分布式機器學習的故事
從畢業加入Google開始做分布式機器學習，到后來轉戰騰訊廣告業務，至今已經七年了。我想說說我見到的故事和我自己的實踐經歷。這段經歷給我的感覺是：雖然在驗證一個新的并行算法的正確性的時候，我們可以利用現有框架，盡量快速實現，但是任何一個有價值的機器學習思路，都值得擁有自己獨特的架構。所以重點在有一個分布式操作系統，方便大家開發自己需要的架構（框架），來支持相應的算法。如果你關注大數據，聽完我說的故事，應該會有感觸。
大數據和分布式機器學習
特點
說故事之前，先提綱挈領的描述一下我們要解決的問題的特點。我見過的有價值的大規模機器學習系統，基本都有三個特點：
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可擴展。可擴展的意思是“投入更多的機器，能處理更大的數據”。而傳統的并行計算要的是：“投入更多機器，數據大小不變，計算速度更快”。這是我認識中“大數據”和傳統并行計算研究目標不同的地方。如果只是求速度快，那么multicore和GPU會比分布式機器學習的ROI更高。
- 有一個框架（比如MPI或者MapReduce或者自己設計的），支持fault recovery。Fault recovery是可擴展的基礎。現代機群系統都是很多用戶公用的，其中任何一個進程都有可能被更高優先級的進程preempted。一個job涉及數千個進程（task processes），十分鐘里一個進程都不掛的概率很小。而如果一個進程掛了，其他進程都得重啟，那么整個計算任務可能永遠都不能完成。 </ul> </li>
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數學模型要根據架構和數據做修改。這里有兩個原因：
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因為大數據基本都是長尾分布的，而papers里的模型基本都假設數據是指數分布的（想想用SVD做component analysis其實假設了Gaussian distributed，latent Dirichlet allocation假設了multimonial distribution。）。真正能處理大數據的數學模型，都需要能更好的描述長尾數據。否則，模型訓練就是忽視長尾，而只關注從“大頭”數據部分挖掘 “主流”patterns了。
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很多機器學習算法（比如MCMC）都不適合并行化。所以往往需要根據模型的特點做一些算法的調整。有時候會是approximation。比如 AD-LDA算法是一種并行Gibbs sampling算法，但是只針對LDA模型有效，對其他大部分模型都不收斂，甚至對LDA的很多改進模型也不收斂。
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引入更多機器的首要目的不是提升性能，而是能處理更大的數據。用更多的機器，處理同樣大小的數據，期待 speedup提高——這是傳統并行計算要解決的問題——是multicore、SMP、MPP、GPU還是Beowolf cluster上得分布式計算不重要。在大數據情況下，困難點在問題規模大，數據量大。此時，引入更多機器，是期待能處理更大數據，總時間消耗可以不變甚至慢一點。分布式計算把數據和計算都分不到多臺機器上，在存儲、I/O、通信和計算上都要消除瓶頸。
</li> </ol>上述三個特點，會在實踐中要求“一個有價值的算法值得也應該有自己獨特的框架”。
概念
在開始說故事之前，先正名幾個概念：MPI、MapReduce都是框架（framework）。MPICH2和Apache Hadoop分別是這兩個框架的實現（implementations）。后面還會提到BSP框架，它的一個著名實現是Google Pregel。
MPI這個框架很靈活，對程序結構幾乎沒有太多約束，以至于大家有時把MPI稱為一組接口（API）。
這里，MPICH2和Hadoop都是很大的系統——除了實現框架（允許程序員方便的編程），還實現了資源管理和分配，以及資源調度的功能。這些功能在Google的系統里是分布式操作系統負責的，而Google MapReduce和Pregel都是在分布式操作系統基礎上開發的，框架本身的代碼量少很多，并且邏輯清晰易于維護。當然Hadoop已經意識到這個問題，現在有了YARN操作系統。（YARN是一個仿照UC Berkeley AMPLab的Mesos做的系統。關于這個“模仿”，又有另一個故事。）
