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怎么科学有效的学习算法？分享我的算法学习经验

2022 年 11 月 13 日 极市平台

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作者丨石塔西

来源丨推荐道

编辑丨极市平台

极市导读

非计算机科班出身，工作后通过自学转行做算法，来看看作者的学习经验总结。 >>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿

前言

看到知乎上有很多人提问“怎么学习算法”？对于这个问题，我想我是非常有资格回答的，因为我不是计算机科班出身，工作几年后通过自学，不仅转行做了推荐算法，而且我的算法水平无论是在公司内部还是在网络上，也都得到了广泛认可，算是转行成功的，我的学习方法也算是“亲测有效”。

总结一下我的算法学习经验，分享给大家。正所谓“授人以鱼，不如授之以渔”，希望能够对准备投入算法行为开卷的同学，和已经在算法行业卷得不亦乐乎的同学，都有所帮助。

我的知识库工具

工欲善其事，必先利其器。每年人工智能领域出的文章汗牛充栋，如果对自己的记忆力抱有“迷之自信”而不做读书笔记，后果只能是“狗熊掰棒子”，时间一长，大概的思想可能还有印象，但是细节肯定是记不起来了，等于白白浪费了之前的功夫。等到要用的时候，才感叹起“书到用时方恨少”，我接下来要谈的“总结反思”更是无从谈起。

所以，读书笔记的重要性，是无论怎么强调也不过分的。笔记相当于我们的“第二大脑”、“知识库”，而一个合适的笔记工具要为这个“知识库”的正常运转提供一个高效可靠的物理基础。这里我介绍一下我正在使用的两款知识库工具。

笔记工具

我选择笔记工具，一个最重要的标准就是是否具备“内部链接”功能，就是允许我点击笔记中的某段文字、某张图片跳转到笔记的另一段文字或图片。这个功能非常非常重要，在接下来的段落中，我会一直强调避免孤立地学习单个知识点，而必须将知识点串联成脉络。而这种“内部链接”的功能，就是“脉络”的具体实现形式。我使用过很多笔记工具，还为其中好几款充了会员。

在我自学机器学习知识准备转行的时候，使用的是OneNote，那个时候就感觉到“内部链接”功能极大地提升了我的学习效率。后来，又切换到Notion，当时是真的被惊艳到，特别是利用Notion强大的表格功能，为我读过的论文建立了一个数据库，详细记录了每篇论文的用途、特点，还为每篇论文打了份，如下图所示。

但是最终还是选择了思源笔记：

一是，Notion将笔记内容保存在服务器上，而且是在国外的服务器上，我担心哪天公司倒了或是被墙了，我辛苦积累的笔记也就找不回来了；而思源同时提供了“本地备份+网络备份”两种选择，我的笔记更加安全。（如果哪个小伙伴愿意尝试思源的订阅版，可以使用我的推荐码：EOIw9PL，你我都能额外多领取500M的网络空间）
二来，思源笔记的“ 反向链接”功能也的确有吸引力，某个知识点不仅能够链接到其他知识点，而且还能让我们查看当前知识点被哪些知识点所引用，使我们的“知识脉络”更加顺畅。

思维导图工具

大段大段的笔记，我还是记录在思源笔记上，用思维导图的场合主要有两个：

一是做阅读源码时的笔记。根据我的经验，如果用笔记工具做源码笔记，很容易大段大段地复制粘贴源代码，贴得越多，不加以提炼，笔记的功效反而越弱。而思维导图的图形化方式，更容易让我们将代码结构“提纲挈领”地展示出来，方便日后重新阅读时把握重点。
二是创作时，帮我理清思路，比如这篇文章的提纲+草稿，我就是在思维导图上完成的。

一提到思维导图工具，大家肯定先想到的是XMind。XMind我也用过，也购买过订阅版，但是最终还是切换到了MindMaster。因为我感觉MindMaster的功能更强大，比如云盘功能、允许一个节点链接到导图内的多个节点、自定义图标、......，这些功能起码在一年前，我使用XMind Zen的时候，XMind Zen都是不具备的。文章的最后，我会提供一份我在阅读alphaFM源码时制作的笔记。感兴趣的同学可以下载MindMaster免费版打开。（嘿嘿，MindMaster打钱 :-) ）

