分布式机器学习框架与高维实时推荐系统

分享嘉宾：刘一鸣 第四范式

编辑整理：白木其尔、Hoh

内容来源：第四范式 | 先荐

出品平台：DataFunTalk

注：转载请在后台留言“转载”。

导读： 随着互联网的高速发展和信息技术的普及，企业经营过程中产生的数据量呈指数级增长，AI 模型愈发复杂，在摩尔定律已经失效的今天，AI 的落地面临着各种各样的困难。本次分享的主题是分布式机器学习框架如何助力高维实时推荐系统。 机器学习本质上是一个高维函数的拟合，可以通过概率转换做分类和回归。而推荐的本质是二分类问题，推荐或者不推荐，即筛选出有意愿的用户进行推荐。 本文将从工程的角度，讲述推荐系统在模型训练与预估上面临的挑战，并介绍第四范式分布式机器学习框架 GDBT 是如何应对这些工程问题的。

主要内容包括：

• 推荐系统对于机器学习基础架构的挑战

• 大规模分布式机器学习场景下，不同算法的性能瓶颈和解决思路

• 第四范式分布式机器学习框架 GDBT

• 面临的网络压力及优化方向

01

推荐系统对于机器学习基础架构的挑战

1. 海量数据+高维特征带来极致效果

传统的推荐系统中，我们只用简单的模型或者规则来拟合数据，就可以得到一个很好的效果 ( 因为使用复杂的模型，很容易过拟合，效果反而越来越差 )。但是当数据量增加到一定的数量级时，还用简单的模型或者规则来拟合数据，并不能充分的利用数据的价值，因为数据量增大，推荐的效果上限也随之提升。这时，为了追求精准的效果，我们会把模型构建的越来越复杂，对于推荐系统而言，由于存在大量的离散特征，如用户 ID、物品 ID 以及各种组合，于是我们采用高维的模型来做分类/排序。

2. 强时效性带来场景价值

随着时间的推移，推荐场景面临的问题也在发生着变化，尤其是新闻、信息类的推荐，物料的变化非常快。同时，用户的兴趣和意愿也在时刻发生着变化。我们的模型都是根据历史数据总结出来的规律，距离当前时间越近的数据，对于预测越有指导意义。为了增强线上效果，就需要增加模型的时效性，按照数据价值的高低，将时效性分为： 硬实时、软实时、离线 ，这里重点介绍下硬实时和软实时。

硬实时：

硬实时是指毫秒级到秒级的特征。这类特征往往具有指导性意义，同时对系统的挑战也是最大的，很难做到毫秒级或秒级的更新模型。通常的做法是通过快速的更新特征数据库，获取实时特征，来抓取秒级别的变化。尤其是新用户冷启动问题，当新用户登陆 APP，如果在几秒内，特征数据库就能收集到用户的实时行为，从而快速的抓取到用户的兴趣爱好，可以在一定程度上解决冷启动问题。

软实时：

软实时是指小时级到天级别的时间段。这时有足够的时间做批量的模型训练，可以周期性的更新模型的权重，使模型有更好的时效性。同时软实时对算力的消耗也是最大的，因为天级别的更新和周级别的更新模型，效果差距非常大。

3. 充分发挥数据的价值

因此，为了更好的模型效果，我们需要处理海量数据、高维模型和实时特征，而这一切 都需要 AI 基础架构提供充沛的算力。

02

大规模分布式机器学习场景下，不同算法的性能瓶颈和解决思路

1. 算力问题

当前面临的算力问题主要包括：

a. 数据量指数级增长，而摩尔定律已经失效。 曾经有个玩笑，当 程序员 觉得程序跑得慢时，不需要优化代码，只需睡上一觉，换个新机器就好了。但现在摩尔定律已经失效，我们只能想方设法的优化代码和工程。

b. 模型维度高，单机内存难以承受， 需要做分布式处理。

c. 模型时效性要求高，需要快迭代， 会消耗大量的算力。这时，如何解决算力问题变得非常有价值。

2. 方案

可行的解决方案有：

• 分布式+异构计算解决扩展性问题： 由于数据增长很快，单机的算力很难提升，尤其是 CPU 算力增长缓慢。我们可以用 GPU、加速卡来提供强有力的算力，用分布式的存储来更新模型，解决模型的扩展问题。