故事
pLSA和MPI
我2007年畢業后加入Google做研究。我們有一個同事叫張棟，他的工作涉及pLSA模型的并行化。這個課題很有價值，因為 generalized matrix decomposition實際上是collaborative filtering的generalization，是用戶行為分析和文本語義理解的共同基礎。幾年后的今天，我們都知道這是搜索、推薦和廣告這三大互聯網平臺產品的基礎。
當時的思路是用MPI來做并行化。張棟和宿華合作，開發一套基于MPI的并行pLSA系統。MPI是1980年代流行的并行框架，進入到很多大學的課程里，熟悉它的人很多。MPI這個框架提供了很多基本操作：除了點對點的Send, Recv，還有廣播Bdcast，甚至還有計算加通信操作，比如AllReduce。
MPI很靈活，描述能力很強。因為MPI對代碼結構幾乎沒有什么限制——任何進程之間可以在任何時候通信——所以很多人不稱之為框架，而是稱之為“接口”。
但是Google的并行計算環境上沒有MPI。當時一位叫白宏杰的工程師將MPICH2移植到了Google的分布式操作系統上。具體的說，是重新實現MPI里的Send, Recv等函數，調用分布式操作系統里基于HTTP RPC的通信API。
MPI的AllReduce操作在很多機器學習系統的開發里都很有用。因為很多并行機器學習系統都是各個進程分別訓練模型，然后再合適的時候（比如一個迭代結束的時候）大家對一下各自的結論，達成共識，然后繼續迭代。這個“對一下結論，達成共識”的過程，往往可以通過AllReduce來完成。
如果我們關注一下MPI的研究，可以發現曾經有很多論文都在討論如何高效實現AllReduce操作。比如我2008年的博文里提到一種當時讓我們都覺得很聰明的一種算法。這些長年累月的優化，讓MPICH2這樣的系統的執行效率（runtime efficiency）非常出色。
基于MPI框架開發的pLSA模型雖然效率高，并且可以處理相當大的數據，但是還是不能處理Google當年級別的數據。原因如上節《概念》中所述——MPI框架沒有自動錯誤恢復功能，而且這個框架定義中提供的靈活性，讓我們很難改進框架，使其具備錯誤恢復的能力。
具體的說，MPI允許進程之間在任何時刻互相通信。如果一個進程掛了，我們確實可以請分布式操作系統重啟之。但是如果要讓這個“新生”獲取它“前世”的狀態，我們就需要讓它從初始狀態開始執行，接收到其前世曾經收到的所有消息。這就要求所有給“前世”發過消息的進程都被重啟。而這些進程都需要接收到他們的“前世”接收到過的所有消息。這種數據依賴的結果就是：所有進程都得重啟，那么這個job就得重頭做。
一個job哪怕只需要10分鐘時間，但是這期間一個進程都不掛的概率很小。只要一個進程掛了，就得重啟所有進程，那么這個job就永遠也結束不了了。
雖然我們很難讓MPI框架做到fault recovery，我們可否讓基于MPI的pLSA系統支持fault recovery呢？原則上是可以的——最簡易的做法是checkpointing——時不常的把有所進程接收到過的所有消息寫入一個分布式文件系統（比如GFS）。或者更直接一點：進程狀態和job狀態寫入GFS。Checkpointing是下文要說到的Pregel框架實現fault recovery的基礎。
但是如果一個系統自己實現fault recovery，那還需要MPI做什么呢？做通信？——現代后臺系統都用基于HTTP的RPC機制通信了，比如非死book開發的Thrift和 Google的Poppy還有Go語言自帶的rpc package。做進程管理？——在開源界沒有分布式操作系統的那些年里有價值；可是今天，Google的Borg、AMPLab的Mesos和 Yahoo!的YARN都比MPICH2做得更好，考慮更全面，效能更高。
LDA和MapReduce
因為MPI在可擴展性上的限制， 我們可以大致理解為什么Google的并行計算架構上沒有實現經典的MPI。同時，我們自然的考慮Google里當時最有名的并行計算框架MapReduce。
MapReduce的風格和MPI截然相反。MapReduce對程序的結構有嚴格的約束——計算過程必須能在兩個函數中描述：map和 reduce；輸入和輸出數據都必須是一個一個的records；任務之間不能通信，整個計算過程中唯一的通信機會是map phase和reduce phase之間的shuffuling phase，這是在框架控制下的，而不是應用代碼控制的。
