FP-Tree频繁模式树算法
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时间：2015年06月08日
参考资料：http://blog.csdn.net/sealyao/article/details/6460578
更多数据挖掘算法：https://github.com/linyiqun/DataMiningAlgorithm
介绍
FP-Tree算法全称是FrequentPattern Tree算法，就是频繁模式树算法，他与Apriori算法一样也是用来挖掘频繁项集的，不过不同的是，FP-Tree算法是Apriori算法的优化处理，他解决了Apriori算法在过程中会产生大量的候选集的问题，而FP-Tree算法则是发现频繁模式而不产生候选集。但是频繁模式挖掘出来后，产生关联规则的步骤还是和Apriori是一样的。
算法原理
FP树，FP树，那他当然是最终被构造成一个树的形状了。所以步骤如下：
1、创建根节点，用NULL标记。
2、统计所有的事务数据，统计事务中各个类型项的总支持度(在下面的例子中就是各个商品ID的总个数)
3、依次读取每条事务，比如T1， 1， 2， 5，因为按照总支持度计数数量降序排列，输入的数据顺序就是2， 1， 5，然后挂到根节点上。
4、依次读取后面的事务，并以同样的方式加入的FP树中，顺着根节点路径添加，并更新节点上的支持度计数。
最后就会形成这样的一棵树：
然后还要新建一个项头表，代表所有节点的类型和支持度计数。这个东西在后面会有大用处。如果你以为FP树的算法过程到这里就结束了，你就大错特错了，算法的终结过程为最后的FP树只包括但路径，就是树呈现直线形式，也就是节点都只有1个孩子或没有孩子，顺着一条线下来，没有其他的分支。这就算是一条挖掘出的频繁模式。所以上面的算法还要继续递归的构造FP树，递归构造FP树的过程：
1、这时我们从最下面的I5开始取出。把I5加入到后缀模式中。后缀模式到时会于频繁模式组合出现构成最终的频繁模式。
2、获取频繁模式基，<I2, Ii>，<I2, I1, I3>，计数为I5节点的count值，然后以这2条件模式基为输入的事务，继续构造一个新的FP树
3、这就是我们要达到的FP树单路径的目标了，不过这里个要求，要把支持度计数不够的点排除，这里的I3:1就不符号，所以最后I5后缀模式下的<I2, I1>与I5的组合模式了，就为<I2, I5>, <I1, I5>,<I1, I2, I5>。
I5下的挖掘频繁模式是比较简单的，没有出现递归，看一下I3下的递归构造，这就不简单了，同样的操作，最后就会出现下面这幅图的样子： 
发现还不是单条路径，继续递归构造，此时的后缀模式硬卧I3+I1,就是<I3, I1>，然后就来到了下面这幅图的情形了。
后面的例子会有更详细的说明。
算法的实现
输入数据如下：
|
交易ID |
商品ID列表 |
|
T100 |
I1，I2，I5 |
|
T200 |
I2，I4 |
|
T300 |
I2，I3 |
|
T400 |
I1，I2，I4 |
|
T500 |
I1，I3 |
|
T600 |
I2，I3 |
|
T700 |
I1，I3 |
|
T800 |
I1，I2，I3，I5 |
|
T900 |
I1，I2，I3 |
T1 1 2 5 T2 2 4 T3 2 3 T4 1 2 4 T5 1 3 T6 2 3 T7 1 3 T8 1 2 3 5 T9 1 2 3算法的树节点类：
/**
* FP树节点
*
* @author lyq
*
*/
public class TreeNode implements Comparable<TreeNode>, Cloneable{
// 节点类别名称
private String name;
// 计数数量
private Integer count;
// 父亲节点
private TreeNode parentNode;
// 孩子节点，可以为多个
private ArrayList<TreeNode> childNodes;
public TreeNode(String name, int count){
this.name = name;
this.count = count;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public Integer getCount() {
return count;
}
public void setCount(Integer count) {
this.count = count;
}
public TreeNode getParentNode() {
return parentNode;
}
public void setParentNode(TreeNode parentNode) {
this.parentNode = parentNode;
}
public ArrayList<TreeNode> getChildNodes() {
return childNodes;
}
public void setChildNodes(ArrayList<TreeNode> childNodes) {
this.childNodes = childNodes;
}
@Override
public int compareTo(TreeNode o) {
// TODO Auto-generated method stub
return o.getCount().compareTo(this.getCount());
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
// TODO Auto-generated method stub
//因为对象内部有引用，需要采用深拷贝
TreeNode node = (TreeNode)super.clone();
if(this.getParentNode() != null){
node.setParentNode((TreeNode) this.getParentNode().clone());
}
