机器不学习：Java如何跨语言调用Python/R训练的模型
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在 如何使用sklearn进行在线实时预测（构建真实世界中可用的模型） 这篇文章中，我们使用 sklearn + flask 构建了一个实时预测的模型应用。无论是 sklearn 还是 flask，都是用 Python 编写的，在工业界，我们经常会使用 Python 或 R 来训练离线模型， 使用 Java 来做在线 Web 开发应用，这就涉及到了使用 Java 跨语言来调用 Python 或 R 训练的模型。很明显，之前方式就无法满足要求了。
文章目录 [展示]
PMML
概念
PMML 是 Predictive Model Markup Language 的缩写，翻译为中文就是“预测模型标记语言”。它是一种基于XML的标准语言，用于表达数据挖掘模型，可以用来在不同的应用程序中交换模型。也就是说它定义了一个标准，不同语言都可以根据这个标准来实现。关于 PMML 内部的实现原理细节，我们这里不做深究，感兴趣的可以参见：http://dmg.org/pmml/v4-3/GeneralStructure.html
PMML 能做什么
介绍完了 PMML 的概念后，大家可能还是很懵逼，不清楚它有什么用。先来相对正式的说下它的用处：对于 PMML，使用一个应用程序很容易在一个系统上开发模型，并且只需通过发送XML配置文件就可以在另一个系统上使用另一个应用程序部署模型。也就是说我们可以通过 Python 或 R 训练模型，将模型转为 PMML 文件，再使用 Java 根据 PMML 文件来构建 Java 程序。来看一张关于 PMML 用途的图片。
这一张图的信息量爆炸我，我来一一说明下：
- 整个流程分为两部分：离线和在线。
- 离线部分流程是将样本进行特征工程，然后进行训练，生成模型。一般离线部分常用 Python 中的 sklearn、R 或者 Spark ML 来训练模型。
- 在线部分是根据请求得到样本数据，对这些数据采用与离线特征工程一样的方式来处理，然后使用模型进行评估。一般在线部分常用 Java、C++ 来开发。
- 离线部分与在线部分是通过 PMML 连接的，也就是说离线训练好了模型之后，将模型导出为 PMML 文件，在线部分加载该 PMML 文件生成对应的评估模型。
我们可以看到，PMML 是连接离线与在线环节的关键，一般导出 PMML 文件和 加载 PMML 文件都需要各个语言来做单独的实现。不过幸运的是，已经有很多大神实现了这些，可以参见：https://github.com/jpmml 。
实战环节
训练并导出 PMML
我们这里仍然是通过 sklearn 训练一个随机森林模型，我们需要借助 sklearn2pmml 将 sklearn 训练的模型导出为 PMML 文件。如果没有 sklearn2pmml，请输入以下命令来安装：
pip install --user git+https://github.com/jpmml/sklearn2pmml.git
Bash
我们来看下如何使用 sklearn2pmml 。
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier
from sklearn2pmml import PMMLPipeline, sklearn2pmml
iris = load_iris()
# 创建带有特征名称的 DataFrame
iris_df = pd.DataFrame(iris.data, columns=iris.feature_names)
# 创建模型管道
iris_pipeline = PMMLPipeline([
("classifier", RandomForestClassifier())
])
# 训练模型
iris_pipeline.fit(iris_df, iris.target)
# 导出模型到 RandomForestClassifier_Iris.pmml 文件
sklearn2pmml(iris_pipeline, "RandomForestClassifier_Iris.pmml")
Python
导出成功后，我们将在当前路径看到一个 PMML 文件：RandomForestClassifier_Iris.pmml。
导入 PMML 并进行评估
生成了 PMML 文件后，接下来我们要做的就是使用 Java 导入（加载）PMML文件。这里借助了 Java 的第三方依赖：pmml-evaluator。我们需要在 pom.xml 文件中加入以下依赖：
<dependency>
<groupId>org.jpmml</groupId>
<artifactId>pmml-evaluator</artifactId>
<version>1.4.1</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.jpmml</groupId>
<artifactId>pmml-evaluator-extension</artifactId>
<version>1.4.1</version>
</dependency>
Bash
引入 PMML 文件并进行评估的代码如下：
import org.dmg.pmml.FieldName;
import org.dmg.pmml.PMML;
import org.jpmml.evaluator.*;
import org.jpmml.model.PMMLUtil;
import org.xml.sax.SAXException;
import javax.xml.bind.JAXBException;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
public class ClassificationModel {
private Evaluator modelEvaluator;
/**
* 通过传入 PMML 文件路径来生成机器学习模型
*
* @param pmmlFileName pmml 文件路径
*/
public ClassificationModel(String pmmlFileName) {
PMML pmml = null;
try {
if (pmmlFileName != null) {
InputStream is = new FileInputStream(pmmlFileName);
