带你重读Youtube深度学习推荐系统论文，惊为神文
来源：知乎专栏
作者：王喆
本文约5400字，建议阅读10+分钟。
本以为毫不起眼的地方，也藏着Youtube工程师宝贵的工程经验。
这里是王喆的机器学习笔记，每隔一到两周我会站在算法工程师的角度讲解一些计算广告、推荐系统相关的文章。选择文章必须满足一下三个条件：
- 一是工程导向的；
- 二是阿里、facebook、google等一线互联网公司出品的；
- 三是前沿或者经典的。
这周我们一起讨论一下Youtube的深度推荐系统论文《Deep Neural Networks for YouTube Recommendations》，这是2016年的论文，按照今天的标准来看，已经没有什么新颖的地方，我也是两年前读过这篇文章之后就放下了，但前几天重读这篇文章，竟让发现了诸多亮点，几乎处处是套路，处处是经验，不由惊为神文。这篇神文给我留下的深刻印象有两点：
- 这毫无疑问是工业界论文的典范，是我非常推崇的工程导向的，算法工程师必读的文章；
- 我以为毫不起眼的地方，也藏着Youtube工程师宝贵的工程经验，相比上周介绍的阿里的深度兴趣网络DIN，最重要的价值就在于Attention机制，这篇文章你应该精确到句子来体会，这是我惊为神文的原因。
废话不多说，下面就跟大家分享一下两次拜读这篇论文的不同体验和收获。
第一遍读这篇论文的时候，我想所有人都是冲着算法的架构去的，在深度学习推荐系统已经成为各大公司“基本操作”的今天，Youtube在算法架构上并无惊奇之处，我们来快速介绍一下文章中的深度学习推荐系统的算法架构。
Youtube的用户推荐场景自不必多说，作为全球最大的UGC的视频网站，需要在百万量级的视频规模下进行个性化推荐。由于候选视频集合过大，考虑online系统延迟问题，不宜用复杂网络直接进行推荐，所以Youtube采取了两层深度网络完成整个推荐过程：
- 第一层是Candidate Generation Model完成候选视频的快速筛选，这一步候选视频集合由百万降低到了百的量级。
- 第二层是用Ranking Model完成几百个候选视频的精排。
首先介绍candidate generation模型的架构：
Youtube Candidate Generation Model
我们自底而上看这个网络，最底层的输入是用户观看过的video的embedding向量，以及搜索词的embedding向量。至于这个embedding向量是怎么生成的，作者的原话是这样的：
Inspired by continuous bag of words language models, we learn high dimensional embeddings for each video in a xed vocabulary and feed these embeddings into a feedforward neural network所以作者是先用word2vec方法对video和search token做了embedding之后再作为输入的，这也是做embedding的“基本操作”，不用过多介绍；当然，除此之外另一种大家应该也比较熟悉，就是通过加一个embedding层跟上面的DNN一起训练，两种方法孰优孰劣，有什么适用场合，大家可以讨论一下。
特征向量里面还包括了用户的地理位置的embedding，年龄，性别等。然后把所有这些特征concatenate起来，喂给上层的ReLU神经网络。
三层神经网络过后，我们看到了softmax函数。这里Youtube的同学们把这个问题看作为用户推荐next watch的问题，所以输出应该是一个在所有candidate video上的概率分布，自然是一个多分类问题。
好了，这一套深度学习的“基本操作”下来，就构成了Youtube的candidate generation网络，看似平淡无奇，其实还是隐藏着一些问题的，比如：
- 架构图的左上角，为什么在online serving的时候不直接用这套网络进行预测而要使用nearest neighbor search 的方法？
- 多分类问题中，Youtube的candidate video有百万之巨，意味着有几百万个分类，这必然会影响训练效果和速度，如何改进？
这些问题在读第一遍的时候我也没有深想深看，但却是工程实现中必然会遇到的问题，我们随后再深入介绍论文中的解决方法。
既然得到了几百个候选集合，下一步就是利用ranking模型进行精排序，下面是ranking深度学习网络的架构图。
Youtube Ranking Model
乍一看上面的ranking model似乎与candidate generation模型没有什么区别，模型架构还是深度学习的“基本操作”，唯一的区别就是特征工程，那么我们就讲讲特征工程。
事实上原文也明确说明了，引入另一套DNN作为ranking model的目的就是引入更多描述视频、用户以及二者之间关系的特征，达到对候选视频集合准确排序的目的。