if(this.getChildNodes() != null){
node.setChildNodes((ArrayList<TreeNode>) this.getChildNodes().clone());
}
return node;
}
}
算法主要实现类：
package DataMining_FPTree;
import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
/**
* FPTree算法工具类
*
* @author lyq
*
*/
public class FPTreeTool {
// 输入数据文件位置
private String filePath;
// 最小支持度阈值
private int minSupportCount;
// 所有事物ID记录
private ArrayList<String[]> totalGoodsID;
// 各个ID的统计数目映射表项，计数用于排序使用
private HashMap<String, Integer> itemCountMap;
public FPTreeTool(String filePath, int minSupportCount) {
this.filePath = filePath;
this.minSupportCount = minSupportCount;
readDataFile();
}
/**
* 从文件中读取数据
*/
private void readDataFile() {
File file = new File(filePath);
ArrayList<String[]> dataArray = new ArrayList<String[]>();
try {
BufferedReader in = new BufferedReader(new FileReader(file));
String str;
String[] tempArray;
while ((str = in.readLine()) != null) {
tempArray = str.split(" ");
dataArray.add(tempArray);
}
in.close();
} catch (IOException e) {
e.getStackTrace();
}
String[] temp;
int count = 0;
itemCountMap = new HashMap<>();
totalGoodsID = new ArrayList<>();
for (String[] a : dataArray) {
temp = new String[a.length - 1];
System.arraycopy(a, 1, temp, 0, a.length - 1);
totalGoodsID.add(temp);
for (String s : temp) {
if (!itemCountMap.containsKey(s)) {
count = 1;
} else {
count = ((int) itemCountMap.get(s));
// 支持度计数加1
count++;
}
// 更新表项
itemCountMap.put(s, count);
}
}
}
/**
* 根据事物记录构造FP树
*/
private void buildFPTree(ArrayList<String> suffixPattern,
ArrayList<ArrayList<TreeNode>> transctionList) {
// 设置一个空根节点
TreeNode rootNode = new TreeNode(null, 0);
int count = 0;
// 节点是否存在
boolean isExist = false;
ArrayList<TreeNode> childNodes;
ArrayList<TreeNode> pathList;
// 相同类型节点链表，用于构造的新的FP树
HashMap<String, ArrayList<TreeNode>> linkedNode = new HashMap<>();
HashMap<String, Integer> countNode = new HashMap<>();
// 根据事物记录，一步步构建FP树
for (ArrayList<TreeNode> array : transctionList) {
TreeNode searchedNode;
pathList = new ArrayList<>();
for (TreeNode node : array) {
pathList.add(node);
nodeCounted(node, countNode);
searchedNode = searchNode(rootNode, pathList);
childNodes = searchedNode.getChildNodes();
if (childNodes == null) {
childNodes = new ArrayList<>();
childNodes.add(node);
searchedNode.setChildNodes(childNodes);
node.setParentNode(searchedNode);
nodeAddToLinkedList(node, linkedNode);
} else {
isExist = false;
for (TreeNode node2 : childNodes) {
// 如果找到名称相同，则更新支持度计数
if (node.getName().equals(node2.getName())) {
count = node2.getCount() + node.getCount();
node2.setCount(count);
// 标识已找到节点位置
isExist = true;
break;
}
}
if (!isExist) {
// 如果没有找到，需添加子节点
childNodes.add(node);
