如何让Hadoop结合R语言做大数据分析?

Python036

如何让Hadoop结合R语言做大数据分析?,第1张

R语言和Hadoop让我们体会到了,两种技术在各自领域的强大。很多开发人员在计算机的角度,都会提出下面2个问题。问题1: Hadoop的家族如此之强大,为什么还要结合R语言?\x0d\x0a问题2: Mahout同样可以做数据挖掘和机器学习,和R语言的区别是什么?下面我尝试着做一个解答:问题1: Hadoop的家族如此之强大,为什么还要结合R语言?\x0d\x0a\x0d\x0aa. Hadoop家族的强大之处,在于对大数据的处理,让原来的不可能(TB,PB数据量计算),成为了可能。\x0d\x0ab. R语言的强大之处,在于统计分析,在没有Hadoop之前,我们对于大数据的处理,要取样本,假设检验,做回归,长久以来R语言都是统计学家专属的工具。\x0d\x0ac. 从a和b两点,我们可以看出,hadoop重点是全量数据分析,而R语言重点是样本数据分析。 两种技术放在一起,刚好是最长补短!\x0d\x0ad. 模拟场景:对1PB的新闻网站访问日志做分析,预测未来流量变化\x0d\x0ad1:用R语言,通过分析少量数据,对业务目标建回归建模,并定义指标d2:用Hadoop从海量日志数据中,提取指标数据d3:用R语言模型,对指标数据进行测试和调优d4:用Hadoop分步式算法,重写R语言的模型,部署上线这个场景中,R和Hadoop分别都起着非常重要的作用。以计算机开发人员的思路,所有有事情都用Hadoop去做,没有数据建模和证明,”预测的结果”一定是有问题的。以统计人员的思路,所有的事情都用R去做,以抽样方式,得到的“预测的结果”也一定是有问题的。所以让二者结合,是产界业的必然的导向,也是产界业和学术界的交集,同时也为交叉学科的人才提供了无限广阔的想象空间。问题2: Mahout同样可以做数据挖掘和机器学习,和R语言的区别是什么?\x0d\x0a\x0d\x0aa. Mahout是基于Hadoop的数据挖掘和机器学习的算法框架,Mahout的重点同样是解决大数据的计算的问题。\x0d\x0ab. Mahout目前已支持的算法包括,协同过滤,推荐算法,聚类算法,分类算法,LDA, 朴素bayes,随机森林。上面的算法中,大部分都是距离的算法,可以通过矩阵分解后,充分利用MapReduce的并行计算框架,高效地完成计算任务。\x0d\x0ac. Mahout的空白点,还有很多的数据挖掘算法,很难实现MapReduce并行化。Mahout的现有模型,都是通用模型,直接用到的项目中,计算结果只会比随机结果好一点点。Mahout二次开发,要求有深厚的JAVA和Hadoop的技术基础,最好兼有 “线性代数”,“概率统计”,“算法导论” 等的基础知识。所以想玩转Mahout真的不是一件容易的事情。\x0d\x0ad. R语言同样提供了Mahout支持的约大多数算法(除专有算法),并且还支持大量的Mahout不支持的算法,算法的增长速度比mahout快N倍。并且开发简单,参数配置灵活,对小型数据集运算速度非常快。\x0d\x0a虽然,Mahout同样可以做数据挖掘和机器学习,但是和R语言的擅长领域并不重合。集百家之长,在适合的领域选择合适的技术,才能真正地“保质保量”做软件。\x0d\x0a\x0d\x0a如何让Hadoop结合R语言?\x0d\x0a\x0d\x0a从上一节我们看到,Hadoop和R语言是可以互补的,但所介绍的场景都是Hadoop和R语言的分别处理各自的数据。一旦市场有需求,自然会有商家填补这个空白。\x0d\x0a\x0d\x0a1). RHadoop\x0d\x0a\x0d\x0aRHadoop是一款Hadoop和R语言的结合的产品,由RevolutionAnalytics公司开发,并将代码开源到github社区上面。RHadoop包含三个R包 (rmr,rhdfs,rhbase),分别是对应Hadoop系统架构中的,MapReduce, HDFS, HBase 三个部分。\x0d\x0a\x0d\x0a2). RHiveRHive是一款通过R语言直接访问Hive的工具包,是由NexR一个韩国公司研发的。\x0d\x0a\x0d\x0a3). 重写Mahout用R语言重写Mahout的实现也是一种结合的思路,我也做过相关的尝试。\x0d\x0a\x0d\x0a4).Hadoop调用R\x0d\x0a\x0d\x0a上面说的都是R如何调用Hadoop,当然我们也可以反相操作,打通JAVA和R的连接通道,让Hadoop调用R的函数。但是,这部分还没有商家做出成形的产品。\x0d\x0a\x0d\x0a5. R和Hadoop在实际中的案例\x0d\x0a\x0d\x0aR和Hadoop的结合,技术门槛还是有点高的。对于一个人来说,不仅要掌握Linux, Java, Hadoop, R的技术,还要具备 软件开发,算法,概率统计,线性代数,数据可视化,行业背景 的一些基本素质。在公司部署这套环境,同样需要多个部门,多种人才的的配合。Hadoop运维,Hadoop算法研发,R语言建模,R语言MapReduce化,软件开发,测试等等。所以,这样的案例并不太多。

