'''
數(shù)據(jù)集：Mnist
訓練集數(shù)量：60000(實際使用：10000)
測試集數(shù)量：10000（實際使用：1000)
層數(shù)：40
------------------------------
運行結(jié)果：
  正確率：97%
  運行時長：65m
'''

import time
import numpy as np


def loadData(fileName):
  '''
  加載文件
  :param fileName:要加載的文件路徑
  :return: 數(shù)據(jù)集和標簽集
  '''
  # 存放數(shù)據(jù)及標記
  dataArr = []
  labelArr = []
  # 讀取文件
  fr = open(fileName)
  # 遍歷文件中的每一行
  for line in fr.readlines():
    # 獲取當前行，并按“，”切割成字段放入列表中
    # strip：去掉每行字符串首尾指定的字符（默認空格或換行符）
    # split：按照指定的字符將字符串切割成每個字段，返回列表形式
    curLine = line.strip().split(',')
    # 將每行中除標記外的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)集中（curLine[0]為標記信息）
    # 在放入的同時將原先字符串形式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為整型
    # 此外將數(shù)據(jù)進行了二值化處理，大于128的轉(zhuǎn)換成1，小于的轉(zhuǎn)換成0，方便后續(xù)計算
    dataArr.append([int(int(num) > 128) for num in curLine[1:]])
    # 將標記信息放入標記集中
    # 放入的同時將標記轉(zhuǎn)換為整型

    # 轉(zhuǎn)換成二分類任務
    # 標簽0設置為1，反之為-1
    if int(curLine[0]) == 0:
      labelArr.append(1)
    else:
      labelArr.append(-1)
  # 返回數(shù)據(jù)集和標記
  return dataArr, labelArr


def calc_e_Gx(trainDataArr, trainLabelArr, n, div, rule, D):
  '''
  計算分類錯誤率
  :param trainDataArr:訓練數(shù)據(jù)集數(shù)字
  :param trainLabelArr: 訓練標簽集數(shù)組
  :param n: 要操作的特征
  :param div:劃分點
  :param rule:正反例標簽
  :param D:權(quán)值分布D
  :return:預測結(jié)果， 分類誤差率
  '''
  # 初始化分類誤差率為0
  e = 0
  # 將訓練數(shù)據(jù)矩陣中特征為n的那一列單獨剝出來做成數(shù)組。因為其他元素我們并不需要，
  # 直接對龐大的訓練集進行操作的話會很慢
  x = trainDataArr[:, n]
  # 同樣將標簽也轉(zhuǎn)換成數(shù)組格式，x和y的轉(zhuǎn)換只是單純?yōu)榱颂岣哌\行速度
  # 測試過相對直接操作而言性能提升很大
  y = trainLabelArr
  predict = []

  # 依據(jù)小于和大于的標簽依據(jù)實際情況會不同，在這里直接進行設置
  if rule == 'LisOne':
    L = 1
    H = -1
  else:
    L = -1
    H = 1

  # 遍歷所有樣本的特征m
  for i in range(trainDataArr.shape[0]):
    if x[i] < div:
      # 如果小于劃分點，則預測為L
      # 如果設置小于div為1，那么L就是1，
      # 如果設置小于div為-1，L就是-1
      predict.append(L)
      # 如果預測錯誤，分類錯誤率要加上該分錯的樣本的權(quán)值（8.1式）
      if y[i] != L:
        e += D[i]
    elif x[i] >= div:
      # 與上面思想一樣
      predict.append(H)
      if y[i] != H:
        e += D[i]
  # 返回預測結(jié)果和分類錯誤率e
  # 預測結(jié)果其實是為了后面做準備的，在算法8.1第四步式8.4中exp內(nèi)部有個Gx，要用在那個地方
  # 以此來更新新的D
  return np.array(predict), e


def createSigleBoostingTree(trainDataArr, trainLabelArr, D):
  '''
  創(chuàng)建單層提升樹
  :param trainDataArr:訓練數(shù)據(jù)集數(shù)組
  :param trainLabelArr: 訓練標簽集數(shù)組
  :param D: 算法8.1中的D
  :return: 創(chuàng)建的單層提升樹
  '''

