决策树分类器-Java实现

决策树模型，其基本思想类似于if else的结构，即满足什么条件则将它判定为某一类，而这里的决策树的深度就类似于if else的深度。
决策树的问题焦点在于，对于一个拥有多维数据特征的数据点，如何选择合适的分类依据。例如一只鸡（两条腿，有翅膀，没有脚蹼。。。），一只鸭（两条腿，有翅膀，有脚蹼。。），等等，现在来了一只奇怪的生物（两条腿，有翅膀，没有脚蹼。。），如果先根据腿或翅膀来判断的话，根本无法判断它属于哪一种生物，而如果根据脚蹼来判断的话，立刻就能分辨出来。从这个例子中，想表达的就是决策树如果去抉择一种最合适的特征来得到不同的判决类。
本文是基于数据集信息熵最小的原则，来确定这种树的生长规则的。信息熵的背景，不多说，简而言之，越有序的系统熵越小，越无序的系统熵越大。其计算公式如下：
H(x) = E[I(xi)] = E[ log(2,1/p(xi)) ] = -∑p(xi)log(2,p(xi)) (i=1,2,..n)
其中p(xi)为xi样本在x总体中的取值概率（或统计学中的频率）。
在给出具体实现代码之前，我先给出此处用到的树结构。

/** * Created by Song on 2017/1/4. * 树节点，可序列化存储 */public class Node implements Serializable{    public Object element;    public Map<Object,Node> child;}

之所以这样设计，是基于此处具体的应用环境。e在此应用环境中，element为String类型的特征名称，而Map中的每个键值对，键名代表着判决条件（连接两个节点的线的标称），值代表着下一个节点。
下面再给出，Java中对象序列化存储的部分代码（在测试时，我注释掉了），用于在通过训练集得到决策树结构之后，将该树保存在文件中，而不需要，每次都重新训练得到决策树结构。

Node root = handler.createTree(dataSet,featurelabels,labelStr);  //树结构存储  ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(new File("E:\\dectree.txt")));        oos.writeObject(root);        oos.flush();        oos.close();//树结构读取        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("E:\\dectree.txt")));        Node tree = (Node) ois.readObject();

