京公网安备 11010802034615号
经营许可证编号:京B2-20210330
MapReduce为大数据挖掘提供了有力的支持,但是复杂的挖掘算法往往需要多个MapReduce作业才能完成,多个作业之间存在着冗余的磁盘读写开销和多次资源申请过程,使得基于MapReduce的算法实现存在严重的性能问题。后起之秀Spark得益于其在迭代计算和内存计算上的优势,可以自动调度复杂的计算任务,避免中间结果的磁盘读写和资源申请过程,非常适合数据挖掘算法。腾讯TDW Spark平台基于社区最新Spark版本进行深度改造,在性能、稳定和规模方面都得到了极大的提高,为大数据挖掘任务提供了有力的支持。
本文将介绍基于物品的协同过滤推荐算法案例在TDW Spark与MapReudce上的实现对比,相比于MapReduce,TDW Spark执行时间减少了66%,计算成本降低了40%。
算法介绍
互联网的发展导致了信息爆炸。面对海量的信息,如何对信息进行刷选和过滤,将用户最关注最感兴趣的信息展现在用户面前,已经成为了一个亟待解决的问题。推荐系统可以通过用户与信息之间的联系,一方面帮助用户获取有用的信息,另一方面又能让信息展现在对其感兴趣的用户面前,实现了信息提供商与用户的双赢。
协同过滤推荐(Collaborative Filtering Recommendation)算法是最经典最常用的推荐算法,算法通过分析用户兴趣,在用户群中找到指定用户的相似用户,综合这些相似用户对某一信息的评价,形成系统对该指定用户对此信息的喜好程度预测。协同过滤可细分为以下三种:
User-based CF: 基于User的协同过滤,通过不同用户对Item的评分来评测用户之间的相似性,根据用户之间的相似性做出推荐;
Item-based CF: 基于Item的协同过滤,通过用户对不同Item的评分来评测Item之间的相似性,根据Item之间的相似性做出推荐;
Model-based CF: 以模型为基础的协同过滤(Model-based Collaborative Filtering)是先用历史资料得到一个模型,再用此模型进行预测推荐。
问题描述
输入数据格式:Uid,ItemId,Rating (用户Uid对ItemId的评分)。
输出数据:每个ItemId相似性最高的前N个ItemId。
由于篇幅限制,这里我们只选择基于Item的协同过滤算法解决这个例子。
算法逻辑
基于Item的协同过滤算法的基本假设为两个相似的Item获得同一个用户的好评的可能性较高。因此,该算法首先计算用户对物品的喜好程度,然后根据用户的喜好计算Item之间的相似度,最后找出与每个Item最相似的前N个Item。该算法的详细描述如下:
计算用户喜好:不同用户对Item的评分数值可能相差较大,因此需要先对每个用户的评分做二元化处理,例如对于某一用户对某一Item的评分大于其给出的平均评分则标记为好评1,否则为差评0。
计算Item相似性:采用Jaccard系数作为计算两个Item的相似性方法。狭义Jaccard相似度适合计算两个集合之间的相似程度,计算方法为两个集合的交集除以其并集,具体的分为以下三步。
1) Item好评数统计,统计每个Item的好评用户数。
2) Item好评键值对统计,统计任意两个有关联Item的相同好评用户数。
3) Item相似性计算,计算任意两个有关联Item的相似度。
找出最相似的前N个Item。这一步中,Item的相似度还需要归一化后整合,然后求出每个Item最相似的前N个Item,具体的分为以下三步。
1) Item相似性归一化。
2) Item相似性评分整合。
3) 获取每个Item相似性最高的前N个Item。
基于MapReduce的实现方案
使用MapReduce编程模型需要为每一步实现一个MapReduce作业,一共存在包含七个MapRduce作业。每个MapReduce作业都包含Map和Reduce,其中Map从HDFS读取数,输出数据通过Shuffle把键值对发送到Reduce,Reduce阶段以<key,iterator>作为输入,输出经过处理的键值对到HDFS。其运行原理如图1 所示。
七个MapReduce作业意味着需要七次读取和写入HDFS,而它们的输入输出数据存在关联,七个作业输入输出数据关系如图2所示。
基于MapReduce实现此算法存在以下问题:
为了实现一个业务逻辑需要使用七个MapReduce作业,七个作业间的数据交换通过HDFS完成,增加了网络和磁盘的开销。
七个作业都需要分别调度到集群中运行,增加了Gaia集群的资源调度开销。
MR2和MR3重复读取相同的数据,造成冗余的HDFS读写开销。
这些问题导致作业运行时间大大增长,作业成本增加。
基于Spark的实现方案
相比与MapReduce编程模型,Spark提供了更加灵活的DAG(Directed Acyclic Graph) 编程模型, 不仅包含传统的map、reduce接口, 还增加了filter、flatMap、union等操作接口,使得编写Spark程序更加灵活方便。使用Spark编程接口实现上述的业务逻辑如图3所示。
相对于MapReduce,Spark在以下方面优化了作业的执行时间和资源使用。
DAG编程模型。 通过Spark的DAG编程模型可以把七个MapReduce简化为一个Spark作业。Spark会把该作业自动切分为八个Stage,每个Stage包含多个可并行执行的Tasks。Stage之间的数据通过Shuffle传递。最终只需要读取和写入HDFS一次。减少了六次HDFS的读写,读写HDFS减少了70%。
Spark作业启动后会申请所需的Executor资源,所有Stage的Tasks以线程的方式运行,共用Executors,相对于MapReduce方式,Spark申请资源的次数减少了近90%。
Spark引入了RDD(Resilient Distributed Dataset)模型,中间数据都以RDD的形式存储,而RDD分布存储于slave节点的内存中,这就减少了计算过程中读写磁盘的次数。RDD还提供了Cache机制,例如对上图的rdd3进行Cache后,rdd4和rdd7都可以访问rdd3的数据。相对于MapReduce减少MR2和MR3重复读取相同数据的问题。
