XGBoost缺失值引发的问题及其深度分析

美团技术团队

发布于 2019-08-20 15:24:56

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背景

XGBoost模型作为机器学习中的一大“杀器”，被广泛应用于数据科学竞赛和工业领域，XGBoost官方也提供了可运行于各种平台和环境的对应代码，如适用于Spark分布式训练的XGBoost on Spark。然而，在XGBoost on Spark的官方实现中，却存在一个因XGBoost缺失值和Spark稀疏表示机制而带来的不稳定问题。

事情起源于美团内部某机器学习平台使用方同学的反馈，在该平台上训练出的XGBoost模型，使用同一个模型、同一份测试数据，在本地调用（Java引擎）与平台（Spark引擎）计算的结果不一致。但是该同学在本地运行两种引擎（Python引擎和Java引擎）进行测试，两者的执行结果是一致的。因此质疑平台的XGBoost预测结果会不会有问题？

该平台对XGBoost模型进行过多次定向优化，在XGBoost模型测试时，并没有出现过本地调用（Java引擎）与平台（Spark引擎）计算结果不一致的情形。而且平台上运行的版本，和该同学本地使用的版本，都来源于Dmlc的官方版本，JNI底层调用的应该是同一份代码，理论上，结果应该是完全一致的，但实际中却不同。

从该同学给出的测试代码上，并没有发现什么问题：

//测试结果中的一行，41列
double[] input = new double[]{1, 2, 5, 0, 0, 6.666666666666667, 31.14, 29.28, 0, 1.303333, 2.8555, 2.37, 701, 463, 3.989, 3.85, 14400.5, 15.79, 11.45, 0.915, 7.05, 5.5, 0.023333, 0.0365, 0.0275, 0.123333, 0.4645, 0.12, 15.082, 14.48, 0, 31.8425, 29.1, 7.7325, 3, 5.88, 1.08, 0, 0, 0, 32];
//转化为float[]
float[] testInput = new float[input.length];
for(int i = 0, total = input.length; i < total; i++){
  testInput[i] = new Double(input[i]).floatValue();
}
//加载模型
Booster booster = XGBoost.loadModel("${model}");
//转为DMatrix，一行，41列
DMatrix testMat = new DMatrix(testInput, 1, 41);
//调用模型
float[][] predicts = booster.predict(testMat);

上述代码在本地执行的结果是333.67892，而平台上执行的结果却是328.1694030761719。

两次结果怎么会不一样，问题出现在哪里呢？

执行结果不一致问题排查历程

如何排查？首先想到排查方向就是，两种处理方式中输入的字段类型会不会不一致。如果两种输入中字段类型不一致，或者小数精度不同，那结果出现不同就是可解释的了。仔细分析模型的输入，注意到数组中有一个6.666666666666667，是不是它的原因？

一个个Debug仔细比对两侧的输入数据及其字段类型，完全一致。

这就排除了两种方式处理时，字段类型和精度不一致的问题。

第二个排查思路是，XGBoost on Spark按照模型的功能，提供了XGBoostClassifier和XGBoostRegressor两个上层API，这两个上层API在JNI的基础上，加入了很多超参数，封装了很多上层能力。会不会是在这两种封装过程中，新加入的某些超参数对输入结果有着特殊的处理，从而导致结果不一致？

与反馈此问题的同学沟通后得知，其Python代码中设置的超参数与平台设置的完全一致。仔细检查XGBoostClassifier和XGBoostRegressor的源代码，两者对输出结果并没有做任何特殊处理。

再次排除了XGBoost on Spark超参数封装问题。

再一次检查模型的输入，这次的排查思路是，检查一下模型的输入中有没有特殊的数值，比方说，NaN、-1、0等。果然，输入数组中有好几个0出现，会不会是因为缺失值处理的问题？

快速找到两个引擎的源码，发现两者对缺失值的处理真的不一致！

XGBoost4j中缺失值的处理

XGBoost4j缺失值的处理过程发生在构造DMatrix过程中，默认将0.0f设置为缺失值：

  /**
   * create DMatrix from dense matrix
   *
   * @param data data values
   * @param nrow number of rows
   * @param ncol number of columns
   * @throws XGBoostError native error
   */
  public DMatrix(float[] data, int nrow, int ncol) throws XGBoostError {
    long[] out = new long[1];

