使用 Spark MLlib 做 K-means 聚类分析（1）

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引言提起机器学习 (Machine                                Learning)，相信很多计算机从业者都会对这个技术方向感到兴奋。然而学习并使用机器学习算法来处理数据却是一项复杂的工作，需要充足的知识储备，如概率论，数理统计，数值逼近，最优化理论等。机器学习旨在使计算机具有人类一样的学习能力和模仿能力，这也是实现人工智能的核心思想和方法。传统的机器学习算法，由于技术和单机存储的限制，只能在少量数据上使用，随着 HDFS(Hadoop                                Distributed File                                System) 等分布式文件系统出现，存储海量数据已经成为可能。然而由于 MapReduce 自身的限制，使得使用 MapReduce 来实现分布式机器学习算法非常耗时和消耗磁盘容量。因为通常情况下机器学习算法参数学习的过程都是迭代计算的，即本次计算的结果要作为下一次迭代的输入，这个过程中，如果使用 MapReduce，我们只能把中间结果存储磁盘，然后在下一次计算的时候从新读取，这对于迭代                                频发的算法显然是致命的性能瓶颈。Spark 立足于内存计算，天然的适应于迭代式计算，相信对于这点，读者通过前面几篇文章已经有了较为深入的了解。然而即便这样，对于普通开发者来说，实现一个分布式机器学习算法仍然是一件极具挑战的事情。MLlib 正是为了让基于海量数据的机器学习变得更加简单，它提供了常用机器学习算法的分布式实现，开发者只需要有 Spark 基础并且了解机器学习算法的原理，以及方法相关参数的含义，就可以轻松的通过调用相应的 API 来实现基于海量数据的机器学习过程。当然，原始数据 ETL，特征指标提取，调节参数并优化学习过程，这依然需要有足够的行业知识和数据敏感度，这往往也是经验的体现。本文的重点在于向读者介绍如何使用 MLlib 机器学习库提供的 K-means 算法做聚类分析，这是一个有意义的过程，相信会对读者特别是初学者有启发意义。
Spark 机器学习库简介Spark                                机器学习库提供了常用机器学习算法的实现，包括聚类，分类，回归，协同过滤，维度缩减等。使用 Spark 机器学习库来做机器学习工作，可以说是非常的简单，通常只需要在对原始数据进行处理后，然后直接调用相应的 API 就可以实现。但是要想选择合适的算法，高效准确地对数据进行分析，您可能还需要深入了解下算法原理，以及相应 Spark                                MLlib API 实现的参数的意义。
需要提及的是，Spark 机器学习库从 1.2 版本以后被分为两个包，分别是：

• spark.mllib

Spark MLlib                                历史比较长了，1.0 以前的版本中已经包含了，提供的算法实现都是基于原始的 RDD，从学习角度上来讲，其实比较容易上手。如果您已经有机器学习方面的经验，那么您只需要熟悉下 MLlib 的 API 就可以开始数据分析工作了。想要基于这个包提供的工具构建完整并且复杂的机器学习流水线是比较困难的。

• spark.ml

Spark ML Pipeline 从 Spark1.2 版本开始，目前已经从 Alpha 阶段毕业，成为可用并且较为稳定的新的机器学习库。ML Pipeline                                弥补了原始 MLlib 库的不足，向用户提供了一个基于 DataFrame 的机器学习工作流式 API 套件，使用 ML Pipeline                                API，我们可以很方便的把数据处理，特征转换，正则化，以及多个机器学习算法联合起来，构建一个单一完整的机器学习流水线。显然，这种新的方式给我们提供了更灵活的方法，而且这也更符合机器学习过程的特点。
从官方文档来看，Spark ML Pipeline 虽然是被推荐的机器学习方式，但是并不会在短期内替代原始的 MLlib 库，因为 MLlib 已经包含了丰富稳定的算法实现，并且部分 ML                                Pipeline 实现基于 MLlib。而且就笔者看来，并不是所有的机器学习过程都需要被构建成一个流水线，有时候原始数据格式整齐且完整，而且使用单一的算法就能实现目标，我们就没有必要把事情复杂化，采用最简单且容易理解的方式才是正确的选择。
本文基于 Spark 1.5，向读者展示使用 MLlib API 进行聚类分析的过程。读者将会发现，使用 MLlib                                API 开发机器学习应用方式是比较简单的，相信本文可以使读者建立起信心并掌握基本方法，以便在后续的学习和工作中事半功倍。
K-means 聚类算法原理聚类分析是一个无监督学习 (Unsupervised Learning) 过程, 一般是用来对数据对象按照其特征属性进行分组，经常被应用在客户分群，欺诈检测，图像分析等领域。K-means                                应该是最有名并且最经常使用的聚类算法了，其原理比较容易理解，并且聚类效果良好，有着广泛的使用。
和诸多机器学习算法一样，K-means 算法也是一个迭代式的算法，其主要步骤如下:

• 第一步，选择 K 个点作为初始聚类中心。
•                                         第二步，计算其余所有点到聚类中心的距离，并把每个点划分到离它最近的聚类中心所在的聚类中去。在这里，衡量距离一般有多个函数可以选择，最常用的是欧几里得距离 (Euclidean Distance), 也叫欧式距离。公式如下：

其中 C 代表中心点，X 代表任意一个非中心点。

• 第三步，重新计算每个聚类中所有点的平均值，并将其作为新的聚类中心点。
• 最后，重复 (二)，(三) 步的过程，直至聚类中心不再发生改变，或者算法达到预定的迭代次数，又或聚类中心的改变小于预先设定的阀值。

在实际应用中，K-means 算法有两个不得不面对并且克服的问题。

• 聚类个数 K 的选择。K 的选择是一个比较有学问和讲究的步骤，我们会在后文专门描述如何使用 Spark 提供的工具选择 K。
• 初始聚类中心点的选择。选择不同的聚类中心可能导致聚类结果的差异。

Spark MLlib K-means 算法的实现在初始聚类点的选择上，借鉴了一个叫 K-means||的类 K-means++ 实现。K-means++ 算法在初始点选择上遵循一个基本原则:                                初始聚类中心点相互之间的距离应该尽可能的远。基本步骤如下:

• 第一步，从数据集 X 中随机选择一个点作为第一个初始点。
• 第二步，计算数据集中所有点与最新选择的中心点的距离 D(x)。
•                                         第三步，选择下一个中心点，使得最大。
• 第四部，重复 (二),(三) 步过程，直到 K 个初始点选择完成。