During ranking, we have access to many more features describing the video and the user's relationship to the video because only a few hundred videos are being scored rather than the millions scored in candidate generation.具体一点，从左至右的特征依次是：
- impression video ID embedding: 当前要计算的video的embedding
- watched video IDs average embedding: 用户观看过的最后N个视频embedding的average pooling
- language embedding: 用户语言的embedding和当前视频语言的embedding
- time since last watch: 自上次观看同channel视频的时间
- #previous impressions: 该视频已经被曝光给该用户的次数
上面五个特征中，我想重点谈谈第4个和第5个。因为这两个很好的引入了对用户行为的观察。
第4个特征背后的思想是：
We observe that the most important signals are those that describe a user's previous interaction with the item itself and other similar items.有一些引入attention的意思，这里是用了time since last watch这个特征来反应用户看同类视频的间隔时间。从用户的角度想一想，假如我们刚看过“DOTA经典回顾”这个channel的视频，我们很大概率是会继续看这个channel的视频的，那么该特征就很好的捕捉到了这一用户行为。
第5个特征#previous impressions则一定程度上引入了exploration的思想，避免同一个视频持续对同一用户进行无效曝光。尽量增加用户没看过的新视频的曝光可能性。
至此，我的第一遍论文阅读就结束了，对Youtube的算法框架有了概念，但总觉得不过如此，没什么太多新颖的地方。
但如果真这么想，还是太naive了，与上一篇阿里的深度兴趣网络DIN不同的是，你读懂了DIN的attention机制，你就抓住了其论文70%的价值，但这篇文章，如果你只读懂了Youtube的推荐系统架构，你只抓住了30%的价值。那么剩下的70%的价值在哪里呢？
在重读这篇文章的时候，我从一个工程师的角度，始终绷着“如何实现”这根弦，发现这篇论文的工程价值之前被我大大忽略了。下面我列出十个文中解决的非常有价值的问题：
- 文中把推荐问题转换成多分类问题，在next watch的场景下，每一个备选video都会是一个分类，因此总共的分类有数百万之巨，这在使用softmax训练时无疑是低效的，这个问题Youtube是如何解决的？
- 在candidate generation model的serving过程中，Youtube为什么不直接采用训练时的model进行预测，而是采用了一种最近邻搜索的方法？
- Youtube的用户对新视频有偏好，那么在模型构建的过程中如何引入这个feature？
- 在对训练集的预处理过程中，Youtube没有采用原始的用户日志，而是对每个用户提取等数量的训练样本，这是为什么？
- Youtube为什么不采取类似RNN的Sequence model，而是完全摒弃了用户观看历史的时序特征，把用户最近的浏览历史等同看待，这不会损失有效信息吗？
- 在处理测试集的时候，Youtube为什么不采用经典的随机留一法（random holdout），而是一定要把用户最近的一次观看行为作为测试集？
- 在确定优化目标的时候，Youtube为什么不采用经典的CTR，或者播放率（Play Rate），而是采用了每次曝光预期播放时间（expected watch time per impression）作为优化目标？
- 在进行video embedding的时候，为什么要直接把大量长尾的video直接用0向量代替？
- 针对某些特征，比如#previous impressions，为什么要进行开方和平方处理后，当作三个特征输入模型？
- 为什么ranking model不采用经典的logistic regression当作输出层，而是采用了weighted logistic regression？
因为我也是在视频推荐领域工作，所以可以很负责任的说以上的十个问题都是非常有价值的。但今天一口气写到这里，感觉有点气力不足了。。大家如果感兴趣的话可以点个赞，我明天再详细分析一下以上十大问题的答案。
上面问题的解答已经完成啦，大家请参考我的下一篇文章——
好了，这里是王喆的机器学习笔记的第二篇文章，水平有限，欢迎大家吐槽，批评，纠错。
参考资料：Deep Neural Networks for YouTube RecommendationRecommender System Paper List推荐系统中的注意力机制——阿里深度兴趣网络（DIN）— 完 —
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