[机器学习]XGBoost（4）——系统设计（含代码实战）
系统设计
核外块运算
在内存不足以容纳全部数据时，算法一次只能处理一部分数据。需要处理一部分之后再读取另一部分，但磁盘读写速度远远小于CPU处理速度
XGBoost的处理：
- 以分块的形式把数据存储在不同磁盘上的数据块内，称为块拆分。存储在不同磁盘上有利于提高磁盘吞吐率。
- 单独开启一个线程用来读取数据，数据处理和数据读取并行进行
- 数据按列进行块压缩，线程在读取时需要先解压
分块并行
构建回归树的过程中，最耗时的是遍历特征时对每个特征值进行排序的操作
XGBoost的处理：
- 先对每个特征对应的特征值进行排序，然后把结果存在一个特定数据结构Block中，Block按列存储，因此每个特征之间互不影响，相互独立
- 除了存储特征值，还要存储索引值，索引值索引了每个特征值指向哪些样本
- 数据以csc格式存储
- block结构可以并行处理，每次计算最优划分节点时只要对block扫描一遍就可以筛选最优gain
- 可以将block分成多个，分布式部署在多个机器上
缓存优化
问题：block数据结构导致缓存命中率低
缓存命中率
缓存命中率（Cache Hit Rate）衡量在处理数据时，所需数据可以直接从缓存中获取的比例。缓存命中率越高，意味着程序运行时需要从主存（RAM）或更慢的存储介质（如硬盘）中读取数据的次数越少，从而可以提高程序的执行效率。
缓存命中率可以通过以下公式计算：
缓存命中率
=
缓存命中次数
总访问次数
缓存命中率=\frac{缓存命中次数}{总访问次数}
缓存命中率=总访问次数缓存命中次数
缓存优化
- 给每一个特征分配一个buffer，存的是样本对应的
g
i
g_i
gi和
h
i
h_i
hi，将非连续的访问变成连续的访问
整体流程
-
加载数据（核外块运算）：
- XGBoost使用DMatrix数据结构来存储数据，这种结构优化了数据的存储和访问方式，以便于后续的块运算（block-wise processing）。
- DMatrix支持核外（disk-based）数据操作，这意味着它可以处理存储在磁盘上的数据，而不仅仅是内存中的数据。
-
对每一个特征进行排序（预排序），构建block，分配buffer，进行节点划分：
- XGBoost会对特征值进行排序，这是为了后续的块运算。排序后，数据会被分成多个块（block），每个块包含连续的特征值范围。
- 每个块会被分配到内存中的buffer，以便并行处理。
- 节点划分是指在构建决策树时，XGBoost会根据特征值将数据划分为不同的节点。
-
先确定有没有列采样，然后筛选要用的特征：
- 列采样（column subsampling）是XGBoost的一个特性，它通过随机选择一部分特征来构建每棵树，以增加模型的泛化能力。
- 筛选特征是在构建每棵树之前进行的，以确定哪些特征将被用于分裂节点。
-
看有没有用分位数算法，确定是全局还是局部：
- 分位数算法（Quantile Sketching）是XGBoost用于处理大规模数据集的一种算法，它可以快速地找到近似的分位数。
- 全局分位数是指在整个数据集上计算分位数，而局部分位数是指在每个叶子节点上计算分位数。
-
如果用了分位数算法，要给定超参数：
- 使用分位数算法时，需要设置超参数，如max_bin_by_feature，它控制每个特征的最大桶（bin）数量。
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根据采集到的特征值进行叶子的统计：
- 在构建树的过程中，XGBoost会统计每个叶子节点上的特征值，以确定最佳的分裂点。
- 这个过程涉及到计算每个可能的分裂点的增益（gain），并选择增益最大的分裂点。
代码实战
import xgboost as xgb
from sklearn.datasets import fetch_california_housing
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error
california_housing = fetch_california_housing(as_frame=True)
X, y = california_housing.data, california_housing.target
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)
# 创建XGBoost的DMatrix对象，这是XGBoost数据结构
dtrain = xgb.DMatrix(X_train, label=y_train)
dtest = xgb.DMatrix(X_test, label=y_test)
params = {
'objective': 'reg:squarederror', # 回归问题
'max_depth': 6, # 树的最大深度
'eta': 0.3, # 学习率
'subsample': 0.8, # 训练模型时使用样本的比例
'colsample_bytree': 0.8, # 构建树时使用的特征比例
'eval_metric': 'rmse' # 评估指标
}
num_boost_round = 100
bst = xgb.train(params, dtrain, num_boost_round=num_boost_round)
preds = bst.predict(dtest)
rmse = mean_squared_error(y_test, preds, squared=False)
print(f'RMSE: {rmse}')