火山引擎A/B测试平台设计思路与技术实现

Posted 2023-02-21 过往记忆

作者介绍：王珂，目前就职于字节跳动数据平台，为火山引擎A/B测试产品——DataTester 研发工程师。

想要获得一个 A/B 实验系统，需要做些什么事情？火山引擎团队会把这些事情分成四个部分。A/B 实验需要通过人群采样，分出对照组和实验组并且下发不同的配置，让用户体会到不同的策略。因此从实践角度来看，四个部分中首先得有一个可靠的实验系统。通过这个实验系统，我们可以采集数据，从而观测用户在不同的策略下的反应。考虑到业务的迭代过程需要保持高效性，因此系统在第二步需要高效的数据建设。当采集到数据之后，我们还需要借助统计学知识，对各组的结果进行分析，以得到正确的实验结论，这第三步被称为科学的统计分析。有了以上三步，我们离一个完整的实验系统还有最后一步。我们考虑实验平台具有一定的成本，测试人员有可能会犯错误，平台运行也可能会出现异常……这些问题都需要系统通过最后一步——精细的治理和运维，来保证实验始终正常运行。

本文的介绍会围绕下面五点展开：

•A/B 实验系统平台概览•灵活的执行组件•高效的数据建设•科学的统计分析

01 A/B 实验系统平台概览

在本文中，我们将以火山引擎 A/B 实验系统平台——DataTester 为例，详细讲解它背后的四个部分。

首先，我们对 DataTester 进行一个整体介绍。俗话说，“皮之不存，毛将焉附”，可靠的实验系统是整个平台最基础的一个部分。图1-1展示的是火山引擎实验平台所具备的能力图谱。一个实验平台的最核心点是对于业务场景的支持。 在字节跳动这家公司里，我们在对内对外都拥有比较广泛的业务场景，比如：推荐、搜索、广告、电商、直播、运营以及推送等一系列业务。不同的场景对产品提出了不同的功能要求，这也推动着实验平台去解决业务场景上所带来的新问题，并且不断地往前迭代。

图1-1火山引擎 DataTester 的能力图谱

围绕着这个核心问题，我们需要三个基础环节的帮助，也就是黄色框中的三个长方形。

•第一个是执行组件，一个实验进行时，首先需要将准确的配置定向下发给准确的用户，也就是做好流量的配置发布。•第二个环节是数据建设，通俗来讲就是我们得将数据采集上来。•第三个是显著性计算环节，当采集完数据之后，实验组与对照组之间产生的差距是否代表新策略会带来收益，会依赖于相关统计指标的计算。

以上三点是平台最基础的能力，围绕着这个实验平台，我们还需要四个紫色框中的辅助功能。

•首先，实验平台本身就具有定向的配置发布能力。在完成一个实验之后，下一步的抉择一般就是将策略废弃或者上线，对接一个完整的配置发布平台，是一个实验必要的后向延续。•下一个部分，探索实验室是针对实验无法处理的评估场景，研究怎么样辅助去做一些决策。在探索实验室里面，我们往往会尝试一些非 AB 实验的东西，比如人工合成对照组，对于一些只能将用户分在实验组中的策略，我们可以通过人工合成的方式，给构建出一个对照组进行实验，比较策略的效果。在决策分析部分，我们之前提到的显著性计算，只是分析过程中的一部分。•除此之外，我们可能还要分析更多东西，比如策略的功效是否足够，是否需要继续提升；比如实验有没有比较严重的首因效应，用户是真正喜欢这个策略，还是因为策略看起来比较新鲜，所以大家多点击了一下。这样一些分析虽然不在显著性分析的范畴里面，但是对于实验的角色分析而言同样非常重要，是决策分析的一个部分。决策分析可以用数据和事实去说话，为业务提供决策的辅助。•最后一个重要的功能是智慧决策。例如，我们在一个典型的推荐场景里面，想通过调整参数来获得收益，可能需要不断尝试新一轮实验来获得比较好的参数。这种方式虽然可行，但是非常耗时。于是，我们想要通过自动调参的方式，根据每次实验所拿到的数据进行一些分析，去选择下一次的实验点位，从而大幅度提升决策的效率。

