LightGBM：更好更快地用于工业实践集成学习算法

本文主要是介绍LightGBM：更好更快地用于工业实践集成学习算法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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LightGBM：更好更快地用于工业实践集成学习算法

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1. LightGBM简介
- 1.1 LightGBM提出的动机
- 1.2 XGBoost的缺点及LightGBM的优化
2. LightGBM的基本原理
- 2.1 基于Histogram的决策树算法
- 2.2 带深度限制的 Leaf-wise 算法
- 2.3 单边梯度采样算法
- 2.4 互斥特征捆绑算法
3. LightGBM的优缺点
- 3.1 优点
- 3.2 缺点

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1. LightGBM简介

GBDT (Gradient Boosting Decision Tree) 是机器学习中一个长盛不衰的模型，其主要思想是利用弱分类器（决策树）迭代训练以得到最优模型，该模型具有训练效果好、不易过拟合等优点。GBDT不仅在工业界应用广泛，通常被用于多分类、点击率预测、搜索排序等任务；在各种数据挖掘竞赛中也是致命武器，据统计Kaggle上的比赛有一半以上的冠军方案都是基于GBDT。而LightGBM（Light Gradient Boosting Machine）是一个实现GBDT算法的框架，支持高效率的并行训练，并且具有更快的训练速度、更低的内存消耗、更好的准确率、支持分布式可以快速处理海量数据等优点。

1.1 LightGBM提出的动机

常用的机器学习算法，例如神经网络等算法，都可以以mini-batch的方式训练，训练数据的大小不会受到内存限制。而GBDT在每一次迭代的时候，都需要遍历整个训练数据多次。如果把整个训练数据装进内存则会限制训练数据的大小；如果不装进内存，反复地读写训练数据又会消耗非常大的时间。尤其面对工业级海量的数据，普通的GBDT算法是不能满足其需求的。

LightGBM提出的主要原因就是为了解决GBDT在海量数据遇到的问题，让GBDT可以更好更快地用于工业实践。

1.2 XGBoost的缺点及LightGBM的优化

（1）XGBoost的缺点

在LightGBM提出之前，最有名的GBDT工具就是XGBoost了，它是基于预排序方法的决策树算法。这种构建决策树的算法基本思想是：首先，对所有特征都按照特征的数值进行预排序。其次，在遍历分割点的时候用O(#data)的代价找到一个特征上的最好分割点。最后，在找到一个特征的最好分割点后，将数据分裂成左右子节点。

这样的预排序算法的优点是能精确地找到分割点。但是缺点也很明显：首先，空间消耗大。这样的算法需要保存数据的特征值，还保存了特征排序的结果（例如，为了后续快速的计算分割点，保存了排序后的索引），这就需要消耗训练数据两倍的内存。其次，时间上也有较大的开销，在遍历每一个分割点的时候，都需要进行分裂增益的计算，消耗的代价大。最后，对cache优化不友好。在预排序后，特征对梯度的访问是一种随机访问，并且不同的特征访问的顺序不一样，无法对cache进行优化。同时，在每一层长树的时候，需要随机访问一个行索引到叶子索引的数组，并且不同特征访问的顺序也不一样，也会造成较大的cache miss。

（2）LightGBM的优化

为了避免上述XGBoost的缺陷，并且能够在不损害准确率的条件下加快GBDT模型的训练速度，lightGBM在传统的GBDT算法上进行了如下优化：

基于Histogram的决策树算法。

单边梯度采样 Gradient-based One-Side Sampling(GOSS)：使用GOSS可以减少大量只具有小梯度的数据实例，这样在计算信息增益的时候只利用剩下的具有高梯度的数据就可以了，相比XGBoost遍历所有特征值节省了不少时间和空间上的开销。
互斥特征捆绑 Exclusive Feature Bundling(EFB)：使用EFB可以将许多互斥的特征绑定为一个特征，这样达到了降维的目的。
带深度限制的Leaf-wise的叶子生长策略：大多数GBDT工具使用低效的按层生长 (level-wise) 的决策树生长策略，因为它不加区分的对待同一层的叶子，带来了很多没必要的开销。实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂。LightGBM使用了带有深度限制的按叶子生长 (leaf-wise) 算法。
直接支持类别特征(Categorical Feature)
支持高效并行
Cache命中率优化
下面我们就详细介绍以上提到的lightGBM优化算法。

2. LightGBM的基本原理

2.1 基于Histogram的决策树算法

（1）直方图算法

Histogram algorithm应该翻译为直方图算法，直方图算法的基本思想是：先把连续的浮点特征值离散化成k个整数，同时构造一个宽度为k的直方图。在遍历数据的时候，根据离散化后的值作为索引在直方图中累积统计量，当遍历一次数据后，直方图累积了需要的统计量，然后根据直方图的离散值，遍历寻找最优的分割点。

在这里插入图片描述

Histogram算法并不是完美的。由于特征被离散化后，找到的并不是很精确的分割点，所以会对结果产生影响。但在不同的数据集上的结果表明，离散化的分割点对最终的精度影响并不是很大，甚至有时候会更好一点。原因是决策树本来就是弱模型，分割点是不是精确并不是太重要；较粗的分割点也有正则化的效果，可以有效地防止过拟合；即使单棵树的训练误差比精确分割的算法稍大，但在梯度提升（Gradient Boosting）的框架下没有太大的影响。

