同時(shí)依然建議參考另2篇文章ALS-WR(協(xié)同過濾推薦算法) in ML和深入理解Spark ML：基于ALS矩陣分解的協(xié)同過濾算法與源碼分析

Collaborative filtering

正如前面所講的，我們的工作是要把評(píng)分矩陣用User和Item的latent factors表達(dá)出來。MLlib通過ALS算法來學(xué)習(xí)得到User以及Item的latent factors，在具體的實(shí)現(xiàn)中需要以下參數(shù)：

• numBlocks is the number of blocks the users and items will be partitioned into in order to parallelize computation (defaults to 10). 用于并行計(jì)算，同時(shí)設(shè)置User和Item的block數(shù)目，還可以使用numUserBlocks和numItemBlocks分別設(shè)置User和Item的block數(shù)目。
• rank is the number of latent factors in the model (defaults to 10). 表示latent factors的長度。對(duì)于這個(gè)值的設(shè)置參見What is recommended number of latent factors for the implicit collaborative filtering using ALS
• maxIter is the maximum number of iterations to run (defaults to 10). 交替計(jì)算User和Item的latent factors的迭代次數(shù)。
• regParam specifies the regularization parameter in ALS (defaults to 1.0). L2正則的系數(shù)lambda
• implicitPrefs specifies whether to use the explicit feedback ALS variant or one adapted for implicit feedback data (defaults to false which means using explicit feedback). 表示原始User和Item的rating矩陣的值是否是評(píng)判的打分值，F(xiàn)alse表示是打分值，True表示是矩陣的值是某種偏好。
• alpha is a parameter applicable to the implicit feedback variant of ALS that governs the baseline confidence in preference observations (defaults to 1.0). 當(dāng)implicitPrefs為true時(shí)，表示對(duì)原始rating的一個(gè)置信度系數(shù)，用于和rate相乘，是一個(gè)常值?？梢愿鶕?jù)對(duì)于原始數(shù)據(jù)的觀察，統(tǒng)計(jì)先設(shè)置一個(gè)值，然后再進(jìn)行后續(xù)的tuning。
• nonnegative specifies whether or not to use nonnegative constraints for least squares (defaults to false). 對(duì)應(yīng)于選擇求解最小二乘的方法：if (nonnegative) new NNLSSolver else new CholeskySolver。如果True就是用非負(fù)正則化最小二乘（NNLS），F(xiàn)alse就是用喬里斯基分解（Cholesky）

Note: 基于DataFrame的MLlib API目前只支持integer類型的user和Item的id。其他numeric類型的user和item id列也支持，不過ids必須在integer的取值范圍內(nèi)。這里的numeric類型指的是java.lang.Number，看了下源碼感覺負(fù)值也應(yīng)該是可以的。

讀取ID，如果是Int直接使用，Number進(jìn)行Cast并檢查

除了上面文檔中的參數(shù)，還有一些別的參數(shù)設(shè)置也有必要列出來（下面的Dataset<Row>即為DataFrame）：

• userCol：用戶列的名字，String類型。對(duì)應(yīng)于后續(xù)調(diào)用fit()操作時(shí)輸入的Dataset<Row>入?yún)r(shí)用戶id所在schema中的name
• itemCol：item列的名字，String類型。對(duì)應(yīng)于后續(xù)調(diào)用fit()操作時(shí)輸入的Dataset<Row>入?yún)r(shí)item id所在schema中的name
• ratingCol：rating列的名字，String類型。對(duì)應(yīng)于后續(xù)調(diào)用fit()操作時(shí)輸入的Dataset<Row>入?yún)r(shí)rating值所在schema中的name
• predictionCol：String類型。做transform()操作時(shí)輸出的預(yù)測(cè)值在Dataset<Row>結(jié)果的schema中的name，默認(rèn)是“prediction”
• coldStartStrategy：String類型。有兩個(gè)取值"nan" or "drop"。這個(gè)參數(shù)指示用在prediction階段時(shí)遇到未知或者新加入的user或item時(shí)的處理策略。尤其是在交叉驗(yàn)證或者生產(chǎn)場(chǎng)景中，遇到?jīng)]有在訓(xùn)練集中出現(xiàn)的user/item id時(shí)。"nan"表示對(duì)于未知id的prediction結(jié)果為NaN。"drop"表示對(duì)于transform()的入?yún)ataFrame中出現(xiàn)未知ids的行，將會(huì)在包含prediction的返回DataFrame中被drop。默認(rèn)值是"nan"

