伴鱼：借助 Flink 完成机器学习特征系统的升级
本文作者陈易生，介绍了伴鱼平台机器学习特征系统的升级，在架构上，从 Spark 转为 Flink，解决了特征上线难的问题，以及 SQL + Python UDF 如何用于生产实践。 主要内容为：
- 前言
- 老版特征系统 V1
- 新版特征系统 V2
- 总结
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一、前言
在伴鱼，我们在多个在线场景使用机器学习提高用户的使用体验，例如：在伴鱼绘本中，我们根据用户的帖子浏览记录，为用户推荐他们感兴趣的帖子；在转化后台里，我们根据用户的绘本购买记录，为用户推荐他们可能感兴趣的课程等。
特征是机器学习模型的输入。如何高效地将特征从数据源加工出来，让它能够被在线服务高效地访问，决定了我们能否在生产环境可靠地使用机器学习。为此，我们搭建了特征系统，系统性地解决这一问题。目前，伴鱼的机器学习特征系统运行了接近 100 个特征，支持了多个业务线的模型对在线获取特征的需求。
下面，我们将介绍特征系统在伴鱼的演进过程，以及其中的权衡考量。
二、旧版特征系统 V1
特征系统 V1 由三个核心组件构成：特征管道，特征仓库，和特征服务。整体架构如下图所示：
v1 architecture
特征管道包括流特征管道和批特征管道，它们分别消费流数据源和批数据源，对数据经过预处理加工成特征 (这一步称为特征工程)，并将特征写入特征仓库。
- 批特征管道使用 Spark 实现，由 DolphinScheduler 进行调度，跑在 YARN 集群上；
- 出于技术栈的一致考虑，流特征管道使用 Spark Structured Streaming 实现，和批特征管道一样跑在 YARN 集群上。
特征仓库选用合适的存储组件 (Redis) 和数据结构 (Hashes)，为模型服务提供低延迟的特征访问能力。之所以选用 Redis 作为存储，是因为：
- 伴鱼有丰富的 Redis 使用经验；
- 包括 DoorDash Feature Store [1] 和 Feast [2] 在内的业界特征仓库解决方案都使用了 Redis。
特征服务屏蔽特征仓库的存储和数据结构，对外暴露 RPC 接口 GetFeatures(EntityName, FeatureNames)，提供对特征的低延迟点查询。在实现上，这一接口基本对应于 Redis 的 HMGET EntityName FeatureName_1 ... FeatureName_N 操作。
这一版本的特征系统存在几个问题：
- 算法工程师缺少控制，导致迭代效率低。这个问题与系统涉及的技术栈和公司的组织架构有关。在整个系统中，特征管道的迭代需求最高，一旦模型对特征有新的需求，就需要修改或者编写一个新的 Spark 任务。而 Spark 任务的编写需要有一定的 Java 或 Scala 知识，不属于算法工程师的常见技能，因此交由大数据团队全权负责。大数据团队同时负责多项数据需求，往往有很多排期任务。结果便是新特征的上线涉及频繁的跨部门沟通，迭代效率低；
- 特征管道只完成了轻量的特征工程，降低在线推理的效率。由于特征管道由大数据工程师而非算法工程师编写，复杂的数据预处理涉及更高的沟通成本，因此这些特征的预处理程度都比较轻量，更多的预处理被留到模型服务甚至模型内部进行，增大了模型推理的时延。
为了解决这几个问题，特征系统 V2 提出几个设计目的：
- 将控制权交还算法工程师，提高迭代效率；
- 将更高权重的特征工程交给特征管道，提高在线推理的效率。
三、新版特征系统 V2
特征系统 V2 相比特征系统 V1 在架构上的唯一不同点在于，它将特征管道切分为三部分：特征生成管道，特征源，和特征注入管道。值得一提的是，管道在实现上均从 Spark 转为 Flink，和公司数据基础架构的发展保持一致。特征系统 V2 的整体架构如下图所示：
v2 architecture
1. 特征生成管道
特征生成管道读取原始数据源，加工为特征，并将特征写入指定特征源 (而非特征仓库)。
- 如果管道以流数据源作为原始数据源，则它是流特征生成管道；
- 如果管道以批数据源作为原始数据源，则它是批特征生成管道。
特征生成管道的逻辑由算法工程师全权负责编写。其中，批特征生成管道使用 HiveQL 编写，由 DolphinScheduler 调度。流特征生成管道使用 PyFlink 实现，详情见下图：
v2 codegen
算法工程师需要遵守下面步骤：
- 用 Flink SQL 声明 Flink 任务源 (source.sql) 和定义特征工程逻辑 (transform.sql)；
- (可选) 用 Python 实现特征工程逻辑中可能包含的 UDF 实现 (udf_def.py)；
- 使用自研的代码生成工具，生成可执行的 PyFlink 任务脚本 (run.py)；
- 本地使用由平台准备好的 Docker 环境调试 PyFlink 脚本，确保能在本地正常运行；
- 把代码提交到一个统一管理特征管道的代码仓库，由 AI 平台团队进行代码审核。审核通过的脚本会被部署到伴鱼实时计算平台，完成特征生成管道的上线。
这一套流程确保了：
- 算法工程师掌握上线特征的自主权；
- 平台工程师把控特征生成管道的代码质量，并在必要时可以对它们实现重构，而无需算法工程师的介入。
2. 特征源
特征源存储从原始数据源加工形成的特征。值得强调的是，它同时还是连接算法工程师和 AI 平台工程师的桥梁。算法工程师只负责实现特征工程的逻辑，将原始数据加工为特征，写入特征源，剩下的事情就交给 AI 平台。平台工程师实现特征注入管道，将特征写入特征仓库，以特征服务的形式对外提供数据访问服务。
3. 特征注入管道
特征注入管道将特征从特征源读出，写入特征仓库。由于 Flink 社区缺少对 Redis sink 的原生支持，我们通过拓展 RichSinkFunction [3] 简单地实现了 StreamRedisSink 和 BatchRedisSink，很好地满足我们的需求。
其中，BatchRedisSink 通过 Flink Operator State [4] 和 Redis Pipelining [5] 的简单结合，大量参考 Flink 文档中的 BufferingSink，实现了批量写入，大幅减少对 Redis Server 的请求量，增大吞吐，写入效率相比逐条插入提升了 7 倍 [6]。BatchRedisSink 的简要实现如下。其中，flush 实现了批量写入 Redis 的核心逻辑，checkpointedState / bufferedElements / snapshotState / initializeState 实现了使用 Flink 有状态算子管理元素缓存的逻辑。
