MapReduce 应用：TF-IDF 分布式实现

Posted 2020-07-28 Q-WHai

概述

本文要说的 TF-IDF 分布式实现，运用了很多之前 MapReduce 的核心知识点。算是 MapReduce 的一个小应用吧。

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版权说明

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本文作者：Q-WHai
发表日期： 2016年6月24日
本文链接：https://qwhai.blog.csdn.net/article/details/51747801
来源：CSDN
更多内容：分类 >> 大数据之 Hadoop

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学前导读

本文并不打算再啰里啰嗦地讲解一大堆 TF-IDF 的概念，以及 TF-IDF 能够做什么。如果你对此还不够了解，可以转到我的另一篇博客《 数据挖掘：基于TF-IDF算法的数据集选取优化 》进行学习。
由于本人的语言表达可能并不十分简单明了，如果你阅读本文的时候遇到一些难以理解的地方，可以点击下面相关的链接进行学习。这些都是本文的基础和前提，当然也可以提交评论与我进行交流。

• 《 数据挖掘：基于TF-IDF算法的数据集选取优化 》
• 《 从 WordCount 到 MapReduce 计算模型 》
• 《 MapReduce 进阶：多 MapReduc e的链式模式 》
• 《 MapReduce 进阶：多路径输入输出 》
• 《 MapReduce 进阶：Partitioner 组件 》

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算法框架

首先我们来看一下，分布式的 TF-IDF 的算法框架图：

在图中，我们有三个大模块，这三个大模块正是 MapReduce 中的三个 Job。
在学习 TF-IDF 的时候我们就知道了，TF-IDF 的计算可以分成三个部分进行。第一个阶段：计算各个文档中每个单词的 TF 值；第二阶段：计算所有文档中所有单词的 IDF 值；第三个阶段：计算各个文档中各个单词的 TF-IDF 值。在单机的环境下，很容易实现这些计算。可是，分布式环境下要怎么做呢？于是，根据这三个阶段，我设计了上面的架构图。
TFMapReduceCore 类包含的是计算 TF 的核心类，IDFMapReduceCore 中则包含了 IDF 的核心类，IntegrateCore 中包含的是将 TF、IDF 的结果进行整合，从而计算最终的 TF-IDF 结果。且这里还产生了两个中间输出目录，而这两个中间输出目录也正是第三个阶段的输入目录，这一步中，需要用到 MapReduce 的多路径输入。上面也有专门的文章描述了这一块。

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代码实现

TFMapReduceCore

这里我将与计算 TF 相关的代码封装在同一个 TFMapReduceCore 类中，其中的 TFMapper, TFReducer 等都是 TFMapReduceCore 类的一个子类。

TFMapper

public static class TFMapper extends Mapper<Object, Text, Text, Text> {
    
    private final Text one = new Text("1");
    private Text label = new Text();
    private int allWordCount = 0;
    private String fileName = "";
    
    @Override
    protected void setup(Mapper<Object, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        fileName = getInputSplitFileName(context.getInputSplit());
    }
    
    @Override
    protected void map(Object key, Text value, Mapper<Object, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value.toString());
        while (tokenizer.hasMoreTokens()) {
            allWordCount++;
            label.set(String.join(":", tokenizer.nextToken(), fileName));
            context.write(label, one);
        }
    }
    
    @Override
    protected void cleanup(Mapper<Object, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        context.write(new Text("!:" + fileName), new Text(String.valueOf(allWordCount)));
    }
    
    private String getInputSplitFileName(InputSplit inputSplit) {
        String fileFullName = ((FileSplit)inputSplit).getPath().toString();
        String[] nameSegments = fileFullName.split("/");
        return nameSegments[nameSegments.length - 1];
    }
}