    //0.0f作为missing的值
    XGBoostJNI.checkCall(XGBoostJNI.XGDMatrixCreateFromMat(data, nrow, ncol, 0.0f, out));

    handle = out[0];
  }

XGBoost on Spark中缺失值的处理

而XGBoost on Spark将NaN作为默认的缺失值。

  scala
  /**
   * @return A tuple of the booster and the metrics used to build training summary
   */
  @throws(classOf[XGBoostError])
  def trainDistributed(
      trainingDataIn: RDD[XGBLabeledPoint],
      params: Map[String, Any],
      round: Int,
      nWorkers: Int,
      obj: ObjectiveTrait = null,
      eval: EvalTrait = null,
      useExternalMemory: Boolean = false,

      //NaN作为missing的值
      missing: Float = Float.NaN,

      hasGroup: Boolean = false): (Booster, Map[String, Array[Float]]) = {
      //...
      }

也就是说，本地Java调用构造DMatrix时，如果不设置缺失值，默认值0被当作缺失值进行处理。而在XGBoost on Spark中，默认NaN会被为缺失值。原来Java引擎和XGBoost on Spark引擎默认的缺失值并不一样。而平台和该同学调用时，都没有设置缺失值，造成两个引擎执行结果不一致的原因，就是因为缺失值不一致！

修改测试代码，在Java引擎代码上设置缺失值为NaN，执行结果为328.1694，与平台计算结果完全一致。

    //测试结果中的一行，41列
    double[] input = new double[]{1, 2, 5, 0, 0, 6.666666666666667, 31.14, 29.28, 0, 1.303333, 2.8555, 2.37, 701, 463, 3.989, 3.85, 14400.5, 15.79, 11.45, 0.915, 7.05, 5.5, 0.023333, 0.0365, 0.0275, 0.123333, 0.4645, 0.12, 15.082, 14.48, 0, 31.8425, 29.1, 7.7325, 3, 5.88, 1.08, 0, 0, 0, 32];
    float[] testInput = new float[input.length];
    for(int i = 0, total = input.length; i < total; i++){
      testInput[i] = new Double(input[i]).floatValue();
    }
    Booster booster = XGBoost.loadModel("${model}");
    //一行，41列
    DMatrix testMat = new DMatrix(testInput, 1, 41, Float.NaN);
    float[][] predicts = booster.predict(testMat);

XGBoost on Spark源码中缺失值引入的不稳定问题

然而，事情并没有这么简单。

Spark ML中还有隐藏的缺失值处理逻辑：SparseVector，即稀疏向量。

SparseVector和DenseVector都用于表示一个向量，两者之间仅仅是存储结构的不同。其中，DenseVector就是普通的Vector存储，按序存储Vector中的每一个值。而SparseVector是稀疏的表示，用于向量中0值非常多场景下数据的存储。 SparseVector的存储方式是：仅仅记录所有非0值，忽略掉所有0值。具体来说，用一个数组记录所有非0值的位置，另一个数组记录上述位置所对应的数值。有了上述两个数组，再加上当前向量的总长度，即可将原始的数组还原回来。因此，对于0值非常多的一组数据，SparseVector能大幅节省存储空间。

SparseVector存储示例见下图：

如上图所示，SparseVector中不保存数组中值为0的部分，仅仅记录非0值。因此对于值为0的位置其实不占用存储空间。下述代码是Spark ML中VectorAssembler的实现代码，从代码中可见，如果数值是0，在SparseVector中是不进行记录的。

scala
    private[feature] def assemble(vv: Any*): Vector = {
    val indices = ArrayBuilder.make[Int]
    val values = ArrayBuilder.make[Double]
    var cur = 0
    vv.foreach {
      case v: Double =>

        //0不进行保存
        if (v != 0.0) {

          indices += cur
          values += v
        }
        cur += 1
      case vec: Vector =>
        vec.foreachActive { case (i, v) =>

          //0不进行保存
          if (v != 0.0) {

            indices += cur + i
            values += v
          }
        }
        cur += vec.size
      case null =>
        throw new SparkException("Values to assemble cannot be null.")
      case o =>
        throw new SparkException(s"$o of type ${o.getClass.getName} is not supported.")
    }
    Vectors.sparse(cur, indices.result(), values.result()).compressed
    }