下面是决策树分类器的具体实现代码：

/** * Created by Song on 2017/1/3. * 决策树 */public class DectreeHandler {    /**     * 计算数据集的香农熵     * @param dataSet 数据集（最后一列为分类信息）     * @return 香农熵     */    private static double calcShannonEnt(Matrix dataSet){        int m = dataSet.getRowDimension();        int n = dataSet.getColumnDimension();        double currentLabel = 0;        double shannonEnt = 0;        double rate = 0;        HashMap<Double,Integer> labelCounts = new HashMap<Double, Integer>();        //统计各类出现次数        for(int i=0;i<m;i++){            currentLabel = dataSet.get(i,n-1);            if(!labelCounts.containsKey(currentLabel))                labelCounts.put(currentLabel,0);            labelCounts.put(currentLabel,labelCounts.get(currentLabel)+1);        }        //计算整体香农熵        for(double key:labelCounts.keySet()){            rate =labelCounts.get(key)/(float)m;            shannonEnt -= rate*Math.log(rate)/Math.log(2);        }        return shannonEnt;    }    /**     * 划分数据集（当第axis维数据等于value时，提取出该行数据（）去掉第axis维）     * @param dataSet 数据集（最后一列为分类信息）     * @param axis 待匹配列（从0开始）     * @param value 待匹配列值     * @return     */    private Matrix splitDataSet(Matrix dataSet,int axis,double value){        Matrix retDataSet = new Matrix(0,dataSet.getColumnDimension()-1);        Matrix temp = new Matrix(1,dataSet.getColumnDimension()-1);        for(int i=0;i<dataSet.getRowDimension();i++){            if(dataSet.get(i,axis)==value){                int k = 0;                for(int j=0;j<dataSet.getColumnDimension();j++){                    if(j!=axis)                        temp.set(0,k++,dataSet.get(i,j));                }                retDataSet = retDataSet.expand(temp,false);            }        }        return retDataSet;    }    /**     * 选择最好的数据集划分方式     * @param dataSet  数据集（最后一列为分类信息）     * @return 香农熵最小时（增益最大）的特征值序号     */    private int chooseBestFeatureToSplit(Matrix dataSet){        //特征数        int featureNums= dataSet.getColumnDimension()-1;        //数据集的香农熵        double baseEntropy = calcShannonEnt(dataSet);        double bestInfoGain = 0.0;        int bestFeature = -1;        double newEntropy = 0.0;        Set<Double> tempFeatureSet = new HashSet<Double>();        for(int j=0;j<featureNums;j++){            //取数据集中的第i列Set            for(int i=0;i<dataSet.getRowDimension();i++){                tempFeatureSet.add(dataSet.get(i,j));            }            Matrix subMatrix;            double prob=0;            double infoGain=0;            newEntropy = 0.0;            for(double val:tempFeatureSet){                subMatrix = splitDataSet(dataSet,j,val);                prob = subMatrix.getRowDimension()/(float)dataSet.getRowDimension();                newEntropy += prob*calcShannonEnt(subMatrix);            }            infoGain = baseEntropy-newEntropy;            if(infoGain>bestInfoGain){                bestInfoGain = infoGain;                bestFeature = j;            }        }        return bestFeature;    }    /**     * 返回出现次数最多的类     * @param labels 每个样本所属的类矩阵     * @return 出现次数最多的类     */    private double majorityCnt(Matrix labels){        Map<Double,Integer> classCount = new HashMap<Double, Integer>();        for(int i=0;i<labels.getRowDimension();i++){            if(!classCount.containsKey(labels.get(i,0)))                classCount.put(labels.get(i,0),0);            classCount.put(labels.get(i,0),classCount.get(labels.get(i,0))+1);        }        int count =0;        double label = -1;        for(double key:classCount.keySet()){            if(classCount.get(key)>count){                count = classCount.get(key);                label = key;            }        }        return label;    }    /**     * 递归创建决策树     * @param dataSet 数据集（最后一列为类）     * @param featurelabels 各列特征名     * @param labelStr 类名     * @return 决策树     */    public Node createTree(Matrix dataSet,String [] featurelabels,String [] labelStr) {        double[] classList = new double[dataSet.getRowDimension()];        for (int i = 0; i < dataSet.getRowDimension(); i++) {            classList[i] = dataSet.get(i, dataSet.getColumnDimension() - 1);        }        int num = 0;        for (double cla : classList) {            if (cla == classList[0]) num++;        }        if (num == classList.length) {            Node node = new Node();            node.element=labelStr[(int)classList[0]];            return node;        }  //若为同一类，则直接返回该类        if(dataSet.getColumnDimension()==1) {            Node node = new Node();            node.element=majorityCnt(new Matrix(classList,1).transpose());            return node;        }        double bestFeature = chooseBestFeatureToSplit(dataSet);        String bestFeatureLabel = featurelabels[(int)bestFeature];        Node root = new Node();        root.element = bestFeatureLabel;        String [] subLabels = del(featurelabels,bestFeatureLabel);        Set<Double> uniqFeatureVals = new HashSet<Double>();        for(int i=0;i<dataSet.getRowDimension();i++){            uniqFeatureVals.add(dataSet.get(i,(int)bestFeature));        }        Map<Object,Node> child = new HashMap<Object, Node>();        for(double val:uniqFeatureVals){            child.put(val,createTree(splitDataSet(dataSet,(int)bestFeature,val),subLabels,labelStr));        }        root.child=child;        return root;    }    /**     * 从labels数组中删除元素val     * @param labels     * @param val     * @return 新的数组     */    private String[] del(String [] labels,String val){        String [] newLabels = new String[labels.length-1];        int k=0;        for(int i=0;i<labels.length && k<labels.length-1;i++){            if(!labels[i].equals(val))                newLabels[k++]=labels[i];        }        return newLabels;    }    /**     * 决策树分类调用接口     * @param tree 调用createTree得到的决策树根节点     * @param featureLabels 特征集名称     * @param sample 待分类样本     * @return     */    public String classify(Node tree,String [] featureLabels,Matrix sample){        while ((null != tree) && (null != tree.child)){            try {                System.out.println(tree.element);                tree = tree.child.get(sample.get(0,getIndex(featureLabels,(String) tree.element)));            }catch (Exception e){                e.printStackTrace();                return "Class Not Find";            }        }        if(null == tree) return "Class Not Find";        return (String) tree.element;    }    /**     * 从String数组中获取对应值的下标     * @param labels     * @param val     * @return     */    private int getIndex(String [] labels,String val){        for(int i=0;i<labels.length;i++){            if(val.equals(labels[i]))                return i;        }        return -1;    }    public static void main(String [] args) throws Exception{        DectreeHandler handler = new DectreeHandler();        double [][] data = {                {1,1,1,1,1,1,1},                {2,2,2,2,2,2,2},                {3,3,3,3,3,3,3},                {1,1,4,2,3,3,1},                {4,1,5,4,2,1,2},                {1,2,6,2,1,2,6},                {4,2,7,4,3,5,4},                {1,2,8,3,3,3,4},                {2,12,9,5,2,4,5},                {1,2,3,10,8,6,5}        };        Matrix dataSet = new Matrix(data);        double [] labels = {1,1,1,2,2,3,3,3,3,0};        dataSet = dataSet.expand(new Matrix(labels,1).transpose(),true);        int bestFeature = handler.chooseBestFeatureToSplit(dataSet);        System.out.println(bestFeature);        dataSet.print(dataSet.getColumnDimension(),3);        String [] featurelabels = {"特征A","特征B","‘特征C","特征D","特征E","特征F","特征G"};        String [] labelStr = {"类A","类B","类C","类D"};        Node root = handler.createTree(dataSet,featurelabels,labelStr);        //序列化存储/*        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream(new File("E:\\dectree.txt")));        oos.writeObject(root);        oos.flush();        oos.close();        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream(new File("E:\\dectree.txt")));        Node tree = (Node) ois.readObject();*/        double [] sample = new double[]{1,1,3,10,3,3,4};        String className = handler.classify(root,featurelabels,new Matrix(sample,1));        System.out.println(className);    }}

说明，提供外部调用权限的仅两个方法，一是createTree（）用于根据训练集数据，递归创建决策树，二是classify（）根据决策树结构以及样本点数据得到样本点的具体分类。至于其他部分：计算数据集的香农熵，遍历特征选择使剩余数据熵最小的特征作为分支判定依据等部分逻辑直接看代码及注释，此处也不细说了。
其中，创建决策树的过程如下：
（1）选择当前数据集A中最佳的特征作为节点判决依据
（2）获得训练集中（1）中特征的所有取值
（3）将当前数据集去掉该列特征数据，得到新的数据集B
（4）遍历（2）中该特征的所有取值，得到所有子节点，其中子节点判定条件对应该特征值的一个取值，子节点为将（3）中得到的数据集B迭代回（1）得到。
其中叶子节点的判断条件为，当前数据集仅有一个分类。
其中（1）中选择最佳特征的过程为，遍历当前数据的所有特征，根据特征的取值域及每个取值对应的频率，根据信息熵计算公式得到该特征值对应的熵值，取所有特征中熵最小的特征作为最佳特征。
由于此处是需要计算数据集的香农熵，所以此处决策树仅适用于数值型数据。