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基於Hadoop MapReduce的矩陣乘法實現

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本文簡單介紹一種最基本的矩陣乘法的實現方法。

設有矩陣A(M×N)和矩陣B(N×K)，令C=A*B, 那麽矩陣C(M×K)的元素為：

gif.latex其中Cik是C的第i行第k列的元素;Aij是A的第i行第j列的元素；Bjk是B的第j行第k列的元素。

注意：如果A和B可乘，那麽A的列數等於B的行數。

對於小數據量下的矩陣運算，可以直接在單機內存中根據上述公式直接計算得到。對於大數據下的矩陣運算，我們可以把上述公式搬到hadoop上來實現。

通常在Hadoop上通過MapReduce 實現矩陣運算需要兩輪:第一步計算A和B對應的元素兩兩乘積(Aij * Bjk)；第二步，對所有的j, 將上一步得到的Aij*Bjk的乘積求和。具體說明如下：

  • 第一輪
    • Map: 將矩陣A，B的元素分別表示成鍵值對的形式，其中A的元素Aij表示為j => (A, i, Aij), B的元素Bjk表示為j => (B, k, Bjk)。
    • Reduce: 對於每個鍵j, 將j對應的所有A中的元素和對應的所有B中的元素兩兩相乘(Aij*Bjk)，輸出i,k => Aij * Bjk，其中i,k組合在一起作為輸出的鍵值。
  • 第二輪
    • Map: 直接做cat操作(上一輪的i,k為key, 對應的乘積為value)
    • Reduce: 將組合鍵i,k對應的所有value求和。輸出i,k => sum即為結果矩陣的元素(第i行第k列)。

上述算法的時間負責度: 由於計算結果矩陣C的每個元素需要將矩陣A的整行和B的整列對應的元素相乘，其時間複雜度為O(N)，而C總共有M*K個，所以總的時間複雜度為O(M*K*N)，如果M=N=K，就是O(N3)。[注：目前最好的矩陣乘法時間負責度為O(N2.367)，其中strassen的方法是O(Nlog7)≈O(N2.8074)，他采用分治思想並將最後2×2小矩陣的計算時間從8次減少到7次]

上述兩輪MapReduce的具體實現如下：

  1. 第一輪的hadoop streaming控製程序 
    
#!/bin/bash
#矩陣乘法, MR第一輪計算
if [ $# -ne 0 ]
then
    echo "Usage: $0"
    exit 1
fi

INPUT_DIR=/data/fuqingchuan/matrix/A4x4.txt,/data/fuqingchuan/matrix/B4x3.txt
OUTPUT_DIR=/data/fuqingchuan/matrix/one/
STREAM_FILE="/home/hadoop/hadoop-2.3.0-cdh5.1.0/share/hadoop/tools/lib/hadoop-streaming-2.3.0-cdh5.1.0.jar"
${HADOOP_HOME}/bin/hadoop fs -rm -r ${OUTPUT_DIR}
${HADOOP_HOME}/bin/hadoop jar ${STREAM_FILE} \
    -D mapreduce.job.name="matrix-one-fuqingchuan" \
    -D mapreduce.job.reduces=100 \
    -D mapreduce.job.priority=NORMAL \
    -D mapreduce.job.map.capacity=100 \
    -D mapreduce.job.reduce.capacity=100 \
    -D mapreduce.job.reduce.slowstart.completedmaps=0.95 \
    -D stream.num.map.output.key.fields=1 \
    -D stream.memory.limit=1000 \
    -D mapreduce.map.memory.mb=1000 \
    -D mapreduce.reduce.memory.mb=1000 \
    -D mapreduce.reduce.failures.maxpercent=1 \
    -input ${INPUT_DIR} \
    -output ${OUTPUT_DIR} \
    -mapper "python mapper_one.py" \
    -reducer "python reducer_one.py" \
    -file ./mapper_one.py \
    -file ./reducer_one.py

exit 0
  2. 第一輪的mapper(以j作為Key): 
    
#!/usr/bin/python
#coding=utf8
#matrix multiplier : first round.
#input: two matrix, A(mxn), B(nxk)
#output: (j A i Aij) or (j B k Bjk)
import sys;
import logging as log;
if __name__ == "__main__":
    for rawline in sys.stdin:
        line = rawline.rstrip();
        if len(line) <= 0:
            continue;	
        fields = line.split(" ");
        flen = len(fields);
        if flen < 3:
            log.warning("invalid input line:%s"%line.rstrip());
            continue;
        name = fields[0];
        if name != "A" and name != "B":
            log.warning("invalid matrix name:%s. It should be A|B.");
            continue;
        row = fields[1];
        for idx in range(2, flen):
            value = fields[idx];
            if name == "A":  # Aij => j A i Aij
                i = row;
                j = idx - 2;
                print "%d\t%s\t%s\t%s"%(j, name, i, value);
            else: # Bjk => j B k Bjk
                j = row;
                k = idx - 2;
                print "%s\t%s\t%d\t%s"%(j, name, k, value);
    sys.exit(0);

