利用LDA进行文本聚类(hadoop, mahout)

我爱小虾

　　项目原理概述
　　利用sqoop将数据从MySQL导入到HDFS中,利用mahout的LDA的cvb实现对输入数据进行聚类,并将结果更新到数据库中。数据流向图如下

　　mahout算法分析
　　输入数据格式
　　为的matrix矩阵,key为待聚类文本的数字编号，value为待聚类文本的单词向量Vector, Vector的index为单词在字典中的编号, value为TFIDF值。
　　算法相关参数详解(不包含hadoop运行参数)
　　项目中所有参数设置均与mahout-0.9目录下的examples/bin/cluster-reuters.sh的147-172行设置一样，即
　　$SCOUT cvb -i ${WORK_DIR}/${ROWID_MATRIX_DIR}/matrix -o ${WORK_DIR}/${LDA_DIR} -k 20 -ow -x 20 -dict ${WORK_DIR}/${DICTIONARY_FILES} -dt ${WORK_DIR}/${LDA_TOPICS_DIR} -mt ${WORK_DIR}/${LDA_MODEL_DIR}
　　input -- 输入数据的hdfs路径,这里是/home/hadoop-user/scout_workspace/scout/dataset/reuters-out-matrix-debug/matrix
　　dt -- 文档主题输出路径,保存了每个文档的相应topic的概率,这里是/home/hadoop-user/scout_workspace/scout/dataset/reuters-lda-topics
　　mt -- model的路径,这里是/home/hadoop-user/scout_workspace/scout/dataset/reuters-lda-debug
　　k -- number of topics to learn,这里设置成20
　　x -- 模型迭代次数,也就是需要多少次迭代来生成最后的Model,默认值20
　　seed -- Random seed,生成初始readModel时的种子,默认值System.nanoTime() % 10000
　　dict -- 字典路径,这里是/home/hadoop-user/scout_workspace/scout/dataset/reuters-out-seqdir-sparse-lda/dictionary.file-*
　　a -- Smoothing for document/topic distribution, document/topic分布的平滑系数,默认为1.0E-4
　　e -- Smoothing for topic/term distribution, topic/term分布的平滑系数,默认为1.0E-4
　　关于a和e,根据https://mahout.apache.org/users/clustering/latent-dirichlet-allocation.html描述,a和e的合适取值为k/50(k为topic数量),但是这个网页还保留着mahout ldatopics的命令介绍,而mahout 0.8,0.9均没有该命令,推测应该是比较陈旧的内容,因此还是根据cluster-reuters.sh中的设置来，也就是采取默认值。
　　mipd -- 这个参数非常重要，对于每个文档程序是先用RandomSeed来生成一个初始的readModel然后进行mipd次迭代，算出最终的model进行更新，这里选默认值10次
　　LDA算法程序分析
　　算法的大致流程如下
　　1.解析参数与Configuration设置
　　2.读取Model(第一次运行时没有这个过程)
　　如果hfds上面已经有部分model，那么程序将读取最后一个model，并以这个model作为初始readModel来继续进行算法迭代，也就是说有类似于断电-重启的机制
　　3.运行算法迭代(Mapper过程)生成LDA模型
　　这个过程是最为复杂的阶段，许多地方我也不是很明白，我将尽最大努力进行解释
　　首先分析Mapper,即CachingCVB0Mapper,顾名思义就是能够缓存的Mapper，表现在其readModel的选取上面，如果目录里面不存在任何model则用RandomSeed初始化一个readModel，否则读取最近的一个model。程序将model划分为readModel和writeModel，这两个都是TopicModel类，并由ModelTrainer来进行调度和管理
　　CachingCVB0Mapper整个过程如下图所示(清晰大图见附件)

　　在上面这个整体框架下,mahout程序应用了CVB0 Algorithm来计算LDA模型, 在map过程中通过对向量docTopic和矩阵docTopicModel的反复迭代求解，算出每个document的docTopicModel并且在update writeModel阶段将docTopicModel矩阵进行向量的相加操作，经历完所有的map过程后得到整个corpus的docTopicModel矩阵，最终在cleanup过程中将topic的index作为key，矩阵docTopicModel作为value写入reduce。该过程涉及到的算法如下所示
　　CVB0算法分析图解(清晰大图见附件)