“参考网址1”中提到如果只是对整数运算(运算过程和结果都只使用整数),没有必要使用“double”(8 byte),而应该用更小的“integer”(4 byte)。使用storage.mode(x)查看对象存数的模式,storage.mode(x) <- 进行赋值;使用format(object.size(a), units = 'auto')查看对象占用的内存空间(此处有疑问,即在R中每个integer到底占用了多大的空间?)。

需要解释gc()函数,可以查看内存使用情况。同样,在清除了大的对象之后,使用gc()以释放内存使用空间。

李航在”参考网址2“中提到,对于大矩阵的操作,尽量避免使用cbind和rbind之类,因为这会让内存不停地分配空间。“对于长度增加的矩阵,尽量先定义一个大矩阵,然后逐步增加”和“注意清除中间对象”。

使用bigmemory家族:bigmemory, biganalytics, synchronicity, bigtabulate and bigalgebra, 同时还有

biglm。

bigmemory package的使用:

1. 建立big.memory对象

bigmemory采用C++的数据格式来“模仿”R中的matrix。

编写大数据格式文件时候,可以先建立filebacked.big.matrix

big.matrix(nrow, ncol, type = options()$bigmemory.default.type, init = NULL, dimnames = NULL, separated = FALSE, backingfile = NULL, backingpath = NULL, descriptorfile = NULL, shared = TRUE)

filebacked.big.matrix(nrow, ncol, type = options()$bigmemory.default.type, init = NULL, dimnames = NULL, separated = FALSE, backingfile = NULL, backingpath = NULL, descriptorfile = NULL)

as.big.matrix(x, type = NULL, separated = FALSE, backingfile = NULL, backingpath = NULL, descriptorfile = NULL, shared=TRUE)

使用注意:

big.matrix采用两种方式储存数据:一种是big.matrix默认的方式,如果内存空间比较大,可以尝试使用;另外一种是filebacked.big.matrix,这种储存方法可能会备份文件(file-backings),而且需要descriptor file;

“init”指矩阵的初始化数值,如果设定,会事先将设定的数值填充到矩阵中;如果不设置,将处理为NA

"type"是指在big.matrix中atomic element的储存格式,默认是“double”(8 byte),可以改为“integer”(4 byte), "short"(2 byte) or "char"(1 byte)。注意:这个包不支持字符串的储存,type = "char"是指ASCII码字母。

在big.matrix非常大的时候,避免使用rownames和colnames(并且bigmemory禁止用名称访问元素),因为这种做法非常占用内存。如果一定要改变,使用options(bigmemory.allow.dimnames=TRUE),之后colnames, rownames设置。