• 大规模参数服务器解决高维问题： 当模型大到单机放不下时，我们就会使用参数服务器来解决高维问题。

• 流式计算解决时效性问题： 对于模型的时效性有一种省算力的方法是用流式计算来解决，但是流式计算非常容易出错。

总结来说，就是如何优化模型训练速度，采用流式计算可以一定程度上解决这个问题。

3. 线性加速并非易事

单靠堆机器在机器学习上是不能直接加速的，稍有不慎就会陷入"一核有难八核围观"的场景。现在很多分布式的计算都有单点的设计，这会极大的降低系统的扩展性。机器学习需要很多机器更新同一个模型，这就需要同步，不管是线程同步，还是进程同步，或者机器间依赖网络节点同步。一旦做不好，会消耗大量时间，这时你会发现，写个单机的程序可能会更快一点。

03

分布式机器学习框架 GDBT

1. GDBT

GDBT  是一个分布式数据处理框架，配备了高性能分布式大规模离散参数服务器。其核心组件包括：分布式数据源、参数服务器、计算图。 基于 GDBT 框架我们实现了一系列的高维算法： 如逻辑回归、GBM ( 树模型 )、DSN 等，以及自动特征和 AutoML 相关的算法。GDBT 的工作流程图如上图所示。

接下来，选择 GDBT 框架中的几个核心组件为大家详细介绍下：

2. 分布式数据源 ( 数据并行 )

分布式数据源 ( DataSource ) 是做数据并行的必备组件，是 GDBT 框架的入口。DataSource 最重要的一点是做负载均衡。负载均衡有很多种做法，这里设计了一套争抢机制，因为在线程调度中，线程池会采用 work stealing 机制，我们的做法和它类似：数据在一个大池子中，在每一个节点都尽可能读属于自己的数据，当消费完自己的数据时，就会去抢其它节点的数据，这样就避免了节点处理完数据后的空置时间，规避了"一核有难八核围观"的现象。

由于 DataSource 也是对外的入口，因此我们会积极的拥抱开源生态，支持多种数据源，并尽可能多的支持主流数据格式。

最后，我们还优化了 DataSource 的吞吐性能，以求更好的效率。因为有的算法计算量实际上很低，尤其是逻辑回归这种比较简单的机器学习算法，对 DataSource 的挑战是比较大的。

实验结果：

这里我们用 pDataSource 对比了 Spark 和 Dask。Spark 大家都比较熟悉，Dask 类似 python 版的 Spark，Dask 最开始是一个分布式的 DataFrame，渐渐地发展成了一个分布式的框架。如上图所示，由于我们在内存上的优化，通过对比吞吐量和内存占用，pDataSource 用30%的内存资源就可以达到 Spark2.4.4 120% 的性能。

3. 参数服务器

参数服务器类似于分布式的内存数据库，用来存储和更新模型。参数服务器会对模型进行切片，每个节点只存储参数的一部分。一般数据库都会针对 workload 进行优化，在我们的机器学习训练场景下，参数服务器的读写比例各占50%，其训练的过程是不断的读取权重、更新权重，不断的迭代。

对于大部分高维机器学习训练，参数服务器的压力都很大。参数服务器虽然自身是分布式的，但参数服务器往往会制约整个分布式任务的扩展性。主要是由于高频的特征和网络压力，因为所有的机器都会往参数服务器推送梯度、拉取权重。在实际测试中，网络压力非常大，TCP 已经不能满足我们的需求，所以我们使用 RDMA 来加速。

机器学习中的高频特征更新特别频繁时，参数服务器就会一直更新高频特征对应的一小段内存，这制约了参数服务器的扩展性。为了加速这个过程，由于机器学习都是一个 minibatch 更新，可以把一个 minibatch 当中所有高频 key 的梯度合并成一个 minibatch，交给参数服务器更新，可以有效的减轻高频 key 的压力。并且在两端都合并后再更新，可以显著减轻高频特征的压力。

对于大规模离散的模型，参数服务器往往要做的是大范围内存的 random massage。由于计算机访问内存是非常慢的，我们平常写代码时可能会觉得改内存挺快的，其实是因为 CPU 有分级缓存，命中缓存就不需要修改内存，从而达到加速。同时 CPU 还有分级的流水线，它的指令是乱序执行的，在读取内存时，可以有其它的指令插进来，会让人觉得访问内存和平常执行一条指令的时间差不多，实际上时间差了几十到几百倍。这对于执行一般的程序是可行的，但对于参数服务器的工作负载，是不可行的。因为其工作流程需要高频的访问内存，会导致大量的时间用在内存访问上。所以，如何增加命中率就显得尤为重要：

• 我们会修改整个参数服务器的数据结构。

• 我们做了 NUMA friendly。服务器往往不只一个 CPU，大多数是两个，有些高端的会有四个 CPU。CPU 周边会有内存，一个 CPU 就是一个 NUMA。我们尽量让参数服务器所有的内存绑在 NUMA 上，这样就不需要跨 CPU 访问内存，从而提升了性能。

