Apache Mahout的Taste基于Hadoop实现协同过滤推荐引擎的代码分析

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Taste 是 Apache Mahout 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。
该推荐引擎是用<userid,itemid,preference>这样简单的数据格式表达用户对物品的偏好。
以此为输入数据，计算后就可以得到为每个user推荐的items列表。

他提供了方便的单机版的编程接口，也提供了基于hadoop的分布式的实现。
单机版的编程接口主要适用于写demo和做算法的评估，若处理大规模数据，还是需分布式的实现。
以下是对org.apache.mahout.cf.taste.hadoop.item.RecommenderJob的各MapReduce步骤的一个解读。
Taste 实现一个分布式的协同过滤推荐共经历了如下12个MapReduce步骤。
以下分析了各步骤的Mapper和Reducer都做了哪些工作，并有什么格式的数据输出。

代码分析：
1、计算item的itemid_index和最小itemid值
1.1、ItemIDIndexMapper.class, VarIntWritable.class, VarLongWritable.class,
用原始输入，将userid,itemid,pref数据转成itemid_index,itemid
1.2、ItemIDIndexReducer.class, VarIntWritable.class, VarLongWritable.class,
在itemid_index,Iterator<itemid>中找最小的itemid，输出itemid_index,minimum_itemid
此处只是保存一个int型的itemid_index索引和对应的long型的itemid的映射

2、计算各user的item偏好向量，即Vector<item,pref>
2.1、ToItemPrefsMapper.class, VarLongWritable.class, booleanData ? VarLongWritable.class : EntityPrefWritable.class,
用原始输入，读入偏好数据，得到userid,<itemid,pref>
2.2、ToUserVectorReducer.class, VarLongWritable.class, VectorWritable.class,
将userid,Iterator<itemid,pref>中的itemid变成itemid_index，得到userid,Vector<itemid_index,pref>，后者用RandomAccessSparseVector来存。

3、统计数据中有多少个user
3.1、CountUsersMapper.class,CountUsersKeyWritable.class,VarLongWritable.class,
用步骤2的输出，统计独立userid数目，先转换数据为userid,userid
3.2、CountUsersReducer.class,VarIntWritable.class,NullWritable.class,
通过CountUsersPartitioner将所有数据发到一个区，一个Reducer来处理
由于userid都已排序，所以可以用极简单的方式来统计出独立userid数
输出只有一个值，即用户数

4、计算item的user偏好向量，即Vector<userid,pref>，也即拿步骤2的结果做矩阵的修剪和转置
4.1、MaybePruneRowsMapper.class,IntWritable.class,DistributedRowMatrix.MatrixEntryWritable.class,
用步骤2的输出，按指定的maxCooccurrences参数值来修剪Vector的数目，目的是控制计算的规模，减少计算量
然后转为以userid_index为列号、itemid_index为行号、pref为值的矩阵，用MatrixEntryWritable表示矩阵。
输出为itemid_index,Matrix<userid_index,itemid_index,pref>
4.2、ToItemVectorsReducer.class,IntWritable.class,VectorWritable.class,
输出为itemid_index,Vector<userid_index,pref>，相当于对步骤2的结果进行了矩阵的转置，

有了偏好矩阵数据，接下来会调用RowSimilarityJob来计算行的相似度
此处的行是item，所以默认是item-base的CF。
但其实可以通过传入是否转置的参数来对步骤1进行调整，将userid和itemid转换，就可以实现user-base的CF。
此处也可以通过similarityClassname参数来指定用哪种算法来计算相似度。
RowSimilarityJob将通过接下来的3个步骤来实现：

5、用相似度算法给向量赋权
5.1、RowWeightMapper.class,VarIntWritable.class,WeightedOccurrence.class,
用相应的相似度算法来计算步骤4的输出，计算每个itemid_index所对应的Vector<userid_index,pref>的weight。
输出为userid_index,WeightedOccurrence<itemid_index,pref,weight>，WeightedOccurrence是一个简单的数据封装类。
5.2、WeightedOccurrencesPerColumnReducer.class,VarIntWritable.class,WeightedOccurrenceArray.class,
将Iterator<WeightedOccurrence>简单变为WeightedOccurrenceArray，后者只是简单继承了ArrayWritable。
最后输出结果为userid_index,WeightedOccurrenceArray，数组的数据项是WeightedOccurrence<itemid_index,pref,weight>

6、用相似度算法计算相似度，得到相似度矩阵
6.1、CooccurrencesMapper.class,WeightedRowPair.class,Cooccurrence.class,
取出步骤5的结果，将WeightedOccurrenceArray的数据双重循环，拼装如下的KV数据结构
WeightedRowPair<itemid_indexA,itemid_indexB,weightA,weightB>,Cooccurrence<userid_index,prefA,prefB>
6.2、SimilarityReducer.class,SimilarityMatrixEntryKey.class,DistributedRowMatrix.MatrixEntryWritable.class,
此步骤的Map输出，也即Reduce的输入是WeightedRowPair<itemid_indexA,itemid_indexB,weightA,weightB>, Iterator<Cooccurrence<userid_index,prefA,prefB>>
也即itemA和itemB的weight，以及不同user对itemA和itemB的pref。
相应的Similarity实例就可以利用以上数据计算itemA与itemB的相似度评分similarityValue
输出结果为SimilarityMatrixEntryKey<itemid_indexA,similarityValue>,Matrix<itemid_indexA,itemid_indexB,similarityValue>
也就是不同item和itemA的俩俩相似度，得到一个相似度矩阵