直接在命令提示符后输入x(x是一个big matrix),将返回x的描述,不会出现所有x中所有内容。因此,注意x[ , ](打印出矩阵全部内容);

如果big.matrix有很多列,那么应该将其转置后储存;(不推荐)或者将参数“separated”设置为TRUE,这样就将每一列分开储存。否则,将用R的传统方式(column major的方式)储存数据。

如果建立一个filebacked.big.matrix,那么需要指定backingfile的名称和路径+descriptorfile。可能多个big.matrix对象对应唯一一个descriptorfile,即如果descriptorfile改变,所以对应的big.matrix随之改变;同样,decriptorfile随着big.matrix的改变而改变;如果想维持一种改变,需要重新建立一个filebacked.big.matrix。attach.big.matrix(descriptorfile or describe(big.matrix))函数用于将一个descriptorfile赋值给一个big.matrix。这个函数很好用,因为每次在创建一个filebacked.big.matrix后,保存R并退出后,先前创建的矩阵会消失,需要再attach.big.matrix以下

2. 对big.matrix的列的特定元素进行条件筛选

对内存没有限制;而且比传统的which更加灵活(赞!)

mwhich(x, cols, vals, comps, op = 'AND')

x既可以是big.matrix,也可以是传统的R对象;

cols:行数

vals:cutoff,可以设定两个比如c(1, 2)

comps:'eq'(==), 'neq'(!=), 'le'(<), 'lt'(<=), 'ge'(>) and 'gt'(>=)

op:“AND”或者是“OR”

可以直接比较NA,Inf和-Inf

3.bigmemory中其他函数

nrow, ncol, dim, dimnames, tail, head, typeof继承base包

big.matrix, is.big.matrix, as.big.matrix, attach.big.matrix, describe, read.big.matrix, write.big.matrix, sub.big.matrix, is.sub.big.matrix为特有的big.matrix文件操作;filebacked.big.matrix, is.filebacked(判断big.matrix是否硬盘备份) , flush(将filebacked的文件刷新到硬盘备份上)是filebacked的big.matrix的操作。

mwhich增强base包中的which, morder增强order,mpermute(对matrix中的一列按照特定序列操作,但是会改变原来对象,这是为了避免内存溢出)

big.matrix对象的copy使用deepcopy(x, cols = NULL, rows = NULL, y = NULL, type = NULL, separated = NULL, backingfile = NULL, backingpath = NULL, descriptorfile = NULL, shared=TRUE)

biganalytics package的使用

biganalytics主要是一些base基本函数的扩展,主要有max, min, prod, sum, range, colmin, colmax, colsum, colprod, colmean, colsd, colvar, summary, apply(只能用于行或者列,不能用行列同时用)等

比较有特色的是bigkmeans的聚类

剩下的biglm.big.matrix和bigglm.big.matrix可以参考Lumley's biglm package。

bigtabulate package的使用

并行计算限制的突破:

使用doMC家族:doMC, doSNOW, doMPI, doRedis, doSMP和foreach packages.

foreach package的使用

foreach(..., .combine, .init, .final=NULL, .inorder=TRUE, .multicombine=FALSE, .maxcombine=if (.multicombine) 100 else 2, .errorhandling=c('stop', 'remove', 'pass'), .packages=NULL, .export=NULL, .noexport=NULL, .verbose=FALSE)

foreach的特点是可以进行并行运算,如在NetWorkSpace和snow?