除了以上提到的几项以外，我们还需要一些别的功能。白色圆圈中指出了迭代控制、需求管理、健康监控、精准熔断四项。所有的组件聚合在一起，就构成了一个可以比较完整的实验平台。

02 灵活的执行组件

DataTester 平台的第一部分，我们来详细讲解一下执行组件。说到执行组件，我们经常会提及到一个词——分流。所谓分流就是随机采样一部分用户来做实验，然后随机分配一半的用户进对照组，一半的用户进实验组。之后，平台将会对照组的用户下发配置A，实验组的用户下发配置B。这一整套流程实际上就是所谓的分流组件，业界通常会有四种不同的接入方式，对应图2-1中的四个框。

图2-1 业界分流的四种接入方式

最常见的两种分流方式是 RPC 和 SDK。 字节跳动在对内的场景里面比较多地使用 RPC。这种方式的好处是接入简单，并且足够灵活，而且对于平台来说比较可控。我们只需要发一个 RPC 调用，就可以知道用户命中的实验以及发布的配置等信息。每当分流组件需要有功能的升级时，只需要升级该功能自己的服务即可。那与之相对应的还有另外一种方式——SDK。考虑到了调用RPC的服务时的效率问题，SDK 接入直接提供了一个库文件在本地做分流。这种接入方式可以发挥机器的极限性能，经过比较好的优化，SDK 的接入效率一定是最高的。但是与 RPC 相比，SDK很难去避免几个问题。第一，当功能升级的时候，由于升级成本的存在，因此控制性可能会略微弱一点，也就是说我们很难保证所有使用 SDK 接入的业务方，都能够做到很好的升级。另外，业务方可能会使用不同的服务端语言，综合考虑不同服务端的 SDK 时，就需要进行多语言覆盖，这个本质上也是一个限制。

举例来说，在推荐系统的一个场景里面，如果需要在三万篇文章里进行召回实验，比如一次性召回五千篇文章。那么 RPC 肯定跑不动这个实验，全部的资源都会去进行 RPC 调用。但是如果用 SDK ，只需要一个 for 循环，就可以完成这个实验。那么，怎么可以结合 RPC 与 SDK 之间的优势呢？这里我们会讲到第三种方式——伴生进程。这种技术方案就是在业务进程的节点上，再添加一个伴生进程，用 C ++ 做封装，然后去做一个 Unix 的 Domain Socket。通过这种方式，网络传输只是在本地本机本节点上去做进程间的一个调用，可以使性能做到很大程度上的提升。同时，我们也可以保证对伴生进程的控制性，当有升级需求的时候，可以一定程度上对他们直接进行升级，而不会影响到业务方的迭代。最后一种是 UDF 分流。这是针对大数据的离线场景下，我们需要用实验去做一些分析和处理，所以会用到离线和流式处理。这边简单总结一下火山引擎会更愿意去用 RPC 进行分流的几个理由：

•第一是从未停止的高速迭代，我们要求对服务有比较强的控制，需要随时去更新它，去迭代它。•第二，多样化的接入场景、功能拼图和服务端技术栈，这些需求会导致在 SDK 这个场景下，成本会略高一些。•第三，我们也有苛刻的性能要求，即使是在 RPC 这样的方式下，我们也会进行大量非常强度的性能优化，以应对苛刻的性能要求。这里提一下，当前我们 RPC 的性能大约优化到了毫秒级的状态。

既然讲到了从未停止的高速迭代，那么，我们的分流到底都在迭代些什么东西呢？图2-2展示了分流的迭代就是围绕着灵活多变的流量复用与隔离展开的。通俗来讲，它是在解决实验与实验之间关系的问题。

