基于 Apache Mahout 实现高效的协同过滤推荐
Apache Mahout 是 Apache Software Foundation (ASF) 旗下的一个开源项目，提供一些可扩展的机器学习领域经典算法的实现，旨在帮助开发人员更加方便快捷地创建智能应用程序，并且，在 Mahout 的最近版本中还加入了对 Apache Hadoop 的支持，使这些算法可以更高效的运行在云计算环境中。
关于 Apache Mahout 的安装和配置请参考《基于 Apache Mahout 构建社会化推荐引擎》，它是笔者 09 年发表的一篇关于基于 Mahout 实现推荐引擎的 developerWorks 文章，其中详细介绍了 Mahout 的安装步骤，并给出一个简单的电影推荐引擎的例子。
Apache Mahout 中提供的一个协同过滤算法的高效实现，它是一个基于 Java 实现的可扩展的，高效的推荐引擎。图 4 给出了 Apache Mahout 中协同过滤推荐实现的组件图，下面我们逐步深入介绍各个部分。
图 4.组件图
数据表示：Data Model
Preference
基于协同过滤的推荐引擎的输入是用户的历史偏好信息，在 Mahout 里它被建模为 Preference（接口），一个 Preference 就是一个简单的三元组 < 用户 ID, 物品 ID, 用户偏好 >，它的实现类是 GenericPreference，可以通过以下语句创建一个 GenericPreference。
GenericPreference preference = new GenericPreference(123, 456, 3.0f);
这其中， 123 是用户 ID，long 型；456 是物品 ID，long 型；3.0f 是用户偏好，float 型。从这个例子我们可以看出，单单一个 GenericPreference 的数据就占用 20 bytes，所以你会发现如果只简单实用数组 Array 加载用户偏好数据，必然占用大量的内存，Mahout 在这方面做了一些优化，它创建了 PreferenceArray（接口）保存一组用户偏好数据，为了优化性能，Mahout 给出了两个实现类，GenericUserPreferenceArray 和 GenericItemPreferenceArray，分别按照用户和物品本身对用户偏好进行组装，这样就可以压缩用户 ID 或者物品 ID 的空间。下面清单 1 的代码以 GenericUserPreferenceArray 为例，展示了如何创建和使用一个 PreferenceArray。
清单 1. 创建和使用 PreferenceArray
PreferenceArray userPref = new GenericUserPreferenceArray(2); //size = 2
userPref.setUserID(0, 1L);
userPref.setItemID(0, 101L); //<1L, 101L, 2.0f>
userPref.setValue(0, 2.0f);
userPref.setItemID(1, 102L); //<1L, 102L, 4.0f>
userPref.setValue(1, 4.0f);
Preference pref = userPref.get(1); //<1L, 102L, 4.0f>
为了提高性能 Mahout 还构建了自己的 HashMap 和 Set：FastByIDMap 和 FastIDSet，有兴趣的朋友可以参考 Mahout 官方说明。
DataModel
Mahout 的推荐引擎实际接受的输入是 DataModel，它是对用户偏好数据的压缩表示，通过创建内存版 DataModel 的语句我们可以看出：
DataModel model = new GenericDataModel(FastByIDMap<PreferenceArray> map);
他保存在一个按照用户 ID 或者物品 ID 进行散列的 PreferenceArray，而 PreferenceArray 中对应保存着这个用户 ID 或者物品 ID 的所有用户偏好信息。
DataModel 是用户喜好信息的抽象接口，它的具体实现支持从任意类型的数据源抽取用户喜好信息，具体实现包括内存版的 GenericDataModel，支持文件读取的 FileDataModel 和支持数据库读取的 JDBCDataModel，下面我们看看如何创建各种 DataModel。
清单 2. 创建各种 DataModel
//In-memory DataModel - GenericDataModel
FastByIDMap<PreferenceArray> preferences = new FastByIDMap<PreferenceArray>();
PreferenceArray prefsForUser1 = new GenericUserPreferenceArray(10);
prefsForUser1.setUserID(0, 1L);
prefsForUser1.setItemID(0, 101L);
prefsForUser1.setValue(0, 3.0f);
prefsForUser1.setItemID(1, 102L);
prefsForUser1.setValue(1, 4.5f);
… (8 more)
preferences.put(1L, prefsForUser1); //use userID as the key
… (more users)
DataModel model = new GenericDataModel(preferences);
//File-based DataModel - FileDataModel
DataModel dataModel = new FileDataModel(new File("preferences.csv");
//Database-based DataModel - MySQLJDBCDataModel
MysqlDataSource dataSource = new MysqlDataSource();
dataSource.setServerName("my_user");
dataSource.setUser("my_password");
dataSource.setPassword("my_database_host");
JDBCDataModel dataModel = new MySQLJDBCDataModel(dataSource, "my_prefs_table",
"my_user_column", "my_item_column", "my_pref_value_column");
支持文件读取的 FileDataModel，Mahout 没有对文件的格式做过多的要求，只要文件的内容满足以下格式：
- 每一行包括用户 ID, 物品 ID, 用户偏好
- 逗号隔开或者 Tab 隔开
- *.zip 和 *.gz 文件会自动解压缩（Mahout 建议在数据量过大时采用压缩的数据存储）
支持数据库读取的 JDBCDataModel，Mahout 提供一个默认的 MySQL 的支持，它对用户偏好数据的存放有以下简单的要求：