　　4.利用生成的LDA模型推导出topic的概率分布

　　算法总结
　　可以看出算法本质上面就是bayes公式和EM算法的结合
　　E过程就是首先假定一个均匀分布且归一化的topic概率分布向量docTopics，利用该值通过贝叶斯公式算出单词 - 主题的概率分布矩阵 docTopicModel(见CVB0算法分析图解中的第一步)
　　M过程就是根据生成的docTopicModel进行CVB0算法分析图解中的2,3,4,5步重新计算得到新的docTopics
　　然后反复重复 E - M 过程n次，得到收敛后的docTopics和docTopicModel，其中docTopicModel可以用于lda模型的更新，而docTopics就是我们聚类需要的topic概率分布向量
　　算法后记
　　几点问题还没有得到解决
　　1.在mahout中是按照下面的式子计算docTopicModel的
　　double termTopicLikelihood =
　　(topicTermRow.get(termIndex) + eta) * (topicWeight + alpha)/ (topicSum + eta * numTerms);
　　疑问就是该式子比贝叶斯公式添加了几个平滑系数项，这样写的理论依据在哪里，来源于哪篇著作或者论文，平滑系数eta和alpha分别是代表什么含义，如何选取这两个系数。
　　2.CVB0算法分析图解中第2步进行归一化的理论依据，即为什么要进行归一化
　　3.update writeModel过程中对于topicTermCounts的计算
　　即为什么要在每次map时候对p(topic | term)进行累加，还没有完全想明白
　　项目运行环境
　　hadoop-1.2.1
　　sqoop-1.4.4
　　mahout-0.9
　　关于环境的安装部署请参考相关文章，这里不多加赘述。上面三个软件在我本机的都是部署在/home/hadoop-user/mahout_workspace/目录下。另外自己写的scout项目部署在/home/hadoop-user/scout_workspace/目录下
　　项目代码
　　项目代码已经放到Github上https://github.com/ehomeshasha/scout，有兴趣的同学可以下载下来看下，重点查看bin目录下的脚本文件以及driver,export,analyzer等几个包下的java文件
　　整个项目架构分析
　　该项目的初始数据保存在MySQL中, 算法分析需要map/reduce过程以及hdfs文件系统的参与, 最后将结果更新至MySQL,整个过程如图所示

　　详细流程代码可以用vi /home/hadoop-user/scout_workspace/scout/bin/lda/cluster-dealsaccess-lda.sh查看，并可以用如下的图进行表示(清晰大图见附件)

　　其中数据迁移到hdfs可采用sqoop import命令来完成，实现此过程的sh文件在/home/hadoop-user/scout_workspace/scout/bin/sqooop_mysql_dumper.sh中,可用vi /home/hadoop-user/scout_workspace/scout/bin/sqooop_mysql_dumper.sh进行查看。Apache Sqoop的网址链接为http://sqoop.apache.org/docs/1.4.4/SqoopUserGuide.html#_literal_sqoop_import_literal
　　最后一步更新MySQL可以查看scout项目源码查看详细过程, 连接jdbc用到了Apache的DbUtils的包。DbUtils的网站链接为http://commons.apache.org/proper/commons-dbutils/
　　有用的脚本文件
　　scout/bin/lda/cluster-reuters-lda-debug.sh提取了mahout/examples/bin/cluster-reuters.sh的lda算法部分并进行了步骤拆分，适用于进行算法的调试, scout/bin/lda/cluster-reuters-lda-debug-dumper.sh文件是一个数据dumper脚本文件，可将lda算法产生的数据dump到本地并转换成文本格式
　　Scout项目架构分析
　　Scout的目录结构

　　该scout项目的包依赖为hadoop及其依赖包, mahout-examples-0.9-job.jar, mysql-connector-java-5.1.25.jar, google的gson-2.2.4.jar包
　　主要职责为将数据文件在MySQL以及HDFS之间进行转移，代码量不多，花少量时间即可看懂。