效果对比
测试使用相同规模的资源,其中MapReduce方式包含200个Map和100个Reduce,每个Map和Reduce配置4G的内存; 由于Spark不再需要Reduce资源, 而MapReduce主要逻辑和资源消耗在Map端,因此使用200和400个Executor做测试,每个Executor包含4G内存。测试结果如下表所示,其中输入记录约38亿条。
运行模式计算资源运行时间(min)成本(Slot*秒)
MapReduce200 Map+100 Reduce(4G)120693872
Spark200 Executor(4G)33396000
Spark400 Executor(4G)21504000
对比结果表的第一行和第二行,Spark运行效率和成本相对于MapReduce方式减少非常明显,其中,DAG模型减少了70%的HDFS读写、cache减少重复数据的读取,这两个优化即能减少作业运行时间又能降低成本;而资源调度次数的减少能提高作业的运行效率。
对比结果表的第二行和第三行,增加一倍的Executor数目,作业运行时间减少约50%,成本增加约25%,从这个结果看到,增加Executor资源能有效的减少作业的运行时间,但并没有做到完全线性增加。这是因为每个Task的运行时间并不是完全相等的, 例如某些task处理的数据量比其他task多;这可能导致Stage的最后时刻某些Task未结束而无法启动下一个Stage,另一方面作业是一直占有Executor的,这时候会出现一些Executor空闲的状况,于是导致了成本的增加。CDA数据分析师培训官网
小结
数据挖掘类业务大多具有复杂的处理逻辑,传统的MapReduce/Pig类框架在应对此类数据处理任务时存在着严重的性能问题。针对这些任务,如果利用Spark的迭代计算和内存计算优势,将会大幅降低运行时间和计算成本。TDW目前已经维护了千台规模的Spark集群,并且会在资源利用率、稳定性和易用性等方面做进一步的提升和改进,为业务提供更有利的支持。
数据分析咨询请扫描二维码
若不方便扫码,搜微信号:CDAshujufenxi
在数据工作的全流程中,数据清洗是最基础、最耗时,同时也是最关键的核心环节,无论后续是做常规数据分析、可视化报表,还是开展 ...
2026-03-20在大数据与数据驱动决策的当下,“数据分析”与“数据挖掘”是高频出现的两个核心概念,也是很多职场人、入门学习者容易混淆的术 ...
2026-03-20在CDA(Certified Data Analyst)数据分析师的全流程工作闭环中,统计制图是连接严谨统计分析与高效业务沟通的关键纽带,更是CDA ...
2026-03-20在MySQL数据库优化中,分区表是处理海量数据的核心手段——通过将大表按分区键(如时间、地域、ID范围)分割为多个独立的小分区 ...
2026-03-19在商业智能与数据可视化领域,同比、环比增长率是分析数据变化趋势的核心指标——同比(YoY)聚焦“长期趋势”,通过当前周期与 ...
2026-03-19在数据分析与建模领域,流传着一句行业共识:“数据决定上限,特征决定下限”。对CDA(Certified Data Analyst)数据分析师而言 ...
2026-03-19机器学习算法工程的核心价值,在于将理论算法转化为可落地、可复用、高可靠的工程化解决方案,解决实际业务中的痛点问题。不同于 ...
2026-03-18在动态系统状态估计与目标跟踪领域,高精度、高鲁棒性的状态感知是机器人导航、自动驾驶、工业控制、目标检测等场景的核心需求。 ...
2026-03-18“垃圾数据进,垃圾结果出”,这是数据分析领域的黄金法则,更是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师日常工作中时刻恪守的 ...
2026-03-18在机器学习建模中,决策树模型因其结构直观、易于理解、无需复杂数据预处理等优势,成为分类与回归任务的首选工具之一。而变量重 ...
2026-03-17在数据分析中,卡方检验是一类基于卡方分布的假设检验方法,核心用于分析分类变量之间的关联关系或实际观测分布与理论期望分布的 ...
2026-03-17在数字化转型的浪潮中,企业积累的数据日益庞大且分散——用户数据散落在注册系统、APP日志、客服记录中,订单数据分散在交易平 ...
2026-03-17在数字化时代,数据分析已成为企业决策、业务优化、增长突破的核心支撑,从数据仓库搭建(如维度表与事实表的设计)、数据采集清 ...
2026-03-16在数据仓库建设、数据分析(尤其是用户行为分析、业务指标分析)的实践中,维度表与事实表是两大核心组件,二者相互依存、缺一不 ...
2026-03-16数据是CDA(Certified Data Analyst)数据分析师开展一切工作的核心载体,而数据读取作为数据生命周期的关键环节,是连接原始数 ...
2026-03-16在用户行为分析实践中,很多从业者会陷入一个核心误区:过度关注“当前数据的分析结果”,却忽视了结果的“泛化能力”——即分析 ...
2026-03-13在数字经济时代,用户的每一次点击、浏览、停留、转化,都在传递着真实的需求信号。用户行为分析,本质上是通过收集、整理、挖掘 ...
2026-03-13在金融、零售、互联网等数据密集型行业,量化策略已成为企业挖掘商业价值、提升决策效率、控制经营风险的核心工具。而CDA(Certi ...
2026-03-13在机器学习建模体系中,随机森林作为集成学习的经典算法,凭借高精度、抗过拟合、适配多场景、可解释性强的核心优势,成为分类、 ...
2026-03-12在机器学习建模过程中,“哪些特征对预测结果影响最大?”“如何筛选核心特征、剔除冗余信息?”是从业者最常面临的核心问题。随 ...
2026-03-12