本文描述了猿輔導(dǎo)開源分布式機器學(xué)習(xí)庫ytk-learn及分布式通信庫ytk-mp4j的相關(guān)內(nèi)容，可實現(xiàn)在多應(yīng)用場景中使用。ytk-learn 是基于Java的高效分布式機器學(xué)習(xí)庫， 簡單易用，文檔詳細，只需要用戶安裝Java 8運行時環(huán)境即可，而且所有模型都有可運行的demo。

猿輔導(dǎo)公司開源了兩個機器學(xué)習(xí)項目——ytk-learn， ytk-mp4j，其中 ytk-mp4j 是一個高效的分布式通信庫，基于該通信庫我們實現(xiàn)了 ytk-learn 分布式機器學(xué)習(xí)庫，該機器學(xué)習(xí)庫目前在猿輔導(dǎo)很多應(yīng)用場景中使用，比如，自適應(yīng)學(xué)習(xí)、學(xué)生高考分預(yù)測、數(shù)據(jù)挖掘、課程推薦等。

ytk-learn分布式機器學(xué)習(xí)庫

項目背景

LR（Logistic Regression）， GBDT（Gradient Boosting Decision Tree）， FM（Factorization Machines）， FFM（Field-aware Factorization Machines） 模型是廣告點擊率預(yù)測和推薦系統(tǒng)中廣泛使用的模型，但是到目前為止幾乎沒有一個高效的機器學(xué)習(xí)開源項目集這幾種常用模型于一身，而且很多機器學(xué)習(xí)開源項目只能在特定計算平臺下使用，最重要的是不能高效的整合到線上生產(chǎn)環(huán)境中。ytk-learn 就是解決以上問題而產(chǎn)生的。

圖1 ytk-learn 特性概略

項目簡介

ytk-learn 是基于Java的高效分布式機器學(xué)習(xí)庫，實現(xiàn)大量的主流傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)模型（GBDT， LR， FM， FFM等）和loss函數(shù)，支持單機多線程、多機集群及分布式計算環(huán)境。

其中 GBDT/GBRT 的實現(xiàn)借鑒吸收了 XGBoost 和 LightGBM 的大部分有用特性，支持特征并行和數(shù)據(jù)并行，支持傳統(tǒng)的精確算法和直方圖近似算法，支持 level-wise 或者 leaf-wise 的建樹方式，而且還實現(xiàn)了分布式帶權(quán)分位數(shù)近似。在單機數(shù)據(jù)并行的場景中訓(xùn)練速度跟 XGBoost 相當(dāng)，在非$2^n$臺機器的分布式場景中比 LightGBM 速度更快，更穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的 GBDT/GBRT 在含有大量 Categorical 特征的場景中無法使用，我們實現(xiàn)了多種適用于大量 Categorical特征的 GBST（Gradient Boosting Soft Tree）模型，在猿輔導(dǎo)的點擊率預(yù)測和推薦場景中效果明顯好于LR、FM、FFM等模型。

ytk-learn 實現(xiàn)了改進的 Hoag（Hyperparameter optimization with approximate gradient， ICML2016）算法，能夠自動高效的進行超參數(shù)搜索。當(dāng)目標函數(shù)是凸函數(shù)時，hoag 能快速得到最優(yōu)超參數(shù)（kaggle 比賽利器），效率明顯高于傳統(tǒng)的網(wǎng)格超參數(shù)搜索算法（grid search），而且在非凸目標函數(shù)場景中也適用。

其他特性：

1. 簡單易用，文檔詳細，只需要用戶安裝Java 8運行時環(huán)境即可，而且所有模型都有可運行的demo

2. 支持主流的操作系統(tǒng)：Linux，Windows，Mac OS，僅需安裝Java8運行環(huán)境即可使用

3. 支持單機多線程，多機集群及分布式環(huán)境（Hadoop，Spark），相比Hadoop Mahout， Spark MLlib效率高很多

4. 提供簡單易用的在線預(yù)測代碼，可以方便整合到線上生成環(huán)境

5. 支持多種目標函數(shù)和評估指標，支持L1，L2，L1+L2正則

6. 樹模型支持樣本采樣，特征采樣，提供初始預(yù)估值的訓(xùn)練

7. 支持特征預(yù)處理（歸一化，縮放），特征哈希，特征過濾，基于樣本標簽采樣

8. 提供了讀取數(shù)據(jù)時進行高效數(shù)據(jù)處理的python腳本

9. 訓(xùn)練模型支持checkpoint，繼續(xù)訓(xùn)練

10. LR 支持 Laplace 近似，方便做 Exploitation&Exploration

11. 基于猿輔導(dǎo)的 ytk-mp4j 通信庫，分布式訓(xùn)練效率非常高

ytk-mp4j 分布式機器學(xué)習(xí)通信庫
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項目背景