我的学习方法论

有了称手的工具，但是利用工具记录什么内容，如何将笔记中的内容转化为自己的知识，还是取决于个人对算法的理解水平。如果只是将原文翻译成中文贴在笔记上面，为某大厂取得在AI领域的“重大突破”喝彩，那可就真算是“听君一席话，如听一席话”了，对于提高自己算法水平没有丝毫帮助。

现在算法学习的痛点不在于信息的匮乏，而恰恰相反，现在的论文太多了，信息爆炸。每年KDD, SIGIR, CIKM上有那么多中外的王婆一起卖瓜，各种各样的NN、FM、Attention满天飞，其中不乏实打实的干货，更不缺乏湿漉漉的灌水文，让人不知道哪个方法才是解决自己问题的灵丹妙药，因为每篇文章都宣称自己的实验结果远超基线好几个点。而且绝大多数论文都像八股文一样，起承转合下来，才发现干货只有那么一点点。

如何练就一双慧眼，帮我们分辨干货与水文，或者把每篇文章中的水分挤干，把剩下的干货提取出来，丰富自己的知识体系？接下来，我将从5个方面介绍一下自己的经验。

坚持问题导向

不知道大家是否类似的经历，读完一篇算法论文，掩卷感叹好“精（fu）巧（za）”的一个网络结构。正准备点开另一篇PDF，等等，刚才那一篇是要解决一个什么问题来着？正所谓不知哪位名人说出的名言“正确提出问题，就已经解决了一半的问题”，学会了复杂的解决方法，却忽视了问题本身，正应合了那句成语“买椟还珠”。

正确的方法是，在读论文的过程中，坚持问题导向，看看作者提出的问题，是否也存在于我们自己的推荐系统中？如果存在的话，我们的解决方法与作者提出的方法相比，谁优谁劣？除了作者提出的方法，是否还有别的方法能够解决？很多时候，作者提出的问题给了我更大的启发。而作者的方法被我放弃，而代之以更符合我们系统实际的其他方法。

举个例子，阿里妈妈在SIGIR-2021发表了论文《Explicit Semantic Cross Feature Learning via Pre-trained Graph Neural Networks for CTR Prediction》。可能大多数人是被Graph Neural Network所吸引，毕竟GNN火嘛。但这篇文章给我最大的启发是，作者指出了目前推荐算法存在的一个大问题，即我们过于重视“隐式语义建模”，却忽视了“显式语义建模”。

要让user_age与item_id进行交叉，最常见的方法就是user_age和item_id分别表示成embedding，然后交叉的事就交给上面的FM/DNN/DCN等复杂结构，期待着能够让两个embedding碰撞出火花；
但是除此之外，还有另外一种显式交叉，就是看看比如“某个年龄段上的用户对某个商品的CTR”到底是多少。不像embedding那么晦涩，这种交叉特征所包含的信息是非常清晰和强有力的。这种特征本来在前深度学习时代还是非常受重视的，很可惜，受“DNN是万能函数模拟器”的神话影响，近年来被研究的越来越少了。

本来仅凭作者提出的这一个问题，就足够引起我的共鸣，因为我本身就是从前DNN时代过来的，对前DNN时代对手工交叉特征的重视还记忆犹新。而作者紧接着提出的问题，又再一次引起我的注意：

要得到“显式交叉的特征”，简单统计一下就可以。数数同时包含“用户：年龄20~30岁”和“商品：耐克鞋”的样本有多少，其中用户点击了又有多少，二者一除，不就得到了[20-30岁，耐克鞋]上的CTR是多少。之前手工交叉的统计特征就是这么得到的。
但是，作者指出这么做又有两个问题，一是要得到足够置信的统计量，该交叉特征在样本中出现的次数必须足够多，换句话说，我们无法得到“罕见交叉特征”上的统计量；二是，交叉特征的数量是巨大的，线上存储+检索都比较困难。

