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models/rank/fm/readme.md

+# 基于FM模型的点击率预估模型
+
+## 介绍
+`CTR(Click Through Rate)`，即点击率，是“推荐系统/计算广告”等领域的重要指标，对其进行预估是商品推送/广告投放等决策的基础。简单来说，CTR预估对每次广告的点击情况做出预测，预测用户是点击还是不点击。CTR预估模型综合考虑各种因素、特征，在大量历史数据上训练，最终对商业决策提供帮助。本模型实现了下述论文中的FM模型：
+
+```text
+@inproceedings{guo2017deepfm,
+  title={DeepFM: A Factorization-Machine based Neural Network for CTR Prediction},
+  author={Huifeng Guo, Ruiming Tang, Yunming Ye, Zhenguo Li and Xiuqiang He},
+  booktitle={the Twenty-Sixth International Joint Conference on Artificial Intelligence (IJCAI)},
+  pages={1725--1731},
+  year={2017}
+}
+```
+
+## 数据准备
+### 数据来源
+训练及测试数据集选用[Display Advertising Challenge](https://www.kaggle.com/c/criteo-display-ad-challenge/)所用的Criteo数据集。该数据集包括两部分：训练集和测试集。训练集包含一段时间内Criteo的部分流量，测试集则对应训练数据后一天的广告点击流量。
+每一行数据格式如下所示：
+```bash
+<label> <integer feature 1> ... <integer feature 13> <categorical feature 1> ... <categorical feature 26>
+```
+其中```<label>```表示广告是否被点击，点击用1表示，未点击用0表示。```<integer feature>```代表数值特征（连续特征），共有13个连续特征。```<categorical feature>```代表分类特征（离散特征），共有26个离散特征。相邻两个特征用```\t```分隔，缺失特征用空格表示。测试集中```<label>```特征已被移除。
+
+### 数据预处理
+数据预处理共包括两步：
+- 将原始训练集按9:1划分为训练集和验证集
+- 数值特征（连续特征）需进行归一化处理，但需要注意的是，对每一个特征```<integer feature i>```，归一化时用到的最大值并不是用全局最大值，而是取排序后95%位置处的特征值作为最大值，同时保留极值。
+
+### 一键下载训练及测试数据
+```bash
+sh run.sh
+```
+进入models/rank/fm/data目录下，执行该脚本，会从国内源的服务器上下载Criteo数据集，并解压到指定文件夹，然后自动处理数据转化为可直接进行训练的格式。解压后全量训练数据放置于`./train_datal`，全量测试数据放置于`./test_data`，可以直接输入的训练数据放置于`./slot_train_datal`，可直接输入的测试数据放置于`./slot_test_datal`
+执行该脚本的理想输出为：
+```
+download and extract starting...
+Downloading dac.tar.gz
+[==================================================] 100.00%
+Uncompress dac.tar.gz
+[==================================================] 100.00%
+Downloading deepfm%2Ffeat_dict_10.pkl2
+[==================================================] 100.00%
+download and extract finished
+preprocessing...
+('generating feature dict', 0)
+('generating feature dict', 0)
+('generating feature dict', 0)
+('generating feature dict', 0)
+...
+('generating feature dict', 1)
+('generating feature dict', 1)
+('args.num_feat ', 1086460)
+Done!