pmml = PMMLUtil.unmarshal(is);
try {
is.close();
} catch (IOException e) {
System.out.println("InputStream close error!");
}
ModelEvaluatorFactory modelEvaluatorFactory = ModelEvaluatorFactory.newInstance();
this.modelEvaluator = (Evaluator) modelEvaluatorFactory.newModelEvaluator(pmml);
modelEvaluator.verify();
System.out.println("加载模型成功！");
}
} catch (SAXException e) {
e.printStackTrace();
} catch (JAXBException e) {
e.printStackTrace();
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 获取模型需要的特征名称
public List<String> getFeatureNames() {
List<String> featureNames = new ArrayList<String>();
List<InputField> inputFields = modelEvaluator.getInputFields();
for (InputField inputField : inputFields) {
featureNames.add(inputField.getName().toString());
}
return featureNames;
}
// 获取目标字段名称
public String getTargetName() {
return modelEvaluator.getTargetFields().get(0).getName().toString();
}
// 使用模型生成概率分布
private ProbabilityDistribution getProbabilityDistribution(Map<FieldName, ?> arguments) {
Map<FieldName, ?> evaluateResult = modelEvaluator.evaluate(arguments);
FieldName fieldName = new FieldName(getTargetName());
return (ProbabilityDistribution) evaluateResult.get(fieldName);
}
// 预测不同分类的概率
public ValueMap<String, Number> predictProba(Map<FieldName, Number> arguments) {
ProbabilityDistribution probabilityDistribution = getProbabilityDistribution(arguments);
return probabilityDistribution.getValues();
}
// 预测结果分类
public Object predict(Map<FieldName, ?> arguments) {
ProbabilityDistribution probabilityDistribution = getProbabilityDistribution(arguments);
return probabilityDistribution.getPrediction();
}
public static void main(String[] args) {
ClassificationModel clf = new ClassificationModel("RandomForestClassifier_Iris.pmml");
List<String> featureNames = clf.getFeatureNames();
System.out.println("feature: " + featureNames);
// 构建待预测数据
Map<FieldName, Number> waitPreSample = new HashMap<>();
waitPreSample.put(new FieldName("sepal length (cm)"), 10);
waitPreSample.put(new FieldName("sepal width (cm)"), 1);
waitPreSample.put(new FieldName("petal length (cm)"), 3);
waitPreSample.put(new FieldName("petal width (cm)"), 2);
System.out.println("waitPreSample predict result: " + clf.predict(waitPreSample).toString());
System.out.println("waitPreSample predictProba result: " + clf.predictProba(waitPreSample).toString());
}
}
Java
输出结果
加载模型成功！
feature: [sepal length (cm), petal width (cm), sepal width (cm), petal length (cm)]
waitPreSample predict result: 1 waitPreSample predictProba result: {0=0.0, 1=0.5, 2=0.5}
Bash
可以看到，模型需要的特征为：[sepal length (cm), petal width (cm), sepal width (cm), petal length (cm)]，预测该样本最终属于目标编号为 1 的类型，预测该样本属于不同目标编号的概率分布，{0=0.0, 1=0.5, 2=0.5}。
小结
为了实现 Java 跨语言调用 Python/R 训练好的模型，我们借助 PMML 的规范，将模型固化为 PMML 文件，再使用该文件生成模型来评估。