7、将相似度矩阵转为向量存储
7.1、Mapper.class,SimilarityMatrixEntryKey.class,DistributedRowMatrix.MatrixEntryWritable.class,
将步骤6的结果简单读入，item相似度矩阵
7.2、EntriesToVectorsReducer.class,IntWritable.class,VectorWritable.class,
输出为itemid_indexA,Vector<itemid_indexX,similarityValue>，Vector用SequentialAccessSparseVector存储。
也就是输出为不同的其他item与itemA之间的相似度值

8、PartialMultiply的预处理1，填充vector部分的数据
8.1、SimilarityMatrixRowWrapperMapper.class, VarIntWritable.class, VectorOrPrefWritable.class,
用步骤7的相似度数据，输出itemid_index,VectorOrPrefWritable(vector,null,null)
8.2、Reducer.class, VarIntWritable.class, VectorOrPrefWritable.class,
默认Reducer，直接输出Mapper的输出

9、PartialMultiply的预处理2，填充userid和pref部分的数据
9.1、UserVectorSplitterMapper.class, VarIntWritable.class, VectorOrPrefWritable.class,
如果提供了一个userid列表文件，Mapper初始化时会先读入该文件到FastIDSet<userid>中
如果userid不在这个Set中，则会直接return，也就是只会为该列表中的user做推荐
用步骤2的用户对各item的偏好数据，输出itemid_index,VectorOrPrefWritable(null,userid,pref)
9.2、Reducer.class, VarIntWritable.class, VectorOrPrefWritable.class,
默认Reducer，直接输出Mapper的输出

10、拼装两个PartialMultiply预处理的数据
10.1、Mapper.class, VarIntWritable.class, VectorOrPrefWritable.class,
用FileInputFormat.setInputPaths指定多个路径，将步骤8和9的输出同时作为输入
10.2、ToVectorAndPrefReducer.class, VarIntWritable.class, VectorAndPrefsWritable.class,
将VectorOrPrefWritable(vector,null,null)和VectorOrPrefWritable(null,userid,pref)
变为VectorAndPrefsWritable(vector,List<userid>,List<pref>)
最后的输出是itemid_index,VectorAndPrefsWritable(vector,List<userid>,List<pref>)

11、如果设置了item过滤文件则读取，作为黑名单
11.1、ItemFilterMapper.class, VarLongWritable.class, VarLongWritable.class,
简单读入item过滤文件，输出为itemid,userid，这相当于“黑”名单，用于后面推荐结果的过滤。
11.2、ItemFilterAsVectorAndPrefsReducer.class, VarIntWritable.class, VectorAndPrefsWritable.class,
输出为itemid_index,VectorAndPrefsWritable(vector,List<userid>,List<pref>)
其中vector的值为vector(itemid_index,Double.NaN)，pref的值都用1.0f来填充。
注意，vector的第二项数据，也即similarityValue被设置为Double.NaN，后面将会用这个来判断这是否是黑名单。

12、用相似度矩阵的PartialMultiply做推荐计算
12.1、PartialMultiplyMapper.class, VarLongWritable.class, PrefAndSimilarityColumnWritable.class,
如果步骤11存在，则用FileInputFormat.setInputPaths指定多个路径，将步骤10和11的输出同时作为输入
也即输入为itemid_index,VectorAndPrefsWritable(vector,List<userid>,List<pref>)，其中vector的值为Vector<itemid_index,similarityValue>
输出为userid,PrefAndSimilarityColumnWritable(pref,vector<itemid_index,similarityValue>)
12.2、AggregateAndRecommendReducer.class, VarLongWritable.class, RecommendedItemsWritable.class,
初始化时，会读入步骤1的结果，是一个HashMap<itemid_index,itemid>，也即index和itemid的映射
若设置了item白名单文件，则初始化时也会读入文件到FastIDSet<itemid>，推荐结果必须在这里边。和步骤11的黑名单相反。
Reducer在处理时会区分是否是booleanData而用不同的处理逻辑，此处我们主要讨论非booleanData，也即有实际pref数据的情况而不是默认用1.0f来填充的pref。
Reducer中进行PartialMultiply，按乘积得到的推荐度的大小取出最大的几个item。
处理的过程中需要将itemid_index通过HashMap转换回itemid，并且用“黑”“白”名单进行过滤。
白名单很容易理解，用集合是否为空和集合的contains()；
黑名单是判断Float.isNaN(similarityValue)，因为此前在步骤11的输出时黑名单的similarityValue被设置为了Double.NaN。

对于非booleanData，是用pref和相似度矩阵的PartialMultiply得到推荐度的值来进行排序。
而booleanData的pref值都是1.0f，所以去计算矩阵相乘的过程没有意义，直接累加相似度的值即可。
用这个数据排序就可得到推荐结果。
输出为userid,RecommendedItemsWritable，后者实际是List<RecommendedItem<itemid,pref>>，
这里的pref是相似度矩阵的PartialMultiply或是相似度累加计算出来的值而非实际值。

后注：
以上提到的FastIDSet，SequentialAccessSparseVector，RandomAccessSparseVector等等数据结构，
是Mahout提供的一些大数据量存储和处理的一些高效实现，
针对数据的特点而做的有针对性的优化，同时解决性能和空间的问题。
在Mahout in Action的讨论CF和Cluster等的“数据的表达”章节中有专门的阐述，此处不再详细解释。