图2-2 灵活多变的流量复用与隔离

最简单的实验关系其实就两个：流量的互斥和流量的正交。由于平台侧比较难以在实验开启之前，去界定这两个实验是不是有冲突、需要互斥。如果两个实验会有一些冲突，通常来说业务方在事件设计的时候，就需要知道这两个实验是有冲突的。如果两个实验是互斥的，我们就需要将实验开在同一个实验层上；如果没有互斥，那么实验将开在不同的实验层上，以保持流量的正交。

除此之外，还有互斥域的概念，除了开实验和分实验层这两次基础的哈希，我们会做第三层哈希，以此形成流量层之间的强制隔离。

下一个话题是父子实验。一般来说两个实验之间要么互斥，要么正交，应该没有什么特殊关系。但是，有一类实验会有比较强的血缘关系。比如在进行多轮迭代时，第一轮迭代后，我们发现这个实验组确实挺好，可以对着这个实验组再开一个子实验，这个子实验也有自己的对照组和实验组，然后在这个实验组可以在原实验的基础上，我继续进行迭代。这样，两个实验之间就出现了联系，子实验的流量必须来源于父实验的某一个实验组。

共享对照组这个概念中提到了一个词，叫勤俭节约。有一些场景下，样本实体是用户请求，而每来一个新的请求都是一个新的样本，这个时候做两次哈希是没有太多意义的，我们可以完全让它退化至一次哈希。退化回去之后，我们可以让实验复用同一个对照组，然后让每一个实验都只有实验组。通过这样的方式，在同样的 100% 的流量下可以开启更多的实验。但是，这样的一种实验方式也是有一定的问题的，大家在使用的时候要谨慎。

流量轮转。有一些实验，我们不是想看这个实验的收益，而是确定它就是有害的，只是想看这个实验多有害。但是我们要老针对一群用户进行试验，这对他们的使用体验是有影响的。因此，我们会定期去更新哈希种子，让进实验组的用户定期地进行切换。这样的对用户体验上来说还不错，同时我们又可以看到策略到底有多差的影响。

03 高效的数据建设

第二部分，我们来讲一讲数据建设。“天下武功，唯快不破”，平台的数据建设一定要是够快的。如图3-1所示是数据建设的整个链路图。大家可以看到，整个图分成了两个部分，这是因为数据建设实际上是要解决两个主要问题：

•第一个是离线计算，目的是要通过报告判断策略是否能够上线。•第二个是即席查询，这个部分更倾向于对实验多维度即时分析。

图3-1 数据建设的链路图

离线计算的结果是一个看板或者报告，相对比较固化。业务的核心指标在长时间内大概率是不容易发生变化的。但即席查询需要做多个维度的分析，例如链路分析和漏斗分析等。这些分析经常只针对一个实验有效，甚至是实验分析师临时想到的，即时性会比较强。对于这两个问题，我们会用不同的链路去做执行，但基本逻辑都是做累计指标运算。其实在数据建设中还有第三个需要解决的问题——流失处理。通常我们需要监控上线的新实验，比如看看三个小时之内，线上的指标的异常情况。如果异常很严重，我们要赶紧关掉实验，并且让相关人员排查不符合预期的原因。

图3-2高效的数据建设

如上所示，图3-2展示了数据建设是如何保证高效性能的：

•首先，我们要去做数据管道的建设，来保证指标建设的自动化。•其次，SQL 调优当指标组太多、业务线复杂的时候，不能都让人工去做，也需要自动化进行。•在需求管理方面，专人去对接业务方的效率太低了，自助建设的平台是不可或缺的。•数据管理可以保证数据服务，当我们想查询指标之间的关系时，需要通过数据服务来做灵活查询。•最后，打造一个开放的平台和生态系统，可以让一个试验平台的能力成指数型的增长。