Explicit和implicit feedback

標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)同過濾中的矩陣分解（matrix factorization）都是對(duì)user-item的打分矩陣做因子分解，比如用戶對(duì)電影的打分，也稱為顯式反饋（explicit feedback）。

不過在現(xiàn)實(shí)情況中，很多user-item都不是某種特定意義的評(píng)分，而是一些比如用戶的購買記錄、搜索關(guān)鍵字，甚至是鼠標(biāo)的移動(dòng)。我們將這些間接用戶行為稱之為隱式反饋（implicit feedback）。

在Spark中處理隱式反饋的算法是ALS-WR。可以重點(diǎn)看下前面給出的參考鏈接中的算法結(jié)果，觀察損失函數(shù)，就可以知道大致過程。

正則化系數(shù)

這里指的是在ALS算法中L2正則項(xiàng)的系數(shù)，用來防止過擬合，也能使矩陣的因子分解后的U和V矩陣的值不會(huì)太震蕩，方便接下來對(duì)U和V矩陣再做進(jìn)一步的利用。

而且Spark通過ALS-WR算法使得 regParam 較少的被數(shù)據(jù)集的規(guī)模所影響。這樣可以使得在樣本子集中學(xué)習(xí)得到的最佳參數(shù)可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)全集上而且獲得相似的性能。

冷啟動(dòng)策略

我們使用訓(xùn)練后的 ALSModel 對(duì)test數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，不過可能會(huì)遇到?jīng)]有出現(xiàn)在訓(xùn)練模型中的user或者item id，這是由以下兩種情況產(chǎn)生引起的：

• 在生成中：本來就會(huì)有新的user或者item上線，是之前訓(xùn)練時(shí)不曾有的（這也稱之為“cold start problem”）
• 在交叉驗(yàn)證階段：不管是用Spark的 CrossValidator 或者 TrainValidationSplit 都有可能出現(xiàn)驗(yàn)證集中的id是訓(xùn)練集中沒有出現(xiàn)過的。

默認(rèn)Spark使用NaN來表示對(duì)于未知id的rate的預(yù)測(cè)結(jié)果，這樣在生產(chǎn)中可以提示系統(tǒng)有新的id加入，作為接下來是否采取措施的依據(jù)。
不過在交叉驗(yàn)證階段，NaN會(huì)妨礙接下來的評(píng)分度量 (比如使用 RegressionEvaluator ），此時(shí)可以選擇"drop"來使得出現(xiàn)NaN的行都丟掉。方便調(diào)參時(shí)做模型選擇。

舉個(gè)栗子

下面這個(gè)栗子也是官網(wǎng)文檔中的栗子。首先看下數(shù)據(jù)的模樣：

sample_movielens_ratings.txt

然后是代碼：

/*
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 * contributor license agreements.  See the NOTICE file distributed with
 * this work for additional information regarding copyright ownership.
 * The ASF licenses this file to You under the Apache License, Version 2.0
 * (the "License"); you may not use this file except in compliance with
 * the License.  You may obtain a copy of the License at
 *
 *    http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
 *
 * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
 * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
 * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
 * See the License for the specific language governing permissions and
 * limitations under the License.
 */

import org.apache.spark.sql.Dataset;
import org.apache.spark.sql.Row;
import org.apache.spark.sql.SparkSession;

