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XGBoost介绍

news 来源：原创 2025/5/21 12:36:22

XGBoost：是eXtreme Gradient Boosting(极端梯度提升)的缩写，是一种强大的集成学习(ensemble learning)算法，旨在提高效率、速度和高性能。XGBoost是梯度提升(Gradient Boosting)的优化实现。集成学习将多个弱模型组合起来，形成一个更强大的模型。可用于回归、分类、排序。

源码地址：https://github.com/dmlc/xgboost，它是经过优化的，可扩展、可移植和分布式梯度提升(GBDT, GBRT or GBM)库，适用于Python、C++等，可在单机、Hadoop、Spark等上运行，支持在Linux、Mac、Windows上的安装，license为Apache-2.0，最新发布版本为2.1.4。

XGBoost使用决策树(decision trees)作为基础学习器(learners)，按顺序组合它们以提高模型的性能。每棵新树都经过训练以纠正前一棵树的错误，这个过程称为提升(boosting)。该过程可以分解如下：

(1).从基础学习器开始：第一个模型决策树在数据上进行训练。在回归任务中，这个基础模型只是预测目标变量的平均值。

(2).计算误差：训练第一棵树后，计算预测值和实际值之间的误差。

(3).训练下一棵树：下一棵树在前一棵树的错误上进行训练。此步骤尝试纠正第一棵树所犯的错误。

(4).重复该过程：这个过程继续进行，每棵新树都试图纠正前一棵树的错误，直到满足停止标准。

(5).合并预测：最终预测是所有树的预测总和。

XGBoost模型主要保存为二进制文件UBJSON、也可选择JSON或文本格式。

XGBoost优势：

(1).具有高度可扩展性和高效率，适合处理大型数据集。

(2).实现并行处理技术并利用硬件优化来加快训练过程，在训练期间使用所有CPU内核并行构建树。

(3).提供了广泛的可自定义参数和正则化技术，允许用户根据自己的特定需求对模型进行微调。

(4).分布式计算，可使用一组机器训练非常大的模型。

XGBoost缺点：

(1).计算量非常大，尤其是在训练复杂模型时，因此不太适合资源受限的系统。

(2).对噪声数据或异常值很敏感，因此需要数据预处理才能获得最佳性能。

(3).在小数据集上或在模型中使用过多树时容易过拟合。

注意：

(1).只有Linux平台支持使用多个GPU进行训练。

(2).本地安装时，Linux上需要glibc 2.28+；Windows上需要安装Visual C++ Redistributable。pip的版本需要21.3+。

(3).使用pip的默认安装("pip install xgboost")将安装完整的XGBoost包，包括对GPU算法和联合学习(federated learning)的支持。可安装仅cpu版的，执行"pip install xgboost-cpu"，此版本将减少安装包的大小并节省磁盘空间，但不提供某些功能，如GPU算法和联合学习。

(4).通过Conda安装，执行"conda install -c conda-forge py-xgboost"，Conda应该能够检测到您的机器上是否存在GPU，并安装正确的XGBoost变体。也可指定仅安装cpu版本，执行"conda install -c conda-forge py-xgboost-cpu"。

注：以上整理的内容主要来自：

1. https://xgboost.readthedocs.io/en/latest/

2. ttps://machinelearningmastery.com

3. https://www.geeksforgeeks.org/xgboost/

以下Python测试代码用于回归，使用波士顿房价数据集，共包含506个样本，每个样本有13个特征和1个目标变量：

import colorama
import argparse
import pandas as pd
import xgboost as xgb

def parse_args():
	parser = argparse.ArgumentParser(description="test XGBoost")
	parser.add_argument("--task", required=True, type=str, choices=["regress", "classify", "rank"], help="specify what kind of task")
	parser.add_argument("--csv", required=True, type=str, help="source csv file")
	parser.add_argument("--model", required=True, type=str, help="model file, save or load")

	args = parser.parse_args()
	return args

def split_train_test(X, y):
	X = X.sample(frac=1, random_state=42).reset_index(drop=True) # random_state=42: make the results consistent each time
	y = y.sample(frac=1, random_state=42).reset_index(drop=True)

	index = int(len(X) * 0.8)
	X_train, X_test = X[:index], X[index:]
	y_train, y_test = y[:index], y[index:]
	return X_train, X_test, y_train, y_test

def calculate_rmse(input, target): # Root Mean Squared Error
	return (sum((input - target) ** 2) / len(input)) ** 0.5

def regress(csv_file, model_file):
	# 1. load data
	data = pd.read_csv(csv_file)

	# 2. split into training set and test se
	X = data.drop('MEDV', axis=1)
	y = data['MEDV']
	print(f"X: type: {type(X)}, shape: {X.shape}; y: type: {type(X)}, shape: {y.shape}")

	X_train, X_test, y_train, y_test = split_train_test(X, y)

	train_dmatrix = xgb.DMatrix(X_train, label=y_train)
	test_dmatrix = xgb.DMatrix(X_test, label=y_test)
	print(f"train_dmatrix type: {type(train_dmatrix)}, shape(h,w): {train_dmatrix.num_row()}, {train_dmatrix.num_col()}")

	# 3. set XGBoost params
	params = {
		'objective': 'reg:squarederror', # specify the learning task: classify: binary:logistic or multi:softmax or multi:softprob; rank: rank:ndcg
		'max_depth': 5, # maximum tree depth
		'eta': 0.1, # learning rate
		'subsample': 0.8, # subsample ratio of the training instance
		'colsample_bytree': 0.8, # subsample ratio of columns when constructing each tree
		'seed': 42, # random number seed
		'eval_metric': 'rmse' # metric used for monitoring the training result and early stopping
	}

	# 4. train model
	best = xgb.train(params, train_dmatrix, num_boost_round=1000) # num_boost_round: epochs

	# 5. predict
	y_pred = best.predict(test_dmatrix)
	# print(f"y_pred: {y_pred}")

	# 6. evaluate the model
	rmse = calculate_rmse(y_test, y_pred)
	print(f"rmse: {rmse}")

	# 7. save model
	best.save_model(model_file)

	# 8. load mode and predict
	model = xgb.Booster()
	model.load_model(model_file)
	result = model.predict(test_dmatrix)

	test_label = test_dmatrix.get_label()
	for idx in range(len(result)):
		print(f"ground truth: {test_label[idx]:.1f}, \tpredict: {result[idx]:.1f}")

if __name__ == "__main__":
	print("xgboost version:", xgb.__version__)
	colorama.init(autoreset=True)
	args = parse_args()

	if args.task == "regress":
		regress(args.csv, args.model)

	print(colorama.Fore.GREEN + "====== execution completed ======")

执行结果如下图所示：