node.setParentNode(searchedNode);
nodeAddToLinkedList(node, linkedNode);
}
}
}
}
// 如果FP树已经是单条路径，则输出此时的频繁模式
if (isSinglePath(rootNode)) {
printFrequentPattern(suffixPattern, rootNode);
System.out.println("-------");
} else {
ArrayList<ArrayList<TreeNode>> tList;
ArrayList<String> sPattern;
if (suffixPattern == null) {
sPattern = new ArrayList<>();
} else {
// 进行一个拷贝，避免互相引用的影响
sPattern = (ArrayList<String>) suffixPattern.clone();
}
// 利用节点链表构造新的事务
for (Map.Entry entry : countNode.entrySet()) {
// 添加到后缀模式中
sPattern.add((String) entry.getKey());
//获取到了条件模式机，作为新的事务
tList = getTransactionList((String) entry.getKey(), linkedNode);
System.out.print("[后缀模式]：{");
for(String s: sPattern){
System.out.print(s + ", ");
}
System.out.print("}, 此时的条件模式基：");
for(ArrayList<TreeNode> tnList: tList){
System.out.print("{");
for(TreeNode n: tnList){
System.out.print(n.getName() + ", ");
}
System.out.print("}, ");
}
System.out.println();
// 递归构造FP树
buildFPTree(sPattern, tList);
// 再次移除此项，构造不同的后缀模式，防止对后面造成干扰
sPattern.remove((String) entry.getKey());
}
}
}
/**
* 将节点加入到同类型节点的链表中
*
* @param node
* 待加入节点
* @param linkedList
* 链表图
*/
private void nodeAddToLinkedList(TreeNode node,
HashMap<String, ArrayList<TreeNode>> linkedList) {
String name = node.getName();
ArrayList<TreeNode> list;
if (linkedList.containsKey(name)) {
list = linkedList.get(name);
// 将node添加到此队列中
list.add(node);
} else {
list = new ArrayList<>();
list.add(node);
linkedList.put(name, list);
}
}
/**
* 根据链表构造出新的事务
*
* @param name
* 节点名称
* @param linkedList
* 链表
* @return
*/
private ArrayList<ArrayList<TreeNode>> getTransactionList(String name,
HashMap<String, ArrayList<TreeNode>> linkedList) {
ArrayList<ArrayList<TreeNode>> tList = new ArrayList<>();
ArrayList<TreeNode> targetNode = linkedList.get(name);
ArrayList<TreeNode> singleTansaction;
TreeNode temp;
for (TreeNode node : targetNode) {
singleTansaction = new ArrayList<>();
temp = node;
while (temp.getParentNode().getName() != null) {
temp = temp.getParentNode();
singleTansaction.add(new TreeNode(temp.getName(), 1));
}
// 按照支持度计数得反转一下
Collections.reverse(singleTansaction);
for (TreeNode node2 : singleTansaction) {
// 支持度计数调成与模式后缀一样
node2.setCount(node.getCount());
}
if (singleTansaction.size() > 0) {
tList.add(singleTansaction);
}
}
return tList;
}
/**
* 节点计数
*
* @param node
* 待加入节点
* @param nodeCount
* 计数映射图
*/
private void nodeCounted(TreeNode node, HashMap<String, Integer> nodeCount) {
int count = 0;
String name = node.getName();
if (nodeCount.containsKey(name)) {
count = nodeCount.get(name);
count++;
} else {
count = 1;
}
nodeCount.put(name, count);
}
/**
* 显示决策树
*
* @param node
* 待显示的节点
* @param blankNum
* 行空格符，用于显示树型结构
*/