（2）直方图做差加速

LightGBM另一个优化是Histogram（直方图）做差加速。一个叶子的直方图可以由它的父亲节点的直方图与它兄弟的直方图做差得到，在速度上可以提升一倍。通常构造直方图时，需要遍历该叶子上的所有数据，但直方图做差仅需遍历直方图的k个桶。在实际构建树的过程中，LightGBM还可以先计算直方图小的叶子节点，然后利用直方图做差来获得直方图大的叶子节点，这样就可以用非常微小的代价得到它兄弟叶子的直方图。
注意：XGBoost 在进行预排序时只考虑非零值进行加速，而 LightGBM 也采用类似策略：只用非零特征构建直方图。

2.2 带深度限制的 Leaf-wise 算法

在Histogram算法之上，LightGBM进行进一步的优化。首先它抛弃了大多数GBDT工具使用的按层生长 (level-wise) 的决策树生长策略，而使用了带有深度限制的按叶子生长 (leaf-wise) 算法。

XGBoost 采用 Level-wise 的增长策略，该策略遍历一次数据可以同时分裂同一层的叶子，容易进行多线程优化，也好控制模型复杂度，不容易过拟合。但实际上Level-wise是一种低效的算法，因为它不加区分的对待同一层的叶子，实际上很多叶子的分裂增益较低，没必要进行搜索和分裂，因此带来了很多没必要的计算开销。
在这里插入图片描述
LightGBM采用Leaf-wise的增长策略，该策略每次从当前所有叶子中，找到分裂增益最大的一个叶子，然后分裂，如此循环。因此同Level-wise相比，Leaf-wise的优点是：在分裂次数相同的情况下，Leaf-wise可以降低更多的误差，得到更好的精度；Leaf-wise的缺点是：可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM会在Leaf-wise之上增加了一个最大深度的限制，在保证高效率的同时防止过拟合。

2.3 单边梯度采样算法

Gradient-based One-Side Sampling 应该被翻译为单边梯度采样（GOSS）。GOSS算法从减少样本的角度出发，排除大部分小梯度的样本，仅用剩下的样本计算信息增益，它是一种在减少数据量和保证精度上平衡的算法。

AdaBoost中，样本权重是数据重要性的指标。然而在GBDT中没有原始样本权重，不能应用权重采样。幸运的是，我们观察到GBDT中每个数据都有不同的梯度值，对采样十分有用。即梯度小的样本，训练误差也比较小，说明数据已经被模型学习得很好了，直接想法就是丢掉这部分梯度小的数据。然而这样做会改变数据的分布，将会影响训练模型的精确度，为了避免此问题，提出了GOSS算法。
在这里插入图片描述

2.4 互斥特征捆绑算法

在这里插入图片描述

3. LightGBM的优缺点

3.1 优点

这部分主要总结下 LightGBM 相对于 XGBoost 的优点，从内存和速度两方面进行介绍。

（1）速度更快

LightGBM 采用了直方图算法将遍历样本转变为遍历直方图，极大的降低了时间复杂度；
LightGBM 在训练过程中采用单边梯度算法过滤掉梯度小的样本，减少了大量的计算；
LightGBM 采用了基于 Leaf-wise 算法的增长策略构建树，减少了很多不必要的计算量；
LightGBM 采用优化后的特征并行、数据并行方法加速计算，当数据量非常大的时候还可以采用投票并行的策略；
LightGBM 对缓存也进行了优化，增加了缓存命中率；
（2）内存更小

XGBoost使用预排序后需要记录特征值及其对应样本的统计值的索引，而 LightGBM 使用了直方图算法将特征值转变为 bin 值，且不需要记录特征到样本的索引，将空间复杂度从
降低为
，极大的减少了内存消耗；
LightGBM 采用了直方图算法将存储特征值转变为存储 bin 值，降低了内存消耗；
LightGBM 在训练过程中采用互斥特征捆绑算法减少了特征数量，降低了内存消耗。

3.2 缺点

可能会长出比较深的决策树，产生过拟合。因此LightGBM在Leaf-wise之上增加了一个最大深度限制，在保证高效率的同时防止过拟合；
Boosting族是迭代算法，每一次迭代都根据上一次迭代的预测结果对样本进行权重调整，所以随着迭代不断进行，误差会越来越小，模型的偏差（bias）会不断降低。由于LightGBM是基于偏差的算法，所以会对噪点较为敏感；
在寻找最优解时，依据的是最优切分变量，没有将最优解是全部特征的综合这一理念考虑进去；