通过上述的自动化和第三方共建，可以在人力、有限的资源的条件下，保证我们的数据建设在高效的状态。

04 科学的统计分析

第三部分我们聊一下科学的统计分析。“今天你显著了吗？”，显著对于一个实验来说还是蛮重要的指标。首先来说一下实验指标微涨时，到底是波动还是策略收益？我们需要通过假设检验来进行验证。图4-1的两个方框展示了对不同业务场景的假设检验方案。

图4-1 不同业务场景的假设检验方案

这里给大家举一个例子：显著性水平在业界通常会定到 5%，实际上与业务场景相关时，大家可以自己进行调整，例如 1% 或者是 10% 其实都是可以的。而对于 5% 的显著性水平，在 100 个实验里面会存在 5 个假阳性情况，当实验变多的时候情况还是蛮严重的。那么，这个时候我们应该怎么办呢？有聪明的人想到了这样一个话题，实验前的数据能不能在假阳性的问题上带来一定收益？在业界来看，实验前的数据应用方式分三种：

•第一种是 SeedFinder 以及变体的 PreAA 校验。原理是在采样用户并且分 AB 组的时候，尽量地让 A 组和 B 组之间的误差减小。方法通过衡量两组用户之间的差异，找到差异最小的两组用户进行实际实验。•另一种方法是双重差分。在实验之前，两个组之间本身会存在差异，此时我们选择做一个 A 实验，不应用任何策略，这时用户的指标天然就会有一些差异。我们采用双层插空的方法，可以尽量真实地评估策略带来的收益。•在字节跳动这边，我们采用第三种方法 CUPED。这种方法通过一些统计方法对实验前的数据进行修正，使修正之后的结果依然可以作为实验数据的无偏估计。同时，我们可以对实验前的数据缩减方差。同样的样本量缩减方差之后，原来因为流量不够而检测不出来的收益就可能被检测出来，实验的假阳性率也可以进一步降低。

05 精细的运维制度

最后讲讲第四部分，精细的运维制度。对于实验平台，我们可能要“像对待孩子细心照料”。如果一个实验平台能够在一家公司里面很好地应用起来，必须自上而下让整个公司都拥有数据驱动的理念，如图5-1所示。

图5-1 数据驱动理念

此外，由于平台不是简简单单就可以使用的，我们还需要丰富的用户教育和文档建设。同时，我们需要有积极的用户响应，只有这样才能够保证业务可以做到高效迭代。其次，为了保证系统的可靠性，我们需要在平台上做监控。例如，通过 AALayer 的方式，我们可以监控系统的安全和健康情况。同时，平台需要透明的数据口径，让所有人都能看到每一个指标的口径、数据的来源以及链路是什么样子的。 异常检查部分，在我们内部有一个代号叫 A/BDoctor 的模块，主要负责异常实验检查和异常流量检查。

•第一种是 SeedFinder 以及变体的 PreAA 校验。原理是在采样用户并且分 AB 组的时候，尽量地让 A 组和 B 组之间的误差减小。方法通过衡量两组用户之间的差异，找到差异最小的两组用户进行实际实验。•另一种方法是双重差分。在实验之前，两个组之间本身会存在差异，此时我们选择做一个 A 实验，不应用任何策略，这时用户的指标天然就会有一些差异。我们采用双层插空的方法，可以尽量真实地评估策略带来的收益。•在字节跳动这边，我们采用第三种方法 CUPED。这种方法通过一些统计方法对实验前的数据进行修正，使修正之后的结果依然可以作为实验数据的无偏估计。同时，我们可以对实验前的数据缩减方差。同样的样本量缩减方差之后，原来因为流量不够而检测不出来的收益就可能被检测出来，实验的假阳性率也可以进一步降低。

DataTester 产品介绍

案例中使用到的A/B实验平台DataTester ，是字节跳动自研的AB实验平台。截至2022年8月，DataTester 已在字节跳动内部累计完成150万次A/B测试。DataTester 集成了字节内部丰富的业务场景中的 A/B 测试经验，并已通过火山引擎，面向外部企业客户开放服务支持。

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