     

  3. 第一輪的reducer(計算乘積，並以i,k作為Key輸出): 
    
#!/usr/bin/python
#coding=utf8
#matrix multiplier : first round.
#input: a matrix[Aij -> ith row, jth col]
#output: 
import sys;
import logging as log;

def output(listA, listB):
    for Aij in listA:
        for Bjk in listB:
            A_i = Aij[0];
            A_j = Aij[1];
            A_v = Aij[2];
            B_j = Bjk[0];
            B_k = Bjk[1];
            B_v = Bjk[2];
            if A_j != B_j:
                continue;
            print "%d,%d\t%d"%(A_i, B_k, A_v * B_v);
                
if __name__ == "__main__":
    listA = [];
    listB = [];
    last_j = None;
    for rawline in sys.stdin:
        line = rawline.rstrip();
        if len(line) <= 0:
            continue;	
        fields = line.split("\t");
        flen = len(fields);
        if flen != 4:
            log.warning("invalid input line:%s"%line.rstrip());
            continue;
        j = int(fields[0]);
        name = fields[1];
        value = int(fields[3]);
        if last_j == None or j == last_j:
            pass;
        else:
            output(listA, listB);
            listA = [];
            listB = [];

        if name == "A":
            i = int(fields[2]);
            listA.append((i, j, value));
        else: #B
            k = int(fields[2]);
            listB.append((j, k, value));

        last_j = j;
    if last_j != None:
        output(listA, listB);

    sys.exit(0);

     

  4. 第二輪的hadoop streaming總控程序： 
    
#!/bin/bash
#矩陣乘法, MR第二輪計算
if [ $# -ne 0 ]
then
    echo "Usage: $0"
    exit 1
fi

INPUT_DIR=/data/fuqingchuan/matrix/one/
OUTPUT_DIR=/data/fuqingchuan/matrix/two/
STREAM_FILE="/home/hadoop/hadoop-2.3.0-cdh5.1.0/share/hadoop/tools/lib/hadoop-streaming-2.3.0-cdh5.1.0.jar"
${HADOOP_HOME}/bin/hadoop fs -rm -r ${OUTPUT_DIR}
${HADOOP_HOME}/bin/hadoop jar ${STREAM_FILE} \
    -D mapreduce.job.name="matrix-two-fuqingchuan" \
    -D mapreduce.job.reduces=100 \
    -D mapreduce.job.priority=NORMAL \
    -D mapreduce.job.map.capacity=100 \
    -D mapreduce.job.reduce.capacity=100 \
    -D mapreduce.job.reduce.slowstart.completedmaps=0.95 \
    -D stream.num.map.output.key.fields=1 \
    -D stream.memory.limit=1000 \
    -D mapreduce.map.memory.mb=1000 \
    -D mapreduce.reduce.memory.mb=1000 \
    -D mapreduce.reduce.failures.maxpercent=1 \
    -input ${INPUT_DIR} \
    -output ${OUTPUT_DIR} \
    -mapper "cat" \
    -reducer "python reducer_two.py" \
    -file ./reducer_two.py

exit 0

     

  5. 第二輪mapper直接cat就可以了。
  6. 第二輪reducer(求和，以i,k作為Key輸出): 
    
#!/usr/bin/python
#coding=utf8
#matrix multiplier : first round.
#input: a matrix[Aij -> ith row, jth col]
#output: 
import sys;
import logging as log;

def output(last_ik, sum):
    print "%s\t%d"%(last_ik, sum);	
if __name__ == "__main__":
    last_ik = None;
    sum = 0;
    for rawline in sys.stdin:
        line = rawline.rstrip();
        if len(line) <= 0:
            continue;	
        fields = line.split("\t");
        flen = len(fields);
        if flen != 2:
            log.warning("invalid input line:%s"%line.rstrip());
            continue;
        ik = fields[0];
        value = int(fields[1]);
        if last_ik == None or ik == last_ik:
            sum += value;
        else:
            output(last_ik, sum);
            sum = value;
        last_ik = ik;
    if last_ik != None:
        output(last_ik, sum);

    sys.exit(0);
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