基于以上两个问题，阿里妈妈团队提出了“用模型预测代替索引检索”的方法。简言之，

就是离线训练一个GNN模型，这个模型输入两个特征，就能返回当两个特征同时存在时的CTR是多少；
线上预测的时候，来了一个样本，提取出特征之后，直接喂给训练好的GNN模型就能得到交叉特征上的CTR，而不必去一个大的索引库中去检索。

你看，如果让我给别人讲阿里的这篇文章，我花了大量的笔墨详细介绍了作者提出的两个问题：一是大家对显式交叉特征重视不够；二是之前基于统计的方法存在缺陷。反而对作者使用的GNN模型一笔带过。因为要解决以上问题，未必要用GNN，用简单的FM也能work。离线用FM将每个特征的embedding训练好，线上预测时只要拿两个embedding点积一下，就能得到这两个特征组成的交叉特征上的click-logit，无论是理论还是工程上都是可行的。

也就是说，受作者的启发，使我们意味到了问题，就已经解决了一半的问题。至于如何解决，未必要机械照搬作者提出的方法，而要结合实际采取更适合的方法，没准更简单，效果更好。这方面的例子还有：

阿里的ESMM模型，大家熟知的公式，CTCVR=CTR*CVR。而这篇文章给我的启发在于作者发现的问题， click的数据多，而conversion的数据少，导致直接预测CTCVR有困难。作者提出方法的精髓在于不同目标之间的信息迁移。而信息迁移未必只有写成数学公式这一种方法，转化链路上游任务的中间隐层传递给下游任务也能起到效果。

张俊林大佬提出SENet改进双塔模型。但背后的问题就是双塔模型的内在缺陷：user&item两侧信息交叉得太晚，等到最终能够通过dot或cosine交叉的时候，user & item embedding已经是高度浓缩的了，一些细粒度的信息已经在塔中被损耗掉，永远失去了与对侧信息交叉的机会。

所以，双塔改建最重要的主线就是：如何保留更多的信息在tower的final embedding中，从而有机会和对侧塔得到的embedding交叉？

SENet的思路是，在将信息喂入塔之前，插入SEBlock。SEBlock动态学习各特征的重要性，增强重要信息， 弱化甚至过滤掉原始特征中的噪声，从而减少信息在塔中传播过程中的污染与损耗 ，能够让可能多的重要信息“撑”到final dot product那一刻。
但是要达成“让更多细粒度信息能够撑到最终交叉那一时刻”的目标，并不是只有“输入去噪”这一种思路。
我们可以 让那些重要信息抄近路，走捷径，把它们直接送到离final dot product更近的地方，避免在DNN层层流动中的信息损失。
SENet的解决方法是“堵”，而与之对应的思路是“疏”，大家没必要都挤一个塔向上流动，不同的信息（甚至是相同的信息）可以沿适合自己的塔向上流动浓缩，避免相互干扰。最后由每个小塔的embedding聚合成final embedding。

举一反三，将知识点串联成脉络

据我了解，很多同学孤立地看论文，“看君一篇论文，如看一篇论文”，收获非常有限。正确的姿势是，读完一篇论文，要将这篇论文的知识点与之前的知识点串联起来，随着阅读论文的增多，孤立的知识点串联成脉络，将真正将别人的文章变成了你自己的知识。比如，很多同学喜欢我的《‍无中生有：论推荐算法中的Embedding思想‍》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/320196402）一文。实际上，我之所以能够用“无中生有”刻画embedding的本质，也正是推荐系统中“矩阵分解”技术“串联”的结果。很多人以为embedding是深度学习引入的新技术，事实并非如此。矩阵分析作为早期的经典算法，就已经包含了embedding的思想，

即将一个概念（user_id/item_id）表示成一个“事先未知”的向量
然后让算法把这个向量学习出来，学习出来的向量就是这个user/item的特征表示
但是由于我们不知道向量中每位表示的具体含义，所以这个学习出来的特征向量被称为“ 隐向量”。

当你把Deep Learning中的embedding与Matrix Factorization中的latent vector联系起来，你就会发现，二者实际上是一回事。只不过，在Deep Learning时代，万物皆可embedding，而不局限于矩阵分解中使用的user_id/item_id。矩阵分解的结果是允许我们在向量空间中找到相似的user和item，而在万物皆可embedding后，使模型能够发现“科学”和“科技”原来是两个相似的标签，从而提高了模型的扩展能力。其他的例子还包括：