• 还有个难点是如何保证线程安全。因为参数服务器是多线程的，面临的请求是高并发的，尤其是离线时，请求往往会把服务器压满。这时要保证模型的安全，就需要一个高效的锁。这里我们自研了 RWSpinLock，可以最大化读写并发。受限于篇幅，这里就不再进行展开。

• 最终的效果可以支持每秒 KV 更新数过亿。

4. 分布式机器学习框架的 Workload

① 分布式 SGD 的 workload

分布式 SGD 的 workload：

首先 DataSource 会从第三方的存储去读数据。这里画了三个机器，每个机器是一条流水线，数据源读完数据之后，会把数据交给 Process，由 Process 去执行计算图。计算图当中可能会有节点之间的同步，因为有时需要同步模式的训练。当计算图算出梯度之后，会和参数服务器进行交互，做 pull/push。最后 Process 通过 Accumulator 把模型 dump 回第三方存储 ( 主要是 HDFS )。

② 树模型的 workload

目前树模型的应用广泛，也有不少同学问到分布式的树模型怎么做。这里为大家分享下：

首先介绍下 GBDT ( Gradient Boost Decision Tree )，通过 GBDT 可以学出一系列的决策树。左图是一个简单的例子，用 GBDT 来预测用户是否打游戏。对于 Tree1，首先问年龄是否小于15岁，再对小于15岁的用户问是男性还是女性，如果是男性，会得到一个很高的分值+2。对于 Tree2，问用户是否每天使用电脑，如果每天都使用，也会得到一个分值+0.9，将 Tree1 和 Tree2 的结果相加得到用户的分值是2.9，是一个远大于零的数字，那么该用户很有可能打游戏。同理，如果用户是位老爷爷他的年龄分值是-1，且他每天也使用电脑，分值也是+0.9，所以对于老爷爷来说他的分值是-0.1，那么他很有可能不会打游戏。这里我们可以看出， 树模型的关键点是找到合适的特征以及特征所对应的分裂点 。如 Tree1，第一个问题是年龄小于15岁好，还是小于25岁好，然后找到这个分裂点，作为这个树的一个节点，再进行分裂。

树模型的两种主流训练方法：

❶ 基于排序 ：

往往很难做分布式的树模型。

❷ 基于 Histogram：

DataSource 先从第三方的存储当中读数据，然后 DataSource 给下游做 Propose，对特征进行统计，扫描所有特征，为每个特征选择合适的分类点。比如刚刚的例子，我们会用等距分桶，我们发现年龄基本上都是在0到100岁之间，可以以5岁为一个档，将年龄进行等分，作为后面 Propose 的方案。有了 Propose 的点之后，由于每个机器都只顾自己的数据，所以机器之间要做一次 All Reduce，让所有的机器都统一按照这些分裂点去尝试分裂，再后面就进入了一个高频更新、高频找特征的过程：

首先我们会执行 Histogram 过一遍数据，统计出某一个特征，如年龄小于15岁的增益是多少，把所有特征的 Propose 点的增益都求出来。由于机器还是只顾自己的数据，所以当所有机器过完自己的数据之后还会做一次 All Reduce，同步总的增益。然后找一个增益最大的，给它进行分裂，不断的执行这样的过程。

其实这个过程最开始时，尤其是 XGboost，计算量都用在如何统计 Histogram 上，因为 Histogram 过数据的次数特别多，而且也是一个内存 random massege 的过程，往往对内存的压力非常大。我们通常会做的优化是使用 GPU，因为显存比内存快很多，因此树模型可以用 GPU 加速。

目前，XGBoost、lightGBM 都支持 GPU 加速。我们也支持了用 FPGA 加速整个过程，但是我们发现 Histogram 和 All Reduce 是交替执行的，Histogram 的时间短了，All Reduce 的时间长了，就回到了刚才说到的问题： 机器多了之后，发现大家都在交互，但交互的时间比统计 Histogram 的时间还长。

04

面临的网络压力及优化方向

1. 网络压力大

a. 模型同步，网络延迟成为瓶颈。 首先分布式 SGD Workload 主要是模型同步，尤其是同步模式时，当机器把梯度都算好，然后同一时刻，几十个几百个节点同时发出 push 请求，来更新参数服务器，参数服务器承担的压力是巨大的，消息量和流量都非常大。

b. 计算加速，带宽成为瓶颈。 我们可以用计算卡加速，计算卡加速之后，网络带宽成为了瓶颈。

c. 突发流量大。 在机器学习中，主要难点是突发流量。因为它是同步完成之后，立刻做下一步，而且大家都齐刷刷的做。另一方面 profile 是非常难做的。当你跑这个任务时会发现，带宽并没有用完，计算也没有用完。这是因为该计算的时候，没有用网络带宽，而用网络的时候没有做计算。