4.代码实例
环境配置：

pip install lightgbm

分类代码：

import lightgbm as lgb
from sklearn import datasets
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
from sklearn.metrics import roc_auc_score, accuracy_score# 加载数据
iris = datasets.load_iris()# 划分训练集和测试集
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(iris.data, iris.target, test_size=0.3)# 转换为Dataset数据格式
train_data = lgb.Dataset(X_train, label=y_train)
validation_data = lgb.Dataset(X_test, label=y_test)# 参数
params = {'learning_rate': 0.1,'lambda_l1': 0.1,'lambda_l2': 0.2,'max_depth': 4,'objective': 'multiclass',  # 目标函数'num_class': 3,
}# 模型训练
gbm = lgb.train(params, train_data, valid_sets=[validation_data])# 模型预测
y_pred = gbm.predict(X_test)
y_pred = [list(x).index(max(x)) for x in y_pred]
print(y_pred)# 模型评估
print(accuracy_score(y_test, y_pred))

回归代码：

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
import lightgbm as lgb
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.preprocessing import Imputer# 1.读文件
data = pd.read_csv('./dataset/train.csv')# 2.切分数据输入：特征 输出：预测目标变量
y = data.SalePrice
X = data.drop(['SalePrice'], axis=1).select_dtypes(exclude=['object'])# 3.切分训练集、测试集,切分比例7.5 : 2.5
train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(X.values, y.values, test_size=0.25)# 4.空值处理，默认方法：使用特征列的平均值进行填充
my_imputer = Imputer()
train_X = my_imputer.fit_transform(train_X)
test_X = my_imputer.transform(test_X)# 5.转换为Dataset数据格式
lgb_train = lgb.Dataset(train_X, train_y)
lgb_eval = lgb.Dataset(test_X, test_y, reference=lgb_train)# 6.参数
params = {'task': 'train','boosting_type': 'gbdt',  # 设置提升类型'objective': 'regression',  # 目标函数'metric': {'l2', 'auc'},  # 评估函数'num_leaves': 31,  # 叶子节点数'learning_rate': 0.05,  # 学习速率'feature_fraction': 0.9,  # 建树的特征选择比例'bagging_fraction': 0.8,  # 建树的样本采样比例'bagging_freq': 5,  # k 意味着每 k 次迭代执行bagging'verbose': 1  # <0 显示致命的, =0 显示错误 (警告), >0 显示信息
}# 7.调用LightGBM模型，使用训练集数据进行训练（拟合）
# Add verbosity=2 to print messages while running boosting
my_model = lgb.train(params, lgb_train, num_boost_round=20, valid_sets=lgb_eval, early_stopping_rounds=5)# 8.使用模型对测试集数据进行预测
predictions = my_model.predict(test_X, num_iteration=my_model.best_iteration)# 9.对模型的预测结果进行评判（平均绝对误差）
print("Mean Absolute Error : " + str(mean_absolute_error(predictions, test_y)))

此外，sk-learn也集成了该算法：

分类代码：

from lightgbm import LGBMClassifier
from sklearn.metrics import accuracy_score
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.datasets import load_iris
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.externals import joblib# 加载数据
iris = load_iris()
data = iris.data
target = iris.target# 划分训练数据和测试数据
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(data, target, test_size=0.2)# 模型训练
gbm = LGBMClassifier(num_leaves=31, learning_rate=0.05, n_estimators=20)
gbm.fit(X_train, y_train, eval_set=[(X_test, y_test)], early_stopping_rounds=5)# 模型存储
joblib.dump(gbm, 'loan_model.pkl')
# 模型加载
gbm = joblib.load('loan_model.pkl')# 模型预测
y_pred = gbm.predict(X_test, num_iteration=gbm.best_iteration_)# 模型评估
print('The accuracy of prediction is:', accuracy_score(y_test, y_pred))# 特征重要度
print('Feature importances:', list(gbm.feature_importances_))# 网格搜索，参数优化
estimator = LGBMClassifier(num_leaves=31)
param_grid = {'learning_rate': [0.01, 0.1, 1],'n_estimators': [20, 40]
}
gbm = GridSearchCV(estimator, param_grid)
gbm.fit(X_train, y_train)
print('Best parameters found by grid search are:', gbm.best_params_)

回归代码：

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
import lightgbm as lgb
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.preprocessing import Imputer# 1.读文件
data = pd.read_csv('./dataset/train.csv')# 2.切分数据输入：特征 输出：预测目标变量
y = data.SalePrice
X = data.drop(['SalePrice'], axis=1).select_dtypes(exclude=['object'])# 3.切分训练集、测试集,切分比例7.5 : 2.5
train_X, test_X, train_y, test_y = train_test_split(X.values, y.values, test_size=0.25)# 4.空值处理，默认方法：使用特征列的平均值进行填充
my_imputer = Imputer()
train_X = my_imputer.fit_transform(train_X)
test_X = my_imputer.transform(test_X)# 5.调用LightGBM模型，使用训练集数据进行训练（拟合）
# Add verbosity=2 to print messages while running boosting
my_model = lgb.LGBMRegressor(objective='regression', num_leaves=31, learning_rate=0.05, n_estimators=20,verbosity=2)
my_model.fit(train_X, train_y, verbose=False)# 6.使用模型对测试集数据进行预测
predictions = my_model.predict(test_X)# 7.对模型的预测结果进行评判（平均绝对误差）
print("Mean Absolute Error : " + str(mean_absolute_error(predictions, test_y)))