推荐系统中适当打压热门item是一个比较现实的问题。仔细想一下，这个问题和NLP中打压高频词，本质上是类似的。于是word2vec算法中打压高频词的方法就可以为我们所用，于是就有了我的回答《推荐系统传统召回是怎么实现热门item的打压?》。
阿里最近推出多篇讲multi-domain recommendation的文章。仔细想一下，multi-domain面临的问题，和新用户冷启问题，也有很多相似之处

multi-domain（比如“首页推荐”vs. “猜你喜欢”，再比如多国家场景）面临的问题是，多个场景下用户的行为模式有区别，简单混在一起训练，有可能相互干扰；但是，如果多个场景单独训练+部署一个模型，一来，数据少的场景有可能训练不好；二来，又浪费资源。
新老用户的行为模式有很多不同，简单混在一起训练，老用户的行为模式会主导模型，忽略新用户；但是，如果为新用户单独训练+部署一个模型，一来，新用户的数据少，担心训练不好；二来，又浪费资源。
既然二者面临的问题如此相似，那么阿里提出的STAR和HMoE等multi-domain推荐模型，也不妨在新用户冷启场景试一试。

勤于总结与反思

每隔一段时间，可以总结回顾一下之前学习到的知识。希望你能够发现，随着自己功能的提高，对先前知识的理解也提高了一个层次。比如召回算法，品类众多而形态迥异，看似很难找出共通点。如今比较流行的召回算法，比如：item2vec、DeepWalk、Youtube的召回算法、Airbnb的召回算法、FM召回、DSSM、双塔模型、百度的孪生网络、阿里的EGES、Pinterest的PinSAGE、腾讯的RALM和GraphTR、......

从召回方式上分，有的直接给user找他可能喜欢的item（u2i）；有的拿用户喜欢的item找相似item（i2i）；有的给user找相似user，再把相似user喜欢的item推出去（useru2u2i）。
从算法实现上分，有的来自“前深度学习”时代，有的基于深度学习，有的基于图算法（基于图的，又可细分为游走类和卷积类）。
从优化目标上分，有的属于一个越大规模的多分类问题，优化softmax loss；有的基于Learning-To-Rank(LTR)，优化的是hinge loss或BPR loss。

但是，如果你仔细总结一下就会发现，以上向量化召回算法，其实可以被一个统一的算法框架所囊括，即“如何定义两个样本相近”、“如何定义两个样本距离远”、“如何生成embedding”、“如何成对优化”。

总结出这样一套算法体系：

一是能够 融会贯通，不仅能加深对现有算法的理解，还能轻松应对未来出现的新算法；
二是能够 取长补短。大多数召回算法，只是在以上四个维度中的某个维度上进行了创新，而在其他维度上的做法未必是最优的。我们在技术选型时，没必要照搬某个算法的全部，而是博采多家算法之所长，组成最适合你的业务场景、数据环境的算法。

记忆与扩展是推荐算法两大经典、永恒的主题。如何实现扩展？靠的是Embedding和特征之间的交叉。
Embedding化“精确匹配”为“模糊查找“，大大提升了推荐算法的扩展能力，是”深度学习应用于推荐系统“的基石。
高维、稀疏的类别特征是推荐系统中的一等公民 。为了弥补单个类别特征表达能力弱的问题，需要Embedding扩展其内涵，需要交叉扩展其外延。
高维特征空间直接接入DNN，会引发参数规模的膨胀。为解决这一难题，Field & Pooling应运而生。

通过以上梳理，你会发现某篇文章只不过是在某一环上进行的小改进，而在其他环上的所采用的方法可能还有瑕疵，不值得借鉴。而当你面临实际问题时，可以先将问题的难点拆解到五环中的某些环上，然后从那些环的研究成果中汲取解决问题的灵感，而不是胡子眉毛一把抓，急病乱投医。而最近我也在反思。随着我对推荐算法的理解进一步加深，之前在文章中的一些观点，也值得再思考、再商榷：

