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# 因子预计算与本地 DuckDB 缓存实现计划
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## 目标
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构建一个将因子值预先计算并持久化到独立 DuckDB 文件的流程，使训练脚本能够从本地缓存读取大部分因子，仅对 `FACTOR_DEFINITIONS` 中的因子进行实时计算。新增因子值校验机制，确保新旧数据一致性；入口脚本支持全量计算、自动校验并增量更新已有数据库。
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## 架构
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1. **FactorStorage** (`src/data/factor_storage.py`)：负责单个因子的 DuckDB 读写、日期范围查询、以及新旧数据校验。每个因子对应 `data/factor/{factor_name}.duckdb`，表名为 `factor_values`，包含 `trade_date`, `ts_code`, `{factor_name}`。
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2. **compute_factors.py** (`src/data/compute_factors.py`)：入口脚本，放置在 `src/data/` 下。支持默认运行（不传入 list 时自动计算 metadata 中全部因子）。对每个因子：
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- 计算 `[start_date, end_date]` 的全量数据；
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- 若本地已存在该因子 db，读取本地重叠日期数据与新计算结果做逐行校验；
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- 校验通过则使用 `INSERT OR REPLACE` 将全量数据写入/更新到本地 db（对已有文件而言是增量更新记录）；
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- 校验不通过则跳过该因子并发出警告。
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- 最终打印运行报告（成功、跳过、失败、校验差异统计）。
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3. **DataPipeline 内置缓存** (`src/training/pipeline.py`)：`DataPipeline` 内部自动引入 `FactorStorage()`，无需训练脚本显式传入。`prepare_data` 中将特征列分为 `manual_cols`（`factor_definitions` 中的因子）和 `cached_cols`（本地已缓存的因子）。`manual_cols` + `label_name` 仍走 `FactorEngine.compute`；`cached_cols` 通过 `FactorStorage.load` 读取并按 `trade_date`/`ts_code` left join 合并。
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4. **训练脚本无需改动**：`regression.py` 和 `learn_to_rank.py` 保持现有 `DataPipeline` 初始化代码不变，由 Pipeline 内部自动处理缓存。
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## 详细任务
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### Task 1: 实现 FactorStorage 模块（含校验）
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- **创建文件**: `src/data/factor_storage.py`
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- 实现 `FactorStorage` 类：
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- `__init__(base_dir="data/factor")`：确保目录存在；**路径应使用 `settings.factor_cache_path_resolved`**，不硬编码。
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- `_db_path(factor_name) -> Path`：返回单个因子的 db 路径。
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- `save(factor_name, df)`：SQL 建表 `factor_values (trade_date VARCHAR, ts_code VARCHAR, {factor_name} DOUBLE)` 并设置 `PRIMARY KEY (trade_date, ts_code)`；执行 UPSERT 时显式用 `SELECT trade_date, ts_code, "{factor_name}" FROM df` 避免列数不匹配。
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- `load(factor_name, start_date, end_date) -> pl.DataFrame`：连接对应 db，按日期范围过滤读取。
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- `exists(factor_name) -> bool`：检查 db 文件是否存在。
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- `get_date_range(factor_name) -> tuple[str, str] | None`：返回已有数据的 min/max date，不存在返回 None。
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- `validate(factor_name, new_df, tolerance=1e-6) -> tuple[bool, dict]`：
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- 若本地不存在，返回 `(True, {})`。
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- 读取本地重叠日期数据 `old_df`；
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- 按 `trade_date` + `ts_code` join；
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- 计算 `abs(new - old)` 的最大值、均值、非 NaN 行数；
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- 若 `max_abs_diff > tolerance`，返回 `(False, stats)`；否则返回 `(True, stats)`。
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- **创建测试**: `tests/test_factor_storage.py`
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- 测试 save/load/exists/get_date_range/validate 的正确性。
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- `uv run pytest tests/test_factor_storage.py -v`
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### Task 2: 实现因子预计算入口脚本（支持默认运行、增量更新、校验与报告）
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- **创建文件**: `src/data/compute_factors.py`（注意：放在 `src/data/` 而非 `src/experiment/`）
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- 提供 `run(factor_names: List[str], ...)` 函数和 `DEFAULT_FACTOR_NAMES: List[str] = []`，方便用户直接在代码或 IDE 中执行。
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- CLI 参数（argparse）：
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- `factors`: 可选位置参数，空格分隔的因子名列表。若不提供，默认读取 metadata 中所有因子的 `name` 字段作为计算列表。
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- `--metadata`: metadata JSONL 路径，默认 `data/factors.jsonl`。
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- `--start-date`: 默认 `20180101`。
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- `--end-date`: 默认当前日期（`datetime.now().strftime("%Y%m%d")`）。
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- `--output-dir`: 默认 `data/factor`（通过 `settings.factor_cache_path_resolved`）。
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- `--tolerance`: 校验容忍度，默认 `1e-6`。
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- `--force`: 强制覆盖，即使校验失败也写入（危险开关，默认关闭）。
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- 核心流程：
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1. 初始化 `FactorEngine()`、`FactorStorage(output_dir)`、`FactorManager(metadata_path)`。
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2. 确定待计算因子列表：若 `factor_names` 为空，执行 `manager.get_all_factors()["name"].to_list()`。
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3. 遍历待计算因子（使用 `tqdm`）：