%do%严格按照顺序执行任务(所以,也就非并行计算),%dopar%并行执行任务

...:指定循环的次数;

.combine:运算之后结果的显示方式,default是list,“c”返回vector, cbind和rbind返回矩阵,"+"和"*"可以返回rbind之后的“+”或者“*”

.init:.combine函数的第一个变量

.final:返回最后结果

.inorder:TRUE则返回和原始输入相同顺序的结果(对结果的顺序要求严格的时候),FALSE返回没有顺序的结果(可以提高运算效率)。这个参数适合于设定对结果顺序没有需求的情况。

.muticombine:设定.combine函数的传递参数,default是FALSE表示其参数是2,TRUE可以设定多个参数

.maxcombine:设定.combine的最大参数

.errorhandling:如果循环中出现错误,对错误的处理方法

.packages:指定在%dopar%运算过程中依赖的package(%do%会忽略这个选项)。

getDoParWorkers( ) :查看注册了多少个核,配合doMC package中的registerDoMC( )使用

getDoParRegistered( ) :查看doPar是否注册;如果没有注册返回FALSE

getDoParName( ) :查看已经注册的doPar的名字

getDoParVersion( ):查看已经注册的doPar的version

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# foreach的循环次数可以指定多个变量,但是只用其中最少?的

>foreach(a = 1:10, b = rep(10, 3)) %do% (a*b)

[[1]]

[1] 10

[[2]]

[1] 20

[[3]]

[1] 30

# foreach中.combine的“+”或者“*”是cbind之后的操作;这也就是说"expression"返回一个向量,会对向量+或者*

>foreach(i = 1:4, .combine = "+") %do% 2

[1] 8

>foreach(i = 1:4, .combine = "rbind") %do% rep(2, 5)

[,1] [,2] [,3] [,4] [,5]

result.122222

result.222222

result.322222

result.422222

>foreach(i = 1:4, .combine = "+") %do% rep(2, 5)

[1] 8 8 8 8 8

>foreach(i = 1:4, .combine = "*") %do% rep(2, 5)

[1] 16 16 16 16 16

=============================================

iterators package的使用

iterators是为了给foreach提供循环变量,每次定义一个iterator,它都内定了“循环次数”和“每次循环返回的值”,因此非常适合结合foreach的使用。

iter(obj, ...):可以接受iter, vector, matrix, data.frame, function。

nextElem(obj, ...):接受iter对象,显示对象数值。

以matrix为例,

iter(obj, by=c('column', 'cell', 'row'), chunksize=1L, checkFunc=function(...) TRUE, recycle=FALSE, ...)

by:按照什么顺序循环;matrix和data.frame都默认是“row”,“cell”是按列依次输出(所以对于“cell”,chunksize只能指定为默认值,即1)

chunksize:每次执行函数nextElem后,按照by的设定返回结果的长度。如果返回结构不够,将取剩余的全部。

checkFunc=function(...) TRUE:执行函数checkFun,如果返回TRUE,则返回;否则,跳过。

recycle:设定在nextElem循环到底(“错误: StopIteration”)是否要循环处理,即从头再来一遍。

以function为例

iter(function()rnorm(1)),使用nextElem可以无限重复;但是iter(rnorm(1)),只能来一下。

更有意思的是对象如果是iter,即test1 <- iter(obj)test2 <- iter(test1),那么这两个对象是连在一起的,同时变化。

==============================================

>a

[,1] [,2] [,3] [,4] [,5]

[1,]159 13 17

[2,]26 10 14 18

[3,]37 11 15 19

[4,]48 12 16 20

>i2 <- iter(a, by = "row", chunksize=3)

>nextElem(i2)

[,1] [,2] [,3] [,4] [,5]

[1,]159 13 17

[2,]26 10 14 18

[3,]37 11 15 19

>nextElem(i2) #第二次iterate之后,只剩下1行,全部返回

[,1] [,2] [,3] [,4] [,5]

[1,]48 12 16 20

>i2 <- iter(a, by = "column", checkFunc=function(x) sum(x) >50)

>nextElem(i2)

[,1]

[1,] 13

[2,] 14

[3,] 15

[4,] 16

>nextElem(i2)

[,1]

[1,] 17

[2,] 18

[3,] 19

[4,] 20

>nextElem(i2)

错误: StopIteration

>colSums(a)