在《再评Airbnb的经典Embedding论文》一文中，我认为在利用side information解决item2vec冷启缺陷的问题上，Airbnb根据side information人工将user/item分群的方式，不如阿里在EGES算法中将side information embedding与id embedding先pooling再一起喂入word2vec算法的自动化方式。 现在回过头来看，当时的我对算法的拟合能力太乐观了。而随着自己踩过的坑越来越多，很多理论上很完美的方法，模型未必训练得好。所以，既然机器没有想像中智能， 那么像Airbnb那样用更多人工的先验知识指导模型，未必不是解决之道。
在《用TensorFlow实现支持多值、稀疏、共享权重的DeepFM》一文中，我觉得我的实现一大亮点就是能够实现权重的共享。比如，app的安装、启动、卸载三个field，底层共享一套app embedding。但是据我观察，最近的趋势是， 参数共享、结构共享在推荐算法中，越来越不受待见。按当下流行的作法，app的"装启卸"每个field应该有自己独立的一套app embedding，三个field各用各的，互不干扰；再比如，阿里的Co-Action Net通篇都在讲参数独立性，同一个特征与不同特征交叉时，也要使用不同的embedding。如此看来，我对参数共享、结构共享的态度也在慢慢修正。

敢于怀疑

看论文，没必要被作者的名号，或者大厂的招牌，震住，觉得自己只有顶礼膜拜的份，丝毫不敢怀疑文章中的观点。敢于怀疑“权威”，敢于提出自己的观点，才能够提升自己。我最受读者欢迎的一篇文章《负样本为王：评Facebook的向量化召回算法》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/165064102）就是“怀疑精神”的产物。

我读Youtube论文的时候，就特别不理解为什么Youtube不用“曝光未点击”做负样本，而是拿抽样结果做负样本。而且这样做的还不仅仅Youtube一家，Microsoft的DSSM中的负样本也是随机抽取来的 。但是两篇文章都没说明这样选择负样本的原因。当时的我只有排序方面的经验，觉得拿“曝光未点击”做负样本，体现用户的真实反馈，简直是天经地义。何况用“曝光未点击”数据，还能够复用排序的data pipeline。

所以，敢于怀疑的我在第一次实践Youtube算法时，直接拿“曝光未点击”样本做负样本，结果踩了坑。但是“塞翁失马，焉知非福”，踩坑的教训反而促使我进一步的思考，终于领悟到召回与排序相比，速度要求上的不同只是一方面，另一方面重大不同就是二者面临的候选集差异巨大：排序是优中选优，召回则是鱼龙混杂、良莠不齐。所以，只有随机负采样，才能让模型达到"开眼界、见世面"的目的，从而在“大是大非”上不犯错误。

你看，如果没有当初的怀疑，只知道照搬论文中的作法，可能在当时会少踩一次坑，但是也失去了一次提升自己的机会。而如果不提升自己的认知水平，“知其然，而不知其所以然”，未来的坑也是避不开的。

同样的例子还有我对Deep Interest Evolution Network的质疑（《也评Deep Interest Evolution Network》）。尽管引发了一定的争议（当时有的公众号在转载我的文章时，起的标题是《看神仙打架》），但直到今天，我也坚持认为我的怀疑是有意义的。后来阿里推出《Deep Session Interest Network for Click-Through Rate Prediction》，也印证了我“用户时序要区分session内与session外”这一观点的合理性。

最近一次质疑是，我在《初来乍到：帮助新用户冷启的算法技巧》（https://zhuanlan.zhihu.com/p/458843906）中狠狠吐槽了一把MeLU，认为它这种“每个用户拥有一套参数”的作法完全脱离了推荐系统的实际，毫无实战价值，不知道怎么就被KDD录用了？后来有小伙伴评论说，让MeLU只学习每个用户的user id embedding就好，但是一来，新用户的user id embedding是在meta-learning阶段从未出现过的，meta-learning根本帮不上忙；二来，原文的文字根本没有让meta-learning只学user id embedding的意思。所以我才说这篇文章是误人子弟。熟悉我的文章的同学可能会发现，与很多解读论文的文章不同，

