Apache Spark 1.5发布，MLlib新特性详解

MLlib最大的变化就是从一个机器学习的library开始转向构建一个机器学习工作流的系统，这些变化发生在ML包里面。MLlib模块下现在有两个包：MLlib和ML。ML把整个机器学习的过程抽象成Pipeline，一个Pipeline是由多个Stage组成，每个Stage是Transformer或者Estimator。

以前机器学习工程师要花费大量时间在training model之前的feature的抽取、转换等准备工作。ML提供了多个Transformer，极大提高了这些工作的效率。在1.5版本之后，已经有了25+个feature transformer，其中CountVectorizer, Discrete Cosine Transformation, MinMaxScaler, NGram, PCA, RFormula, StopWordsRemover, and VectorSlicer这些feature transformer都是1.5版本新添加的，做机器学习的朋友可以看看哪些满足你的需求。

这里面的一个亮点就是RFormula的支持，目标是使用户可以把原来用R写的机器学习程序（目前只支持GLM算法）不用修改直接搬到Spark平台上来执行。不过目前只支持集中简单的R公式(包括'.', '~', '+'和 '-')，社区在接下来的版本中会增强这项功能。

另外越来越多的算法也作为Estimator搬到了ML下面，在1.5版本中新搬过来的有Naive Bayes, K-means, Isotonic Regression等。大家不要以为只是简单的在ML下面提供一个调用相应算法的API，这里面变换还是挺多的。例如Naive Bayes原来的模型分别用Array[Double>和Array[Array[Double]]来存储pi和theta，而在ML下面新的API里面使用的是Vector和Matrix来存储。从这也可以看出，新的ML框架下所有的数据源都是基于DataFrame，所有的模型也尽量都基于Spark的数据类型表示。在ML里面的public API下基本上看不到对RDD的直接操作了，这也与Tungsten项目的设计目标是一致的。

除了这些既有的算法在ML API下的实现，ML里面也增加了几个新算法：

1. MultilayerPerceptronClassifier(MLPC) 这是一个基于前馈神经网络的分类器，它是一种在输入层与输出层之间含有一层或多层隐含结点的具有正向传播机制的神经网络模型，中间的节点使用sigmoid (logistic)函数，输出层的节点使用softmax函数。输出层的节点的数目表示分类器有几类。MLPC学习过程中使用BP算法，优化问题抽象成logistic loss function并使用L-BFGS进行优化。
2. MLlib包里面增加了一个频繁项挖掘算法PrefixSpan，AssociationRules能够把FreqItemset生成关联式规则。
3. 在MLlib的统计包里面实现了Kolmogorov–Smirnov检验，用以检验两个经验分布是否不同或一个经验分布与另一个理想分布是否不同。
4. 另外还有一些现有算法的增强：LDA算法，决策树和ensemble算法，GMM算法。
5. ML里面的多个分类模型现在都支持预测结果的概率而不像过去只支持预测结果，像LogisticRegressionModel, NaiveBayesModel, DecisionTreeClassificationModel, RandomForestClassificationModel, GBTClassificationModel等，分别使用predictRaw, predictProbability, predict分别可以得到原始预测、概率预测和最后的分类预测。同时这些分类模型也支持通过设置thresholds指定各个类的阈值。
6. RandomForestClassificationModel和RandomForestRegressionModel模型都支持输出feature importance
7. GMM EM算法实现了当feature维度或者cluster数目比较大的时候的分布式矩阵求逆计算。实验表明当feature维度>30，cluster数目>10的时候，这个优化性能提升明显。
8. 对于LinearRegressionModel和LogisticRegressionModel实现了LinearRegressionTrainingSummary和LogisticRegressionTrainingSummary用来记录模型训练过程中的一些统计指标。

1.5版本的Python API也在不断加强，越来越多的算法和功能的Python API基本上与Scala API对等了。此外在tuning和evaluator上也有增强。