目前可以用于分布式機器學(xué)習(xí)的通信主要基于MPI和RPC，其中MPI是分布式高性能計算的標配，雖然效率非常高，但是對于開發(fā)分布式機器學(xué)習(xí)任務(wù)來說有很多缺點： 開發(fā)難度大、數(shù)據(jù)支持太底層、只能用C/C++， Fortran編寫等等；RPC 方式來實現(xiàn)類似 allreduce 這種操作，在特征維度特別高的場景，通信效率太低。所以我們開發(fā)了一套易用且高效的機器學(xué)習(xí)分布式通信庫。

圖2 ytk-mp4j 特性概略

項目簡介

ytk-mp4j 是基于Java的高效分布式機器學(xué)習(xí)通信庫，實現(xiàn)了類似 MPI Collective 通信中的大部分操作，包含gather， scatter， allgather， reduce-scatter， broadcast， reduce， allreduce，使用 ytk-mp4j 可以快速地把串行機器學(xué)習(xí)程序改造成支持多線程和多進程，ytk-learn 中所有涉及到分布式通信操作都是基于 ytk-mp4j 實現(xiàn)（表1中給出了部分例子）。

相比于MPI， ytk-mp4j 擴展實現(xiàn)了一些非常實用的特性：

1. 所有的通信操作都是基于最優(yōu)算法實現(xiàn)［1，2］，性能非常高，同時支持多線程，多進程。同樣的功能，在C/C++ 環(huán)境中，可能需要結(jié)合 MPI 和 OpenMP 才能實現(xiàn)

2. 不僅支持基本的數(shù)據(jù)類型（double， float， long， int， short， byte），而且還支持Java String及任意普通Java對象（Java 對象只需要實現(xiàn) Kryo的 Serializer 接口）

3. 不僅支持傳統(tǒng)數(shù)組類型的 Collective 通信，而且還支持Java Map數(shù)據(jù)類型，使用Map數(shù)據(jù)類型，用戶可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的通信操作（例如：集合求交、求并，鏈表的連接等操作）

4. 支持數(shù)據(jù)壓縮傳輸，在網(wǎng)絡(luò)資源很緊張的情況下，可以節(jié)約大量的帶寬

5. 純Java代碼實現(xiàn)，可以無縫集成到 Hadoop， Spark 等分布式計算平臺，構(gòu)建自己的分布式機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)

6. 使用 Java的SDP（Sockets Direct Protocol）可以實現(xiàn)高效的RDMA（Remote Direct Memory Access）

表1 ytk-mp4j在ytk-learn中的使用

ytk-mp4j 操作ytk-learn 中使用場景

allreduceLoss 求和，梯度求和，Hessian 求和，計算分位數(shù)，計算平均值，

計算評估指標（AUC， Confusion Matrix…），統(tǒng)計樣本數(shù)量、

特征出現(xiàn)次數(shù)等等

reduce-scatterGBDT 高效梯度求和

allgatherL-BFGS 中計算Hv，GBDT 同步梯度

allreduce 操作是分布式機器學(xué)習(xí)中使用最多的通信操作，它對機群中所有的節(jié)點對應(yīng)的數(shù)據(jù)進行歸約操作，然后再分發(fā)給各個節(jié)點。下面給出了 ytk-mp4j 在多進程、多進程、數(shù)組，Map 下的 allreduce （歸約操作為求和）示意圖：

性能測試

表2給出了 ytk-mp4j 實現(xiàn)的Collective操作時間復(fù)雜度，其中 ?是網(wǎng)絡(luò)連接延遲， 是傳輸1個字節(jié)需要的時間， 是需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量， 是進行1字節(jié)數(shù)據(jù)歸約（reduction）操作需要的時間?？梢钥闯觯S著機器數(shù)量的增加，所有操作數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是幾乎不會增加的，只有連接和歸約操作的時間會隨機器數(shù)量增加，但在大數(shù)據(jù)通信時，連接和歸約的時間占比很小。這個時間復(fù)雜度特性非常重要，它使得在特征維度、樣本數(shù)量超過一定閾值的分布式機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)中，訓(xùn)練加速比與機器數(shù)量接近線性關(guān)系。

表2 ytk-mp4j 實現(xiàn)的 Collective 操作時間復(fù)雜度

下圖是測試在 1Gigabit Ethernet 網(wǎng)絡(luò)下，10億維 double 數(shù)組，各種 Collective 通信操作在不同的機器數(shù)量下的通信性能（時間單位： ms），從圖中可以看出 ytk-mp4j 中的7種 Collective 操作的通信時間與機器數(shù)量的關(guān)系與理論值完全符合。