// $example on$
import java.io.Serializable;

import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;
import org.apache.spark.ml.evaluation.RegressionEvaluator;
import org.apache.spark.ml.recommendation.ALS;
import org.apache.spark.ml.recommendation.ALSModel;
// $example off$

public class JavaALSExample {

  // $example on$
  public static class Rating implements Serializable {
    private int userId;
    private int movieId;
    private float rating;
    private long timestamp;

    public Rating() {}

    public Rating(int userId, int movieId, float rating, long timestamp) {
      this.userId = userId;
      this.movieId = movieId;
      this.rating = rating;
      this.timestamp = timestamp;
    }

    public int getUserId() {
      return userId;
    }

    public int getMovieId() {
      return movieId;
    }

    public float getRating() {
      return rating;
    }

    public long getTimestamp() {
      return timestamp;
    }

    public static Rating parseRating(String str) {
      String[] fields = str.split("::");
      if (fields.length != 4) {
        throw new IllegalArgumentException("Each line must contain 4 fields");
      }
      int userId = Integer.parseInt(fields[0]);
      int movieId = Integer.parseInt(fields[1]);
      float rating = Float.parseFloat(fields[2]);
      long timestamp = Long.parseLong(fields[3]);
      return new Rating(userId, movieId, rating, timestamp);
    }
  }
  // $example off$

  public static void main(String[] args) {
    SparkSession spark = SparkSession
      .builder()
      .appName("JavaALSExample")
      .getOrCreate();

    // $example on$
    JavaRDD<Rating> ratingsRDD = spark
      .read().textFile("data/mllib/als/sample_movielens_ratings.txt").javaRDD()
      .map(Rating::parseRating);
    Dataset<Row> ratings = spark.createDataFrame(ratingsRDD, Rating.class);
    Dataset<Row>[] splits = ratings.randomSplit(new double[]{0.8, 0.2});
    Dataset<Row> training = splits[0];
    Dataset<Row> test = splits[1];

    // Build the recommendation model using ALS on the training data
    ALS als = new ALS()
      .setMaxIter(5)
      .setRegParam(0.01)
      .setUserCol("userId")
      .setItemCol("movieId")
      .setRatingCol("rating");
    ALSModel model = als.fit(training);
    model.userFactors();
    model.itemFactors();

    // Evaluate the model by computing the RMSE on the test data
    // Note we set cold start strategy to 'drop' to ensure we don't get NaN evaluation metrics
    model.setColdStartStrategy("drop");
    Dataset<Row> predictions = model.transform(test);

    RegressionEvaluator evaluator = new RegressionEvaluator()
      .setMetricName("rmse")
      .setLabelCol("rating")
      .setPredictionCol("prediction");
    Double rmse = evaluator.evaluate(predictions);
    System.out.println("Root-mean-square error = " + rmse);

    // Generate top 10 movie recommendations for each user
    Dataset<Row> userRecs = model.recommendForAllUsers(10);
    // Generate top 10 user recommendations for each movie
    Dataset<Row> movieRecs = model.recommendForAllItems(10);

    // Generate top 10 movie recommendations for a specified set of users
    //todo: Those API @Since("2.3.0")
//    Dataset<Row> users = ratings.select(als.getUserCol()).distinct().limit(3);
//    Dataset<Row> userSubsetRecs = model.recommendForUserSubset(users, 10);
//    // Generate top 10 user recommendations for a specified set of movies
//    Dataset<Row> movies = ratings.select(als.getItemCol()).distinct().limit(3);
//    Dataset<Row> movieSubSetRecs = model.recommendForItemSubset(movies, 10);
    // $example off$
    userRecs.show();
    movieRecs.show();
//    userSubsetRecs.show();
//    movieSubSetRecs.show();

    spark.stop();
  }
}

代碼還是不難的，建議在IDEA中閱讀看下。實(shí)際使用時(shí)還需要加上tuning環(huán)節(jié)來對(duì)rank，maxIter，regParam ，alpha 甚至numBlocks進(jìn)行調(diào)參。