我的解读文章中从来不贴论文中的实验结果。这同样也是从“敢于怀疑”的角度出发。毕竟我们不是在打kaggle比赛，即使指标没有水分，因为大家的数据环境、技术治理水平都不同，“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳”，论文中那么显著的效果未必能够在你的环境中复现。但是，论文中的实验设计是有借鉴意义的，一定要看。

最后我也要指出，我强烈同意推荐算法还是一门强实践的学问，我见过太多理论完美的算法，现实中不work，而一些理论上有瑕疵的算法，却确确实实带来了收益。毕竟，“AB平台是（老板）检验算法的唯一标准” :-( 。结合上边的“勤于总结与反思”一条，过段时间发现自己当初怀疑错了，大方承认就好了，也不丢人，反而是自己的水平获得了提高。

关注代码实现细节

虽然我们常常戏称自己是“调包师”、“调参侠”，但是有追求的同学（比如正在读我文章的你）是绝不满足让自己的技术只停留在调包和调参的水平上。而摆脱这两个身份最好的办法，就是阅读+学习经典算法的实现源码，等自己功力修炼到一定程度，自己（从头）实现一遍，再长一层功力。

比如，对于《如何理解TensorFlow中的IndexedSlices类》这个问题，如果你不借助TensorFlow/PyTorch等高级框架，亲自实现过一遍某个含有“稀疏ID特征embedding”的算法，这个问题的答案是相当直觉的。简单来说，尽管embedding过程在数学上等价于“稠密embedding矩阵”与“one-hot/multi-hot向量”相乘，但是在实现的时候，是万万不能用矩阵乘法的方式实现的，因为把稀疏ID特征展开成one-hot/multi-hot向量，在推荐系统这样一个“高维稀疏ID特征”主导的场景下，计算代价是无法接受的。所以，我们必须实现稀疏的前代和回代，回代时不用更新整个embedding矩阵，而只更新batch中出现的有限几个feature id对应的那几行，而IndexedSlices就是用来记录那些要更新的位置。具体详情见《用NumPy手工打造 Wide & Deep》一文。

另外，我还非常推崇FM算法，称赞它为一把小巧灵活、但功能强大、还适用于召回+粗排+粗排等多场景的瑞士军刀，而且FM很多思想是与DNN是相通的。而如果想彻底吃透FM算法，最有效的方法就是阅读一遍alphaFM的源码。该项目只不过是作者八小时之外的课外作品，却被很多公司拿来投入线上实际生产环境，足见该项目性能之优异和作者功力之深厚，通读一遍下来，一定收获满满。

后记

总结了一下我的算法学习经验，分享给大家：

工欲善其事，必先利其器。读书笔记的重要性，是无论怎么强调也不过分的，它相当于我们的“第二大脑”、“知识库”。而一个合适的笔记工具是这个“知识库”正常运转的物理基础。文章中我介绍一下我正在使用的两款知识库工具。
接下来，我从以下5个方面阐述了我的算法学习方法论：

坚持问题导向：读论文，不要迷失在炫技般复杂的算法中，有时候作者提出的问题比他提出的解决方法更重要。检查作者提出的问题，是否也存在于我们自己的推荐系统中？意识到问题的存在，就成功解决了一半，没准你能提出比作者更优秀、更切合自身实际的解决方案。
举一反三：切忌不要孤立地读论文，正确的姿势是，将这篇论文的知识点与之前的知识点串联起来，读得论文多了，孤立的知识点串联成脉络，才将真正将别人的文章变成了你自己的知识，而不是“读君一篇论文，如读一篇论文”。
勤于总结与反思：周期性地总结回顾一下之前学习到的知识。希望你能够发现，随着自己功能的提高，对知识的理解也提高了一个层次。
敢于怀疑：看论文，没必要被作者的名号，或者大厂的招牌，震住，敢于怀疑“权威”，敢于提出自己的观点，才能够提升自己。
关注代码实现细节：不满足只做“调包师”和“调参侠”，最好的办法，就是学习经典算法的实现源码，等自己功力修炼到一定程度，自己（从头）实现一遍，再长一层功力。