+preprocess done
+done
+```
+
+## 数据读取
+为了能高速运行CTR模型的训练，`PaddleRec`封装了`dataset`与`dataloader`API进行高性能的数据读取。
+
+如何在我们的训练中引入dataset读取方式呢？无需变更数据格式，只需在我们的训练代码中加入以下内容，便可达到媲美二进制读取的高效率，以下是一个比较完整的流程：
+
+### 引入dataset
+
+1. 通过工厂类`fluid.DatasetFactory()`创建一个dataset对象。
+2. 将我们定义好的数据输入格式传给dataset，通过`dataset.set_use_var(inputs)`实现。
+3. 指定我们的数据读取方式，由`dataset_generator.py`实现数据读取的规则，后面将会介绍读取规则的实现。
+4. 指定数据读取的batch_size。
+5. 指定数据读取的线程数，该线程数和训练线程应保持一致，两者为耦合的关系。
+6. 指定dataset读取的训练文件的列表。
+
+```python
+def get_dataset(inputs, args)
+    dataset = fluid.DatasetFactory().create_dataset()
+    dataset.set_use_var(inputs)
+    dataset.set_pipe_command("python dataset_generator.py")
+    dataset.set_batch_size(args.batch_size)
+    dataset.set_thread(int(args.cpu_num))
+    file_list = [
+        str(args.train_files_path) + "/%s" % x
+        for x in os.listdir(args.train_files_path)
+    ]
+    logger.info("file list: {}".format(file_list))
+    return dataset, file_list
+```
+
+### 如何指定数据读取规则
+
+在上文我们提到了由`dataset_generator.py`实现具体的数据读取规则，那么，怎样为dataset创建数据读取的规则呢？
+以下是`dataset_generator.py`的全部代码，具体流程如下：
+1. 首先我们需要引入dataset的库，位于`paddle.fluid.incubate.data_generator`。
+2. 声明一些在数据读取中会用到的变量，如示例代码中的`cont_min_`、`categorical_range_`等。
+3. 创建一个子类，继承dataset的基类，基类有多种选择，如果是多种数据类型混合，并且需要转化为数值进行预处理的，建议使用`MultiSlotDataGenerator`；若已经完成了预处理并保存为数据文件，可以直接以`string`的方式进行读取，使用`MultiSlotStringDataGenerator`，能够进一步加速。在示例代码，我们继承并实现了名为`CriteoDataset`的dataset子类，使用`MultiSlotDataGenerator`方法。
+4. 继承并实现基类中的`generate_sample`函数，逐行读取数据。该函数应返回一个可以迭代的reader方法(带有yield的函数不再是一个普通的函数，而是一个生成器generator，成为了可以迭代的对象，等价于一个数组、链表、文件、字符串etc.)
+5. 在这个可以迭代的函数中，如示例代码中的`def reader()`，我们定义数据读取的逻辑。例如对以行为单位的数据进行截取，转换及预处理。
+6. 最后，我们需要将数据整理为特定的格式，才能够被dataset正确读取，并灌入的训练的网络中。简单来说，数据的输出顺序与我们在网络中创建的`inputs`必须是严格一一对应的。在示例代码中，我们将数据整理成`click:value dense_feature:value ... dense_feature:value 1:value ... 26:value`的格式。用print输出是因为我们在run.sh中将结果重定向到slot_train_data等文件中，由模型直接读取。在用户自定义使用时，可以使用`zip`的方法将参数名与数值构成的元组组成了一个list，并将其yield输出，并在config.yaml中的data_converter参数指定reader的路径。
+
+```python
+class Reader(dg.MultiSlotDataGenerator):
+    def __init__(self, config):
+        dg.MultiSlotDataGenerator.__init__(self)
+        _config = envs.load_yaml(config)
+    def init(self):
+        self.cont_min_ = [0, -3, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
+        self.cont_max_ = [
+            5775, 257675, 65535, 969, 23159456, 431037, 56311, 6047, 29019, 46,
+            231, 4008, 7393
+        ]
+        self.cont_diff_ = [
+            self.cont_max_[i] - self.cont_min_[i]
+            for i in range(len(self.cont_min_))
+        ]
+        self.continuous_range_ = range(1, 14)
+        self.categorical_range_ = range(14, 40)
+        # load preprocessed feature dict
+        self.feat_dict_name = "sample_data/feat_dict_10.pkl2"
+        self.feat_dict_ = pickle.load(open(self.feat_dict_name, 'rb'))
+    def _process_line(self, line):
+        features = line.rstrip('\n').split('\t')
+        feat_idx = []
+        feat_value = []
+        for idx in self.continuous_range_:
+            if features[idx] == '':
+                feat_idx.append(0)
+                feat_value.append(0.0)
+            else:
+                feat_idx.append(self.feat_dict_[idx])
+                feat_value.append(
+                    (float(features[idx]) - self.cont_min_[idx - 1]) /
+                    self.cont_diff_[idx - 1])
+        for idx in self.categorical_range_:
+            if features[idx] == '' or features[idx] not in self.feat_dict_:
+                feat_idx.append(0)
+                feat_value.append(0.0)
+            else:
+                feat_idx.append(self.feat_dict_[features[idx]])
+                feat_value.append(1.0)
+        label = [int(features[0])]
+        return feat_idx, feat_value, label
+    def generate_sample(self, line):
+        """
+        Read the data line by line and process it as a dictionary
+        """
+        def data_iter():
+            feat_idx, feat_value, label = self._process_line(line)
+            s = ""
+            for i in [('feat_idx', feat_idx), ('feat_value', feat_value),
+                      ('label', label)]:
+                k = i[0]
+                v = i[1]
+                for j in v:
+                    s += " " + k + ":" + str(j)
+            print(s.strip())
+            yield None
+        return data_iter
+reader = Reader(
+    "../config.yaml")  # run this file in original folder to find config.yaml
+reader.init()
+reader.run_from_stdin()
+```
+### 快速调试Dataset
+我们可以脱离组网架构，单独验证Dataset的输出是否符合我们预期。使用命令
+`cat 数据文件 | python dataset读取python文件`进行dataset代码的调试：
+```bash
+cat train_data/part-0 | python python get_slot_data.py
+```
+输出的数据格式如下：
+`label:value dense_input:value ... dense_input:value sparse_input:value ... sparse_input:value `
+
+理想的输出为(截取了一个片段)：
+```bash
+...
+click:0 dense_feature:0.05 dense_feature:0.00663349917081 dense_feature:0.05 dense_feature:0.0 dense_feature:0.02159375 dense_feature:0.008 dense_feature:0.15 dense_feature:0.04 dense_feature:0.362 dense_feature:0.1 dense_feature:0.2 dense_feature:0.0 dense_feature:0.04 1:715353 2:817085 3:851010 4:833725 5:286835 6:948614 7:881652 8:507110 9:27346 10:646986 11:643076 12:200960 13:18464 14:202774 15:532679 16:729573 17:342789 18:562805 19:880474 20:984402 21:666449 22:26235 23:700326 24:452909 25:884722 26:787527
+...
+```
+### FM模型组网
+
+FM模型的组网本质是一个二分类任务，代码参考`model.py`。模型主要组成是一阶项部分，二阶项部分以及相应的分类任务的loss计算和auc计算。模型的组网可以较为方便的于公式对应，FM的表达式如下，可观察到，只是在线性表达式后面加入了新的交叉项特征及对应的权值。
+$$Out=sigmoid(b + \sum^{N}_{i=1}W_iX_i + \sum^{N-1}_{i=1}\sum^{N}_{j=i+1}W_{ij}X_iX_j)$$
+
+#### 一阶项部分
+一阶项部分类似于我们rank下的logistic_regression模型。主要由embedding层和reduce_sum层组成
+首先介绍Embedding层的搭建方式：`Embedding`层的输入是`feat_idx`，shape由超参的`sparse_feature_number`定义。需要特别解释的是`is_sparse`参数，当我们指定`is_sprase=True`后，计算图会将该参数视为稀疏参数，反向更新以及分布式通信时，都以稀疏的方式进行，会极大的提升运行效率，同时保证效果一致。
+各个稀疏的输入通过Embedding层后，进行reshape操作，方便和连续值进行结合。
+将离散数据通过embedding查表得到的值，与连续数据的输入进行相乘再累加的操作，合为一个一阶项的整体。
+我们又构造了一个初始化为0，shape为1的变量，作为公式前零阶项的部分。
+$$b + \sum^{N}_{i=1}W_iX_i$$
+
+```python
+first_weights_re = fluid.embedding(
+    input=feat_idx,
+    is_sparse=self.is_sparse,
+    is_distributed=self.is_distributed,
+    dtype='float32',
+    size=[self.sparse_feature_number + 1, 1],
+    padding_idx=0,
+    param_attr=fluid.ParamAttr(
+        initializer=fluid.initializer.TruncatedNormalInitializer(