private void showFPTree(TreeNode node, int blankNum) {
System.out.println();
for (int i = 0; i < blankNum; i++) {
System.out.print("\t");
}
System.out.print("--");
System.out.print("--");
if (node.getChildNodes() == null) {
System.out.print("[");
System.out.print("I" + node.getName() + ":" + node.getCount());
System.out.print("]");
} else {
// 递归显示子节点
// System.out.print("【" + node.getName() + "】");
for (TreeNode childNode : node.getChildNodes()) {
showFPTree(childNode, 2 * blankNum);
}
}
}
/**
* 待插入节点的抵达位置节点，从根节点开始向下寻找待插入节点的位置
*
* @param root
* @param list
* @return
*/
private TreeNode searchNode(TreeNode node, ArrayList<TreeNode> list) {
ArrayList<TreeNode> pathList = new ArrayList<>();
TreeNode tempNode = null;
TreeNode firstNode = list.get(0);
boolean isExist = false;
// 重新转一遍，避免出现同一引用
for (TreeNode node2 : list) {
pathList.add(node2);
}
// 如果没有孩子节点，则直接返回，在此节点下添加子节点
if (node.getChildNodes() == null) {
return node;
}
for (TreeNode n : node.getChildNodes()) {
if (n.getName().equals(firstNode.getName()) && list.size() == 1) {
tempNode = node;
isExist = true;
break;
} else if (n.getName().equals(firstNode.getName())) {
// 还没有找到最后的位置，继续找
pathList.remove(firstNode);
tempNode = searchNode(n, pathList);
return tempNode;
}
}
// 如果没有找到，则新添加到孩子节点中
if (!isExist) {
tempNode = node;
}
return tempNode;
}
/**
* 判断目前构造的FP树是否是单条路径的
*
* @param rootNode
* 当前FP树的根节点
* @return
*/
private boolean isSinglePath(TreeNode rootNode) {
// 默认是单条路径
boolean isSinglePath = true;
ArrayList<TreeNode> childList;
TreeNode node;
node = rootNode;
while (node.getChildNodes() != null) {
childList = node.getChildNodes();
if (childList.size() == 1) {
node = childList.get(0);
} else {
isSinglePath = false;
break;
}
}
return isSinglePath;
}
/**
* 开始构建FP树
*/
public void startBuildingTree() {
ArrayList<TreeNode> singleTransaction;
ArrayList<ArrayList<TreeNode>> transactionList = new ArrayList<>();
TreeNode tempNode;
int count = 0;
for (String[] idArray : totalGoodsID) {
singleTransaction = new ArrayList<>();
for (String id : idArray) {
count = itemCountMap.get(id);
tempNode = new TreeNode(id, count);
singleTransaction.add(tempNode);
}
// 根据支持度数的多少进行排序
Collections.sort(singleTransaction);
for (TreeNode node : singleTransaction) {
// 支持度计数重新归为1
node.setCount(1);
}
transactionList.add(singleTransaction);
}
buildFPTree(null, transactionList);
}
/**
* 输出此单条路径下的频繁模式
*
* @param suffixPattern
* 后缀模式
* @param rootNode
* 单条路径FP树根节点
*/
private void printFrequentPattern(ArrayList<String> suffixPattern,
TreeNode rootNode) {
ArrayList<String> idArray = new ArrayList<>();
TreeNode temp;
temp = rootNode;
// 用于输出组合模式
int length = 0;
int num = 0;
int[] binaryArray;