不占用存储空间的值，也是某种意义上的一种缺失值。SparseVector作为Spark ML中的数组的保存格式，被所有的算法组件使用，包括XGBoost on Spark。而事实上XGBoost on Spark也的确将Sparse Vector中的0值直接当作缺失值进行处理：

scala
    val instances: RDD[XGBLabeledPoint] = dataset.select(
      col($(featuresCol)),
      col($(labelCol)).cast(FloatType),
      baseMargin.cast(FloatType),
      weight.cast(FloatType)
    ).rdd.map { case Row(features: Vector, label: Float, baseMargin: Float, weight: Float) =>
      val (indices, values) = features match {

        //SparseVector格式，仅仅将非0的值放入XGBoost计算
        case v: SparseVector => (v.indices, v.values.map(_.toFloat))

        case v: DenseVector => (null, v.values.map(_.toFloat))
      }
      XGBLabeledPoint(label, indices, values, baseMargin = baseMargin, weight = weight)
    }

XGBoost on Spark将SparseVector中的0值作为缺失值为什么会引入不稳定的问题呢？

重点来了，Spark ML中对Vector类型的存储是有优化的，它会自动根据Vector数组中的内容选择是存储为SparseVector，还是DenseVector。也就是说，一个Vector类型的字段，在Spark保存时，同一列会有两种保存格式：SparseVector和DenseVector。而且对于一份数据中的某一列，两种格式是同时存在的，有些行是Sparse表示，有些行是Dense表示。选择使用哪种格式表示通过下述代码计算得到：

scala
  /**
   * Returns a vector in either dense or sparse format, whichever uses less storage.
   */
  @Since("2.0.0")
  def compressed: Vector = {
    val nnz = numNonzeros
    // A dense vector needs 8 * size + 8 bytes, while a sparse vector needs 12 * nnz + 20 bytes.
    if (1.5 * (nnz + 1.0) < size) {
      toSparse
    } else {
      toDense
    }
  }

在XGBoost on Spark场景下，默认将Float.NaN作为缺失值。如果数据集中的某一行存储结构是DenseVector，实际执行时，该行的缺失值是Float.NaN。而如果数据集中的某一行存储结构是SparseVector，由于XGBoost on Spark仅仅使用了SparseVector中的非0值，也就导致该行数据的缺失值是Float.NaN和0。

也就是说，如果数据集中某一行数据适合存储为DenseVector，则XGBoost处理时，该行的缺失值为Float.NaN。而如果该行数据适合存储为SparseVector，则XGBoost处理时，该行的缺失值为Float.NaN和0。

即，数据集中一部分数据会以Float.NaN和0作为缺失值，另一部分数据会以Float.NaN作为缺失值！ 也就是说在XGBoost on Spark中，0值会因为底层数据存储结构的不同，同时会有两种含义，而底层的存储结构是完全由数据集决定的。

因为线上Serving时，只能设置一个缺失值，因此被选为SparseVector格式的测试集，可能会导致线上Serving时，计算结果与期望结果不符。

问题解决

查了一下XGBoost on Spark的最新源码，依然没解决这个问题。

赶紧把这个问题反馈给XGBoost on Spark，同时修改了我们自己的XGBoost on Spark代码。

scala
   val instances: RDD[XGBLabeledPoint] = dataset.select(
      col($(featuresCol)),
      col($(labelCol)).cast(FloatType),
      baseMargin.cast(FloatType),
      weight.cast(FloatType)
    ).rdd.map { case Row(features: Vector, label: Float, baseMargin: Float, weight: Float) =>

      //这里需要对原来代码的返回格式进行修改
      val values = features match {

        //SparseVector的数据，先转成Dense
        case v: SparseVector => v.toArray.map(_.toFloat)

        case v: DenseVector => v.values.map(_.toFloat)
      }
      XGBLabeledPoint(label, null, values, baseMargin = baseMargin, weight = weight)
    }

scala
    /**
     * Converts a [[Vector]] to a data point with a dummy label.
     *
     * This is needed for constructing a [[ml.dmlc.xgboost4j.scala.DMatrix]]
     * for prediction.
     */
    def asXGB: XGBLabeledPoint = v match {
      case v: DenseVector =>
        XGBLabeledPoint(0.0f, null, v.values.map(_.toFloat))
      case v: SparseVector =>

        //SparseVector的数据，先转成Dense
        XGBLabeledPoint(0.0f, null, v.toArray.map(_.toFloat))

    }

问题得到解决，而且用新代码训练出来的模型，评价指标还会有些许提升，也算是意外之喜。

希望本文对遇到XGBoost缺失值问题的同学能够有所帮助，也欢迎大家一起交流讨论。