class BatchRedisSink(
pipelineBatchSize: Int
) extends RichSinkFunction[(String, Timestamp, Map[String, String])]
with CheckpointedFunction {
@transient
private var checkpointedState
: ListState[(String, java.util.Map[String, String])] = _
private val bufferedElements
: ListBuffer[(String, java.util.Map[String, String])] =
ListBuffer.empty[(String, java.util.Map[String, String])]
private var jedisPool: JedisPool = _
override def invoke(
value: (String, Timestamp, Map[String, String]),
context: SinkFunction.Context
): Unit = {
import scala.collection.JavaConverters._
val (key, _, featureKVs) = value
bufferedElements += (key -> featureKVs.asJava)
if (bufferedElements.size == pipelineBatchSize) {
flush()
}
}
private def flush(): Unit = {
var jedis: Jedis = null
try {
jedis = jedisPool.getResource
val pipeline = jedis.pipelined()
for ((key, hash) <- bufferedElements) {
pipeline.hmset(key, hash)
}
pipeline.sync()
} catch { ... } finally { ... }
bufferedElements.clear()
}
override def snapshotState(context: FunctionSnapshotContext): Unit = {
checkpointedState.clear()
for (element <- bufferedElements) {
checkpointedState.add(element)
}
}
override def initializeState(context: FunctionInitializationContext): Unit = {
val descriptor =
new ListStateDescriptor[(String, java.util.Map[String, String])](
"buffered-elements",
TypeInformation.of(
new TypeHint[(String, java.util.Map[String, String])]() {}
)
)
checkpointedState = context.getOperatorStateStore.getListState(descriptor)
import scala.collection.JavaConverters._
if (context.isRestored) {
for (element <- checkpointedState.get().asScala) {
bufferedElements += element
}
}
}
override def open(parameters: Configuration): Unit = {
try {
jedisPool = new JedisPool(...)
} catch { ... }
}
override def close(): Unit = {
flush()
if (jedisPool != null) {
jedisPool.close()
}
}
}
特征系统 V2 很好地满足了我们提出的设计目的。
- 由于特征生成管道的编写只需用到 SQL 和 Python 这两种算法工程师十分熟悉的工具，因此他们全权负责特征生成管道的编写和上线，无需依赖大数据团队，大幅提高了迭代效率。在熟悉后，算法工程师通常只需花费半个小时以内，就可以完成流特征的编写、调试和上线。而这个过程原本需要花费数天，取决于大数据团队的排期；
- 出于同样的原因，算法工程师可以在有需要的前提下，完成更重度的特征工程，从而减少模型服务和模型的负担，提高模型在线推理效率。
四、总结
特征系统 V1 解决了特征上线的问题，而特征系统 V2 在此基础上，解决了特征上线难的问题。在特征系统的演进过程中，我们总结出作为平台研发的几点经验：
- 平台应该提供用户想用的工具。这与 Uber ML 平台团队在内部推广的经验 [7] 相符。算法工程师在 Python 和 SQL 环境下工作效率最高，而不熟悉 Java 和 Scala。那么，想让算法工程师自主编写特征管道，平台应该支持算法工程师使用 Python 和 SQL 编写特征管道，而不是让算法工程师去学 Java 和 Scala，或是把工作转手给大数据团队去做；
- 平台应该提供易用的本地调试工具。我们提供的 Docker 环境封装了 Kafka 和 Flink，让用户可以在本地快速调试 PyFlink 脚本，而无需等待管道部署到测试环境后再调试；
- 平台应该在鼓励用户自主使用的同时，通过自动化检查或代码审核等方式牢牢把控质量。
Reference
[1] https://doordash.engineering/2020/11/19/building-a-gigascale-ml-feature-store-with-redis/
[2] https://docs.feast.dev/feast-on-kubernetes/concepts/stores#online-store
[5] https://redis.io/topics/pipelining
[6] https://site-git-update-feature-system-yishengdd.vercel.app/posts/flink-bulk-insert-redis