2. RDMA 硬件日渐成熟

随着 RDMA 硬件的日渐成熟，可以带来很大的好处：

• 低延迟： 首先 RDMA 可以做到非常低的延迟，小于 1μs。1μs 是什么概念，如果是用传统的 TCP/IP 的话，大概从两个机器之间跑完整个协议栈，平均下来是 35μs 左右。

• 高宽带： RDMA 可以达到非常高的带宽，可以做到大于 100Gb/s 的速度。现在有 100G、200G 甚至要有 400G了，400G 其实已经超过了 PCIE 的带宽，一般我们只会在交换机上看到 400G 这个数字。

• 绕过内核： RDMA 可以绕过内核。

• 远端内存直接访问： RDMA 还可以做远端内存的直接访问，可以解放 CPU。

用好这一系列的能力，可以把网络问题解决掉。

3. 传统网络传输

传统网络传输是从左边发一条消息发到右边：

首先把样本模型序列化，copy 到一段连续的内存中，形成一个完整的消息。我们再把消息通过 TCP 的协议栈 copy 到操作系统，操作系统再通过 TCP 协议栈，把消息发到对面的操作系统。对面的 application 从 OS buffer 把信息收回，收到一段连续的内存里，再经过一次反序列化，生成自己的样本模型，供后续使用。

我们可以看到，在传统的网络传输中，共发生了四次 copy，且这四次 copy 是不能并行的，序列化之前也不能发送，没发过去时，对方也不能反序列化。由于 CPU 主频已达瓶颈，不能无限高，这时你的延迟主要就卡在这个流程上了。

4. 第一步优化

第一步优化是我们自研的序列化框架。我们一开始把样本模型放在内存池中。而这个内存池是多段连续的内存，使任何数据结构都可以变成多段连续的内存。这个序列化的过程，其实就是打一个标记，标明这个样本模型要发送，是一个 zero copy 的过程。可以瞬间拿到序列化后的信息，由网络层通过 TCP 协议栈发到对端，对端收的时候也是不会收成一段大的内存，而是多段连续的内存。通过共享内存池的方式，可以减少两次 copy，让速度提升很多，但还是治标不治本。

5. 引入 RDMA

进而我们引入了 RDMA：

RDMA 可以直接绕过内核，通过另一种 API 直接去和网卡做交互，能把最后一次 copy 直接省掉。所以我们引入 RDMA 之后，可以变成一个大的共享内存池，网卡也有了修改操作内存的能力。我们只需要产生自己的样本模型后，去戳一下网卡，网卡就可以传输到对面。对面可以直接拿来做训练、做参数、做计算，整个流程变得非常快，吞吐也可以做到非常大。

6. 底层网络 PRPC

我这里对比的是 BRPC 和 GRPC，BRPC 的性能是我现在看到的 RPC 当中最快的，但是因为它不支持 RDMA，所以被甩开了三到五倍。因为 GRPC 兼容性的工作特别多，所以 GRPC 的性能会更差一些。 这个对比并不是非常的科学，因为我们最大的收益来源是 RDMA 带来的收益。

7. 线上预估

线上大部分时间，我们离线训练出的模型会放在 HDFS 上，然后把模型加载到参数服务器。会有一套 controller 去接受运维请求，参数服务器会给我们提供参数、预估服务对外暴露打分的接口。上图是一个最简单的线上预估的 Workload。

8. 流式更新、加速迭代

流式更新比较复杂：

大概是用户有请求过来，会有数据库把用户、物品的信息聚合起来，再去预估打分，和刚刚最简单的架构是一样的。打分之后要把做好的特征发送到 message Queue，再实时的做 join。这时 API server 会接受两种请求，一种是用户请求打分，还有一种是用户的 feedback ( 到底是赞，还是踩，还是别的什么请求 )。这时会想办法得到 label，通过 ID 去拼 label 和 feature，拼起来之后进一步要把特征变成高维向量，因为变成高维向量才能进入机器学习的环节，由 Learner pull/push 去更新训练的参数服务器，训练参数服务器再以一种机制同步到预估的参数服务器。

有了这样的一个架构，才能把流式给跑起来，虽然可以做到秒级别的模型更新，但是这个过程非常容易出错。

今天的分享就到这里，谢谢大家。

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分享嘉宾

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刘一鸣

第四范式 | 机器学习基础架构负责人

第四范式先知平台独有的大规模分布式机器学习框架 GDBT 的设计者 ，主导落地了分布式大规模参数服务器和 RDMA 网络框架。主要研究领域为机器学习分布式系统设计及高性能优化。

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