while (temp.getChildNodes() != null) {
temp = temp.getChildNodes().get(0);
// 筛选支持度系数大于最小阈值的值
if (temp.getCount() >= minSupportCount) {
idArray.add(temp.getName());
}
}
length = idArray.size();
num = (int) Math.pow(2, length);
for (int i = 0; i < num; i++) {
binaryArray = new int[length];
numToBinaryArray(binaryArray, i);
// 如果后缀模式只有1个，不能输出自身
if (suffixPattern.size() == 1 && i == 0) {
continue;
}
System.out.print("频繁模式：{【后缀模式：");
// 先输出固有的后缀模式
if (suffixPattern.size() > 1
|| (suffixPattern.size() == 1 && idArray.size() > 0)) {
for (String s : suffixPattern) {
System.out.print(s + ", ");
}
}
System.out.print("】");
// 输出路径上的组合模式
for (int j = 0; j < length; j++) {
if (binaryArray[j] == 1) {
System.out.print(idArray.get(j) + ", ");
}
}
System.out.println("}");
}
}
/**
* 数字转为二进制形式
*
* @param binaryArray
* 转化后的二进制数组形式
* @param num
* 待转化数字
*/
private void numToBinaryArray(int[] binaryArray, int num) {
int index = 0;
while (num != 0) {
binaryArray[index] = num % 2;
index++;
num /= 2;
}
}
}
算法调用测试类：
/**
* FPTree频繁模式树算法
* @author lyq
*
*/
public class Client {
public static void main(String[] args){
String filePath = "C:\\Users\\lyq\\Desktop\\icon\\testInput.txt";
//最小支持度阈值
int minSupportCount = 2;
FPTreeTool tool = new FPTreeTool(filePath, minSupportCount);
tool.startBuildingTree();
}
}
输出的结果为：
[后缀模式]：{3, }, 此时的条件模式基：{2, }, {1, }, {2, 1, },
[后缀模式]：{3, 2, }, 此时的条件模式基：
频繁模式：{【后缀模式：3, 2, 】}
-------
[后缀模式]：{3, 1, }, 此时的条件模式基：{2, },
频繁模式：{【后缀模式：3, 1, 】}
频繁模式：{【后缀模式：3, 1, 】2, }
-------
[后缀模式]：{2, }, 此时的条件模式基：
-------
[后缀模式]：{1, }, 此时的条件模式基：{2, },
频繁模式：{【后缀模式：1, 】2, }
-------
[后缀模式]：{5, }, 此时的条件模式基：{2, 1, }, {2, 1, 3, },
频繁模式：{【后缀模式：5, 】2, }
频繁模式：{【后缀模式：5, 】1, }
频繁模式：{【后缀模式：5, 】2, 1, }
-------
[后缀模式]：{4, }, 此时的条件模式基：{2, }, {2, 1, },
频繁模式：{【后缀模式：4, 】2, }
-------读者可以自己手动的构造一下，可以更深的理解这个过程，然后对照本人的代码做对比。
算法编码时的难点
1、在构造树的时候要重新构建一棵树的时候，要不能对原来的树做更改，在此期间用了老的树的对象，又造成了重复引用的问题了，于是果断又new了一个TreeNode，只把原树的name，和count值拿了过来，父子节点关系完全重新构造。
2、在事务生产树的过程中，把事务映射到TreeNode数组中，然后过程就是加Node节点或者更新Node节点的count值，过程简单许多，也许会让人很难理解，应该个人感觉这样比较方便，如果是死板的String[]字符串数组的形式，中间还要与TreeNode各种转化非常麻烦。
3、在计算条件模式基的时候，我是存在了HashMap<String, ArrayList<TreeNode>>map中，并并没有搞成链表的形式，直接在生成树的时候就全部统计好。
4、此处算法用了2处递归，一个地方是在添加树节点的时候，搜索要在哪个node上做添加的方法，searchNode(TreeNode node, ArrayList<TreeNode> list)，还有一个是整个的buildFPTree()算法，都不是能够一眼就能看明白的地方。希望大家能够理解我的用意。
FP-Tree算法的缺点
尽管FP-Tree算法在挖掘频繁模式的过程中相较Apriori算法里没有产生候选集了，比Apriori也快了一个数量级上了，但是整体上FP-Tree算法的时间，空间消耗开销上还是挺大的。
|
交易ID |
商品ID列表 |
|
T100 |
I1，I2，I5 |
|
T200 |
I2，I4 |
|
T300 |
I2，I3 |
|
T400 |
I1，I2，I4 |
|
T500 |
I1，I3 |
|
T600 |
I2，I3 |
|
T700 |
I1，I3 |
|
T800 |
I1，I2，I3，I5 |
|
T900 |
I1，I2，I3 |
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