  # 獲得樣本數(shù)目及特征數(shù)量
  m, n = np.shape(trainDataArr)
  # 單層樹的字典，用于存放當前層提升樹的參數(shù)
  # 也可以認為該字典代表了一層提升樹
  sigleBoostTree = {}
  # 初始化分類誤差率，分類誤差率在算法8.1步驟（2）（b）有提到
  # 誤差率最高也只能100%，因此初始化為1
  sigleBoostTree['e'] = 1

  # 對每一個特征進行遍歷，尋找用于劃分的最合適的特征
  for i in range(n):
    # 因為特征已經(jīng)經(jīng)過二值化，只能為0和1，因此分切分時分為-0.5， 0.5， 1.5三擋進行切割
    for div in [-0.5, 0.5, 1.5]:
      # 在單個特征內(nèi)對正反例進行劃分時，有兩種情況：
      # 可能是小于某值的為1，大于某值得為-1，也可能小于某值得是-1，反之為1
      # 因此在尋找最佳提升樹的同時對于兩種情況也需要遍歷運行
      # LisOne：Low is one：小于某值得是1
      # HisOne：High is one：大于某值得是1
      for rule in ['LisOne', 'HisOne']:
        # 按照第i個特征，以值div進行切割，進行當前設置得到的預測和分類錯誤率
        Gx, e = calc_e_Gx(trainDataArr, trainLabelArr, i, div, rule, D)
        # 如果分類錯誤率e小于當前最小的e，那么將它作為最小的分類錯誤率保存
        if e < sigleBoostTree['e']:
          sigleBoostTree['e'] = e
          # 同時也需要存儲最優(yōu)劃分點、劃分規(guī)則、預測結(jié)果、特征索引
          # 以便進行D更新和后續(xù)預測使用
          sigleBoostTree['div'] = div
          sigleBoostTree['rule'] = rule
          sigleBoostTree['Gx'] = Gx
          sigleBoostTree['feature'] = i
  # 返回單層的提升樹
  return sigleBoostTree


def createBosstingTree(trainDataList, trainLabelList, treeNum=50):
  '''
  創(chuàng)建提升樹
  創(chuàng)建算法依據(jù)“8.1.2 AdaBoost算法” 算法8.1
  :param trainDataList:訓練數(shù)據(jù)集
  :param trainLabelList: 訓練測試集
  :param treeNum: 樹的層數(shù)
  :return: 提升樹
  '''
  # 將數(shù)據(jù)和標簽轉(zhuǎn)化為數(shù)組形式
  trainDataArr = np.array(trainDataList)
  trainLabelArr = np.array(trainLabelList)
  # 沒增加一層數(shù)后，當前最終預測結(jié)果列表
  finallpredict = [0] * len(trainLabelArr)
  # 獲得訓練集數(shù)量以及特征個數(shù)
  m, n = np.shape(trainDataArr)

  # 依據(jù)算法8.1步驟（1）初始化D為1/N
  D = [1 / m] * m
  # 初始化提升樹列表，每個位置為一層
  tree = []
  # 循環(huán)創(chuàng)建提升樹
  for i in range(treeNum):
    # 得到當前層的提升樹
    curTree = createSigleBoostingTree(trainDataArr, trainLabelArr, D)
    # 根據(jù)式8.2計算當前層的alpha
    alpha = 1 / 2 * np.log((1 - curTree['e']) / curTree['e'])
    # 獲得當前層的預測結(jié)果，用于下一步更新D
    Gx = curTree['Gx']
    # 依據(jù)式8.4更新D
    # 考慮到該式每次只更新D中的一個w，要循環(huán)進行更新知道所有w更新結(jié)束會很復雜（其實
    # 不是時間上的復雜，只是讓人感覺每次單獨更新一個很累），所以該式以向量相乘的形式，
    # 一個式子將所有w全部更新完。
    # 該式需要線性代數(shù)基礎，如果不太熟練建議補充相關知識，當然了，單獨更新w也一點問題
    # 沒有
    # np.multiply(trainLabelArr, Gx)：exp中的y*Gm(x)，結(jié)果是一個行向量，內(nèi)部為yi*Gm(xi)
    # np.exp(-1 * alpha * np.multiply(trainLabelArr, Gx))：上面求出來的行向量內(nèi)部全體
    # 成員再乘以-αm，然后取對數(shù)，和書上式子一樣，只不過書上式子內(nèi)是一個數(shù)，這里是一個向量
    # D是一個行向量，取代了式中的wmi，然后D求和為Zm
    # 書中的式子最后得出來一個數(shù)w，所有數(shù)w組合形成新的D
    # 這里是直接得到一個向量，向量內(nèi)元素是所有的w
    # 本質(zhì)上結(jié)果是相同的
    D = np.multiply(D, np.exp(-1 * alpha * np.multiply(trainLabelArr, Gx))) / sum(D)
    # 在當前層參數(shù)中增加alpha參數(shù)，預測的時候需要用到
    curTree['alpha'] = alpha
    # 將當前層添加到提升樹索引中。
    tree.append(curTree)