+            loc=0.0, scale=init_value_),
+        regularizer=fluid.regularizer.L1DecayRegularizer(self.reg)))  # (batch_size * num_field) * 1 * 1(embedding_size)
+first_weights = fluid.layers.reshape(
+    first_weights_re,
+    shape=[-1, self.num_field, 1])  # batch_size * num_field * 1
+y_first_order = fluid.layers.reduce_sum((first_weights * feat_value),1)  # batch_size * 1
+b_linear = fluid.layers.create_parameter(
+    shape=[1],
+    dtype='float32',
+    default_initializer=fluid.initializer.ConstantInitializer(value=0))  # 1
+```
+
+#### 二阶项部分
+二阶项部分主要实现了公式中的交叉项部分，也就是特征的组合部分。Wij求解的思路是通过矩阵分解的方法。所有的二次项参数Wij可以组成一个对称阵W，那么这个矩阵就可以分解为 $W=V^TV$，V 的第 i 列便是第 i 维特征的隐向量。交叉项的展开式如下：
+$$\sum^{N-1}_{i=1}\sum^{N}_{j=i+1}W_{ij}X_iX_j =1/2\sum^{k}_{j=1}((\sum^{N}_{i=1}W_iX_i)^2-\sum^{N}_{i=1}W_i^2X_i^2)$$
+
+
+```python
+feat_embeddings_re = fluid.embedding(
+    input=feat_idx,
+    is_sparse=self.is_sparse,
+    is_distributed=self.is_distributed,
+    dtype='float32',
+    size=[self.sparse_feature_number + 1, self.sparse_feature_dim],
+    padding_idx=0,
+    param_attr=fluid.ParamAttr(
+        initializer=fluid.initializer.TruncatedNormalInitializer(
+            loc=0.0,
+            scale=init_value_ /
+            math.sqrt(float(self.sparse_feature_dim)))))  # (batch_size * num_field) * 1 * embedding_size
+feat_embeddings = fluid.layers.reshape(feat_embeddings_re,shape=[-1, self.num_field, self.sparse_feature_dim])  # batch_size * num_field * embedding_size
+feat_embeddings = feat_embeddings * feat_value
+ # sum_square part
+summed_features_emb = fluid.layers.reduce_sum(feat_embeddings, 1)  # batch_size * embedding_size
+summed_features_emb_square = fluid.layers.square(summed_features_emb)  # batch_size * embedding_size
+# square_sum part
+squared_features_emb = fluid.layers.square(feat_embeddings)  # batch_size * num_field * embedding_size
+squared_sum_features_emb = fluid.layers.reduce_sum(squared_features_emb, 1)  # batch_size * embedding_size
+y_FM = 0.5 * fluid.layers.reduce_sum(
+            summed_features_emb_square - squared_sum_features_emb,
+            dim=1,
+            keep_dim=True)  # batch_size * 1
+```
+
+#### Loss及Auc计算
+- 预测的结果通过直接通过激活函数sigmoid给出，为了得到每条样本分属于正负样本的概率，我们将预测结果和`1-predict`合并起来得到predict_2d，以便接下来计算auc。  
+- 每条样本的损失为负对数损失值，label的数据类型将转化为float输入。  
+- 该batch的损失`avg_cost`是各条样本的损失之和
+- 我们同时还会计算预测的auc，auc的结果由`fluid.layers.auc()`给出，该层的返回值有三个，分别是全局auc: `auc_var`，当前batch的auc: `batch_auc_var`，以及auc_states: `_`，auc_states包含了`batch_stat_pos, batch_stat_neg, stat_pos, stat_neg`信息。
+```
+self.predict = fluid.layers.sigmoid(b_linear + y_first_order + y_FM)
+cost = fluid.layers.log_loss(input=self.predict, label=fluid.layers.cast(self.label,"float32"))  # log_loss
+avg_cost = fluid.layers.reduce_sum(cost)
+self._cost = avg_cost
+predict_2d = fluid.layers.concat([1 - self.predict, self.predict], 1)
+label_int = fluid.layers.cast(self.label, 'int64')
+auc_var, batch_auc_var, _ = fluid.layers.auc(input=predict_2d,
+                                                     label=label_int,
+                                                     slide_steps=0)
+```
+
+完成上述组网后，我们最终可以通过训练拿到`auc`指标。