因为我们输入的源文件是用一个文件表示一个分类，如果你是以其他规则划分，那么可以不必遵从本文的逻辑。上面我首先在 setup() 里获取文件名，这样做的目的在于不用在 map() 中重复获取，从而提升程序的效率。并且在 cleanup() 里把文件名（也就是分类）信息写入到 Mapper 的输出路径中。
大家可能注意到了这里我写入文件名的时候，使用了一个技巧，使用“!”充当了一个单词。因为这个字符的 ASCII 码比所有的字符的 ASCII 码都要小，这样做的目的是可以让这条记录在其他所有记录之前被访问（ 这里所指的其他所有记录指的是，同一个分类中的所有记录。因为这里我们有对 Mapper 的输出做 Partitioner 分区 ）。

TFCombiner & TFReducer

从上面的 Mapper 中可以看到 Mapper 输出的 key 的格式为： : 。如此，只要去解析 key 中的 keyword 就可以了。而在 Mapper 的 cleanup() 方法中还写入文件的信息。这样一来，我们就可以使用这个 “!: allWordCount” 对每个文件进行区分开来。区分的原理之前也说到过了，就是因为 “!” 的 ASCII 码最小的原因。

public static class TFCombiner extends Reducer<Text, Text, Text, Text> {
    private int allWordCount = 0;
    
    @Override
    protected void reduce(Text key, Iterable<Text> values,
            Reducer<Text, Text, Text, Text>.Context context) throws IOException, InterruptedException {
        
        if (values == null) {
            return;
        }
        
        if(key.toString().startsWith("!")) {
            allWordCount = Integer.parseInt(values.iterator().next().toString());
            return;
        }
        
        int sumCount = 0;
        for (Text value : values) {
            sumCount += Integer.parseInt(value.toString());
        }
        
        double tf = 1.0 * sumCount / allWordCount;
        context.write(key, new Text(String.valueOf(tf)));
    }
}

通过上面的 Combiner 的 reduce 操作之后，所有单词的 TF 值都已经计算完成。再通过一次 Reducer 操作就 ok 了。Reducer 的代码如下：

public static class TFReducer extends Reducer<Text, Text, Text, Text> {
        
    @Override
    protected void reduce(Text key, Iterable<Text> values,
            Reducer<Text, Text, Text, Text>.Context context)
                    throws IOException, InterruptedException {
        if (values == null) {
            return;
        }
        
        for (Text value : values) {
            context.write(key, value);
        }
    }
}

TFPartitioner

在 Partitioner 分区这一块，就简单地以自定义的 Hash Partitioner 作为分区类。如果你有更加严格的要求，可以参考我之前的博客《MapReduce 进阶：Partitioner 组件》。

public static class TFPartitioner extends Partitioner<Text, Text> {

    @Override
    public int getPartition(Text key, Text value, int numPartitions) {
        String fileName = key.toString().split(":")[1];
        return Math.abs((fileName.hashCode() * 127) % numPartitions);
    }
}

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IDFMapReduceCore

这里我将与计算 IDF 相关的代码封装在同一个 IDFMapReduceCore 类中，其中的 IDFMapper, IDFReducer 都是 IDFMapReduceCore 类的一个子类。

IDFMapper

因为 IDF 的计算是针对所有文档的，所以在 IDFMapper 中可以直接按照计算 WordCount 的逻辑来编写就 ok 了。因为在计算 IDF 时，我们不需要关心某一个单词的词频，所以这里统一的使用 1 填充 mapper 的输出 value.

public static class IDFMapper extends Mapper<Object, Text, Text, Text> {
        
    private final Text one = new Text("1");
    private Text label = new Text();
    
    @Override
    protected void map(Object key, Text value, Mapper<Object, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value.toString());
        label.set(tokenizer.nextToken().split(":")[0]);
        context.write(label, one);
    }
}

IDFReducer

在前面我们已经统计了某一个单词在某一个文档（分类）出现的标志，也就是单词 W 在文档 D 中出现过了一次。这样一来，我们就可以统计出单词 W 在全部文档中出现过多少次了。而这一思想，正是计算 WordCount 逻辑。所以代码很好编写。等等，我们还需要计算所有的文档数。是的，在计算 IDF 的公式中，我们需要知道一共有多少个文档。可是，在当前的情况下我们无法获得这个值，因为这是在 Reducer 中。虽然在 Reducer 里面无法计算文档总数，但是在 Reducer 外面却可以。这个过程就是纯粹的 Java 逻辑，很简单，不多说了。
当我们知道了训练文档总数，就可以通过 job 将信息传递给 Reducer。只是这里我们并不是调用 job.setNumReduceTasks(N)，而是调用了 job.setProfileParams(msg) 方法。

public static class IDFReducer extends Reducer<Text, Text, Text, Text> {
        
    private Text label = new Text();
    