[1] 10 26 42 58 74

>testFun <- function(x){return(x+2)}

>i2 <- iter(function()testFun(1))

>nextElem(i2)

[1] 3

>nextElem(i2)

[1] 3

>nextElem(i2)

[1] 3

>i2 <- iter(testFun(1))

>nextElem(i2)

[1] 3

>nextElem(i2)

错误: StopIteration

>i2 <- iter(testFun(1))

>i3 <- iter(i2)

>nextElem(i3)

[1] 3

>nextElem(i2)

错误: StopIteration

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iterators package中包括

irnorm(..., count);irunif(..., count);irbinom(..., count);irnbinom(..., count);irpois(..., count)中内部生成iterator的工具,分别表示从normal,uniform,binomial,negativity binomial和Poisson分布中随机选取N个元素,进行count次。其中,negative binomial分布:其概率积累函数(probability mass function)为掷骰子,每次骰子为3点的概率为p,在第r+k次恰好出现r次的概率。

icount(count)可以生成1:conunt的iterator;如果count不指定,将从无休止生成1:Inf

icountn(vn)比较好玩,vn是指一个数值向量(如果是小数,则向后一个数取整,比如2.3 -->3)。循环次数为prod(vn),每次返回的向量中每个元素都从1开始,不超过设定 vn,变化速率从左向右依次递增。

idiv(n, ..., chunks, chunkSize)返回截取从1:n的片段长度,“chunks”和“chunkSize”不能同时指定,“chunks”为分多少片段(长度从大到小),“chunkSize”为分段的最大长度(长度由大到小)

iapply(X, MARGIN):与apply很像,MARGIN中1是row,2是column

isplit(x, f, drop=FALSE, ...):按照指定的f划分矩阵

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>i2 <- icountn(c(3.4, 1.2))

>nextElem(i2)

[1] 1 1

>nextElem(i2)

[1] 2 1

>nextElem(i2)

[1] 3 1

>nextElem(i2)

[1] 4 1

>nextElem(i2)

[1] 1 2

>nextElem(i2)

[1] 2 2

>nextElem(i2)

[1] 3 2

>nextElem(i2)

[1] 4 2

>nextElem(i2)

错误: StopIteration

1、从分类上,两种语言各有优势:

(1)python的优势不在于运行效率,而在于开发效率和高可维护性。在数据的载入和分发,python是很高效的;如果是求一些常用的统计量和求一些基本算法的结果,python也有现成的高效的库;如果是纯粹自己写的算法,没有任何其他可借鉴的,什么库也用不上,用纯python写是自讨苦吃。

(2)R 主要是统计学家为解决数据分析领域问题而开发的语言,R 语言的优势则是在于:

统计学家和几乎覆盖整个统计领域的前沿算法(3700+ 扩展包);开放的源代码(free, in both senses),可以部署在任何操作系统,比如 Windows, Linux, Mac OS X, BSD, Unix强大的社区支持;高质量、广泛的统计分析、数据挖掘平台;重复性的分析工作(Sweave = R + LATEX),借助 R 语言的强大的分析能力 + LaTeX 完美的排版能力,可以自动生成分析报告;方便的扩展性,包括可通过相应接口连接数据库,如 Oracle、DB2、MySQL、同 Python、Java、C、C++ 等语言进行互调,提供 API 接口均可以调用,比如 Google、Twitter、Weibo,其他统计软件大部分均可调用 R,比如 SAS、SPSS、Statistica等,甚至一些比较直接的商业应用,比如 Oracle R Enterprise, IBM Netezza, R add-on for Teradata, SAP HANA, Sybase RAP。

2、关于如何优雅地处理,则是一项艺术家的工作,如果有看过TED演讲的话,可以看到很多可视化的数据分析结果,这些都是非常cool的。

3、综上所述,首先,要针对特定的问题分清楚问题的核心,和研究的方法;然后,挑选合适的工具,进行分析;最后,则是通过艺术家般的想象力,通过数据可视化表达清楚。