- 用户 ID 列需要是 BIGINT 而且非空
- 物品 ID 列需要是 BIGINT 而且非空
- 用户偏好列需要是 FLOAT
建议在用户 ID 和物品 ID 上建索引。
实现推荐：Recommender
介绍完数据表示模型，下面介绍 Mahout 提供的协同过滤的推荐策略，这里我们选择其中最经典的三种，User CF, Item CF 和 Slope One。
User CF
前面已经详细介绍了 User CF 的原理，这里我们着重看怎么基于 Mahout 实现 User CF 的推荐策略，我们还是从一个例子入手：
清单 3. 基于 Mahout 实现 User CF
DataModel model = new FileDataModel(new File("preferences.dat"));
UserSimilarity similarity = new PearsonCorrelationSimilarity(model);
UserNeighborhood neighborhood = new NearestNUserNeighborhood(100, similarity, model);
Recommender recommender = new GenericUserBasedRecommender(model,
neighborhood, similarity);
- 从文件建立 DataModel，我们采用前面介绍的 FileDataModel，这里假设用户的喜好信息存放在 preferences.dat 文件中。
- 基于用户偏好数据计算用户的相似度，清单中采用的是 PearsonCorrelationSimilarity，前面章节曾详细介绍了各种计算相似度的方法，Mahout 中提供了基本的相似度的计算，它们都 UserSimilarity 这个接口，实现用户相似度的计算，包括下面这些常用的：
- PearsonCorrelationSimilarity：基于皮尔逊相关系数计算相似度
- EuclideanDistanceSimilarity：基于欧几里德距离计算相似度
- TanimotoCoefficientSimilarity：基于 Tanimoto 系数计算相似度
- UncerteredCosineSimilarity：计算 Cosine 相似度
ItemSimilarity 也是类似的：
- 根据建立的相似度计算方法，找到邻居用户。这里找邻居用户的方法根据前面我们介绍的，也包括两种：“固定数量的邻居”和“相似度门槛邻居”计算方法，Mahout 提供对应的实现：
- NearestNUserNeighborhood：对每个用户取固定数量 N 的最近邻居
- ThresholdUserNeighborhood：对每个用户基于一定的限制，取落在相似度门限内的所有用户为邻居。
- 基于 DataModel，UserNeighborhood 和 UserSimilarity 构建 GenericUserBasedRecommender，实现 User CF 推荐策略。
Item CF
了解了 User CF，Mahout Item CF 的实现与 User CF 类似，是基于 ItemSimilarity，下面我们看实现的代码例子，它比 User CF 更简单，因为 Item CF 中并不需要引入邻居的概念：
清单 4. 基于 Mahout 实现 Item CF
DataModel model = new FileDataModel(new File("preferences.dat"));
ItemSimilarity similarity = new PearsonCorrelationSimilarity(model);
Recommender recommender = new GenericItemBasedRecommender(model, similarity);
Slope One
如前面介绍的，User CF 和 Item CF 是最常用最容易理解的两种 CF 的推荐策略，但在大数据量时，它们的计算量会很大，从而导致推荐效率较差。因此 Mahout 还提供了一种更加轻量级的 CF 推荐策略：Slope One。
Slope One 是有 Daniel Lemire 和 Anna Maclachlan 在 2005 年提出的一种对基于评分的协同过滤推荐引擎的改进方法，下面简单介绍一下它的基本思想。
图 5 给出了例子，假设系统对于物品 A，物品 B 和物品 C 的平均评分分别是 3，4 和 4。基于 Slope One 的方法会得到以下规律：
- 用户对物品 B 的评分 = 用户对物品 A 的评分 + 1
- 用户对物品 B 的评分 = 用户对物品 C 的评分
基于以上的规律，我们可以对用户 A 和用户 B 的打分进行预测：
- 对用户 A，他给物品 A 打分 4，那么我们可以推测他对物品 B 的评分是 5，对物品 C 的打分也是 5。
- 对用户 B，他给物品 A 打分 2，给物品 C 打分 4，根据第一条规律，我们可以推断他对物品 B 的评分是 3；而根据第二条规律，推断出评分是 4。当出现冲突时，我们可以对各种规则得到的推断进行就平均，所以给出的推断是 3.5。
这就是 Slope One 推荐的基本原理，它将用户的评分之间的关系看作简单的线性关系：
Y = mX + b;
当 m = 1 时就是 Slope One，也就是我们刚刚展示的例子。
图 5.Slope One 推荐策略示例
Slope One 的核心优势是在大规模的数据上，它依然能保证良好的计算速度和推荐效果。Mahout 提供了 Slope One 推荐方法的基本实现，实现代码很简单，参考清单 5.
清单 5. 基于 Mahout 实现 Slope One
//In-Memory Recommender
DiffStorage diffStorage = new MemoryDiffStorage(model, Weighting.UNWEIGHTED, false,
Long.MAX_VALUE));
Recommender recommender = new SlopeOneRecommender(model, Weighting.UNWEIGHTED,
Weighting.UNWEIGHTED, diffStorage);
//Database-based Recommender
AbstractJDBCDataModel model = new MySQLJDBCDataModel();
DiffStorage diffStorage = new MySQLJDBCDiffStorage(model);
Recommender recommender = new SlopeOneRecommender(model, Weighting.WEIGHTED,
Weighting.WEIGHTED, diffStorage);
1. 根据 Data Model 创建数据之间线性关系的模型 DiffStorage。
2. 基于 Data Model 和 DiffStorage 创建 SlopeOneRecommender，实现 Slope One 推荐策略。