    @Override
    protected void reduce(Text key, Iterable<Text> values, Reducer<Text, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        
        if (values == null) {
            return;
        }
        
        int fileCount = 0;
        for (Text value : values) {
            fileCount += Integer.parseInt(value.toString());
        }
        
        label.set(String.join(":", key.toString(), "!"));
        
        int totalFileCount = Integer.parseInt(context.getProfileParams()) - 1;
        double idfValue = Math.log10(1.0 * totalFileCount / (fileCount + 1));
        
        context.write(label, new Text(String.valueOf(idfValue)));
    }
}

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IntegrateCore

这里我将与计算 TF-IDF 相关的代码封装在同一个 IntegrateCore 类中，其中的 IntegrateMapper, IntegrateReducer 都是 IntegrateCore 类的一个子类。在计算的最后一步中，没有什么需要说明的地方。只是，前面计算 TF、IDF 产生的中间输出文件的格式并不统一，所以这里需要对不同格式的文件内容进行不同的考虑。
IntegrateMapper

public static class IntegrateMapper extends Mapper<Object, Text, Text, Text> {
    @Override
    protected void map(Object key, Text value, Mapper<Object, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        StringTokenizer tokenizer = new StringTokenizer(value.toString());
        context.write(new Text(tokenizer.nextToken()), new Text(tokenizer.nextToken()));
    }
}

IntegrateReducer

public static class IntegrateReducer extends Reducer<Text, Text, Text, Text> {
        
    private double keywordIDF = 0.0d;
    private Text value = new Text();
    
    @Override
    protected void reduce(Text key, Iterable<Text> values, Reducer<Text, Text, Text, Text>.Context context)
            throws IOException, InterruptedException {
        if (values == null) {
            return;
        }
        
        if (key.toString().split(":")[1].startsWith("!")) {
            keywordIDF = Double.parseDouble(values.iterator().next().toString());
            return;
        }
        
        value.set(String.valueOf(Double.parseDouble(values.iterator().next().toString()) * keywordIDF));
        
        context.write(key, value);
    }
}

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测试运行

数据源

android

android
java
activity
map

hadoop

map
reduce
ssh
mapreduce

ios

ios
iphone
jobs

java

java
code
eclipse
java
map

python

python
pycharm

执行命令

执行此命令之前，请先将测试数据上传到 HDFS 的 /input 目录下。

$ hadoop jar temp/run.jar /input /output

执行结果

activity:android	0.0994850021680094
android:android	0.0994850021680094
code:java	0.07958800173440753
eclipse:java	0.07958800173440753
ios:ios	0.13264666955734586
iphone:ios	0.13264666955734586
java:android	0.0554621874040891
java:java	0.08873949984654256
jobs:ios	0.13264666955734586
map:android	0.024227503252014105
map:hadoop	0.024227503252014105
map:java	0.019382002601611284
mapreduce:hadoop	0.0994850021680094
pycharm:python	0.1989700043360188
python:python	0.1989700043360188
reduce:hadoop	0.0994850021680094
ssh:hadoop	0.0994850021680094

看到这个结果你可能会认为这个结果不一定可靠。如果你怀疑这些结果，你可以自己编写一个单机版的 Java 程序进行验证。当然，我已经验证过了。

Job

此处是浏览器登录 Cluster Metrics 的信息展示。显示的是程序在执行完成之后的内容，看到有三个 Job 参与了 TF-IDF 的计算。

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GitHub download

• https://github.com/Hadoop-league/TF-IDF_MR

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征集

如果你也需要使用ProcessOn这款在线绘图工具，可以使用如下邀请链接进行注册：
https://www.processon.com/i/56205c2ee4b0f6ed10838a6d