    # -----以下代碼用來輔助，可以去掉---------------
    # 根據(jù)8.6式將結(jié)果加上當前層乘以α，得到目前的最終輸出預測
    finallpredict += alpha * Gx
    # 計算當前最終預測輸出與實際標簽之間的誤差
    error = sum([1 for i in range(len(trainDataList)) if np.sign(finallpredict[i]) != trainLabelArr[i]])
    # 計算當前最終誤差率
    finallError = error / len(trainDataList)
    # 如果誤差為0，提前退出即可，因為沒有必要再計算算了
    if finallError == 0:
      return tree
    # 打印一些信息
    print('iter:%d:%d, sigle error:%.4f, finall error:%.4f' % (i, treeNum, curTree['e'], finallError))
  # 返回整個提升樹
  return tree


def predict(x, div, rule, feature):
  '''
  輸出單獨層預測結(jié)果
  :param x: 預測樣本
  :param div: 劃分點
  :param rule: 劃分規(guī)則
  :param feature: 進行操作的特征
  :return:
  '''
  # 依據(jù)劃分規(guī)則定義小于及大于劃分點的標簽
  if rule == 'LisOne':
    L = 1
    H = -1
  else:
    L = -1
    H = 1

  # 判斷預測結(jié)果
  if x[feature] < div:
    return L
  else:
    return H


def test(testDataList, testLabelList, tree):
  '''
  測試
  :param testDataList:測試數(shù)據(jù)集
  :param testLabelList: 測試標簽集
  :param tree: 提升樹
  :return: 準確率
  '''
  # 錯誤率計數(shù)值
  errorCnt = 0
  # 遍歷每一個測試樣本
  for i in range(len(testDataList)):
    # 預測結(jié)果值，初始為0
    result = 0
    # 依據(jù)算法8.1式8.6
    # 預測式子是一個求和式，對于每一層的結(jié)果都要進行一次累加
    # 遍歷每層的樹
    for curTree in tree:
      # 獲取該層參數(shù)
      div = curTree['div']
      rule = curTree['rule']
      feature = curTree['feature']
      alpha = curTree['alpha']
      # 將當前層結(jié)果加入預測中
      result += alpha * predict(testDataList[i], div, rule, feature)
    # 預測結(jié)果取sign值，如果大于0 sign為1，反之為0
    if np.sign(result) != testLabelList[i]: 
      errorCnt += 1
  # 返回準確率
  return 1 - errorCnt / len(testDataList)


if __name__ == '__main__':
  # 開始時間
  start = time.time()

  # 獲取訓練集
  print('start read transSet')
  trainDataList, trainLabelList = loadData('../Mnist/mnist_train.csv')

  # 獲取測試集
  print('start read testSet')
  testDataList, testLabelList = loadData('../Mnist/mnist_test.csv')

  # 創(chuàng)建提升樹
  print('start init train')
  tree = createBosstingTree(trainDataList[:10000], trainLabelList[:10000], 40)

  # 測試
  print('start to test')
  accuracy = test(testDataList[:1000], testLabelList[:1000], tree)
  print('the accuracy is:%d' % (accuracy * 100), '%')

  # 結(jié)束時間
  end = time.time()
  print('time span:', end - start)