pLSA模型的作者Thomas Hoffmann提出的機器學習算法是EM。EM是各種機器學習inference算法中少數適合用MapReduce框架描述的——map phase用來推測（inference）隱含變量的分布（distributions of hidden variables），也就是實現E-step；reduce phase利用上述結果來更新模型，也即是M-step。
但是2008年的時候，pLSA已經被新興的LDA掩蓋了。LDA是pLSA的generalization：一方面LDA的 hyperparameter設為特定值的時候，就specialize成pLSA了。從工程應用價值的角度看，這個數學方法的 generalization，允許我們用一個訓練好的模型解釋任何一段文本中的語義。而pLSA只能理解訓練文本中的語義。（雖然也有ad hoc的方法讓pLSA理解新文本的語義，但是大都效率低，并且并不符合pLSA的數學定義。）這就讓繼續研究pLSA價值不明顯了。
另一方面，LDA不能用EM學習了，而需要用更generalized inference算法。學界驗證效果最佳的是Gibbs sampling。作為一種MCMC算法（從其中C=Chain），顧名思義，Gibbs sampling是一個順序過程，按照定義不能被并行化。
但是2007年的時候，David Newman團隊發現，對于LDA這個特定的模型，Gibbs sampling可以被并行化。具體的說，把訓練數據拆分成多份，用每一份獨立的訓練模型。每隔幾個Gibbs sampling迭代，這幾個局部模型之間做一次同步，得到一個全局模型，并且用這個全局模型替換各個局部模型。這個研究發表在NIPS上，題目是：Distributed Inference for Latent Dirichlet Allocation。
這樣就允許我們用多個map tasks并行的做Gibbs sampling，然后在reduce phase中作模型的同步。這樣，一個訓練過程可以表述成一串MapReduce jobs。我用了一周實現實現了這個方法。后來在同事Matthew Stanton的幫助下，優化代碼，提升效率。但是，因為每次啟動一個MapReduce job，系統都需要重新安排進程；并且每個job都需要訪問GFS，效率不高。在當年的Google MapReduce系統中，1/3的時間花在這些雜碎問題上了。后來實習生司憲策在Hadoop上也實現了這個方法。我印象里Hadoop環境下，雜碎事務消耗的時間比例更大。
隨后白紅杰在我們的代碼基礎上修改了數據結構，使其更適合MPI的AllReduce操作。這樣就得到了一個高效率的LDA實現。我們把用MapReduce和MPI實現的LDA的Gibbs sampling算法發表在這篇論文里了。
當我們躊躇于MPI的擴展性不理想而MapReduce的效率不理想時，Google MapReduce團隊的幾個人分出去，開發了一個新的并行框架Pregel。當時Pregel項目的tech lead訪問中國。這個叫Grzegorz Malewicz的波蘭人說服了我嘗試在Pregel框架下驗證LDA。但是在說這個故事之前，我們先看看Google Rephil——另一個基于MapReduce實現的并行隱含語義分析系統。
Rephil和MapReduce
Google Rephil是Google AdSense背后廣告相關性計算的頭號秘密武器。但是這個系統沒有發表過論文。只是其作者（博士Uri Lerner和工程師Mike Yar）在2002年在灣區舉辦的幾次小規模交流中簡要介紹過。所以Kevin Murphy把這些內容寫進了他的書《Machine Learning: a Probabilitic Perspecitve》里。在吳軍博士的《數學之美》里也提到了Rephil。
Rephil的模型是一個全新的模型，更像一個神經元網絡。這個網絡的學習過程從Web scale的文本數據中歸納海量的“語義”——比如“apple”這個詞有多個意思：一個公司的名字、一種水果、以及其他。當一個網頁里包含”apple”, “stock”, “ipad”等詞匯的時候，Rephil可以告訴我們這個網頁是關于apple這個公司的，而不是水果。
這個功能按說pLSA和LDA也都能實現。為什么需要一個全新的模型呢？
【唉呀媽呀，本來沒想寫這么長。碼字太累了。今天先到這兒吧。要是大家感興趣。再補全內容。把下面幾個故事的標題先補全了。】
LDA和Pregel
Clustering和Pregel
分類器和GBR
SETI：Online pCTR
MapReduce Lite
Deep Learning和DistBelief
Peacock
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