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- 通过 `manager.get_factors_by_name(name)` 获取 dsl 表达式。
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- `engine.add_factor(name, dsl)` 注册。
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- `new_df = engine.compute([name], start_date, end_date)` 计算全量数据。
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- 校验：调用 `storage.validate(name, new_df, tolerance)`。
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- 若校验失败且 `--force` 为 False：打印警告，将该因子标记为失败，继续下一个。
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- 若校验通过（或 `--force` 为 True）：打印差异统计（`max_diff`, `mean_diff`，若有的话）；调用 `storage.save(name, new_df)` 写入/更新数据。
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4. 汇总并打印报告：
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- 成功因子数、更新日期范围；
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- 校验失败因子数及差异详情；
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- 总计耗时。
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- **示例运行**:
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```bash
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# 计算指定因子
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uv run python src/data/compute_factors.py ma_5 ma_20 --start-date 20180101 --end-date 20241231
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# 默认计算 metadata 中全部因子
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uv run python src/data/compute_factors.py
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# 在 Jupyter/IDE 中直接调用
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from src.data.compute_factors import run, DEFAULT_FACTOR_NAMES
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run(factor_names=["ma_5", "ma_20"], start_date="20240101", end_date="20241231")
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```
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### Task 3: DataPipeline 内置缓存读取逻辑
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- **修改文件**: `src/training/pipeline.py`
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- `__init__` 中新增参数（保持向后兼容）：
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- `use_factor_cache: bool = True`
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- `factor_storage: Optional[Any] = None`
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- 在 `__init__` 内部：若 `use_factor_cache` 为 True 且 `factor_storage` 为 None，则自动 `from src.data.factor_storage import FactorStorage; self.factor_storage = FactorStorage()`，否则按传入值处理。
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- 修改 `prepare_data` 中的数据获取逻辑：
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1. `feature_cols = self.factor_manager.register_to_engine(engine, verbose=verbose)`。
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2. 分类：
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- `manual_cols = [c for c in feature_cols if c in self.factor_manager.factor_definitions]`（`FACTOR_DEFINITIONS` 中的因子）。
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- `cached_cols = []`，如果 `use_factor_cache` 且 `self.factor_storage` 存在：遍历 `feature_cols`，对不在 `manual_cols` 中且 `storage.exists(c)` 的列加入 `cached_cols`。
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- `fallback_cols = [c for c in feature_cols if c not in manual_cols + cached_cols]`（走 Engine 兜底）。
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3. 计算：`compute_cols = manual_cols + fallback_cols + [label_name]`；`data = engine.compute(compute_cols, all_start, all_end)`。
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4. 加载缓存：若 `cached_cols` 非空，逐个 `storage.load(col, all_start, all_end)`，与 `data` 按 `["trade_date", "ts_code"]` 做 `how="left"` join（**推荐 left join**，避免 outer join 导致垃圾行膨胀）。
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5. verbose 打印：`从本地缓存加载 X 个因子，手动计算 Y 个因子，兜底计算 Z 个因子`。
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6. 确保最终 `data` 的列包含所有 `feature_cols`（join 后列顺序可能变化，不影响后续逻辑即可）。
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- **修改文件**: `src/training/factor_manager.py`（无需修改或极小修改）
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- `factor_definitions` 已经是 public 属性，`pipeline.py` 可直接访问。
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### Task 4: 训练脚本保持零改动
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- **`src/experiment/regression.py`**：保持不变，`DataPipeline` 初始化代码无需显式传入 `FactorStorage`。
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- **`src/experiment/learn_to_rank.py`**：保持不变。
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- 若后续需要显式关闭缓存，可通过 `DataPipeline(use_factor_cache=False)` 控制，但当前默认即可。
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### Task 5: 端到端验证
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- **预计算验证**：
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```bash
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uv run python src/data/compute_factors.py ma_5 ma_20 return_5 --start-date 20240101 --end-date 20241231
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```
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确认 `data/factor/ma_5.duckdb` 等文件已生成。
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- **校验场景验证**：
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- 手动修改某个 db 中的几行数据值，再次运行 compute_factors。
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- 观察是否正确打印差异统计并中止更新（除非加上 `--force`）。
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- **训练流程验证**：
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- 运行相关训练测试或脚本，确认 `DataPipeline` 正确区分手动计算与缓存读取的因子，输出结果与改造前一致。
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- `uv run pytest tests/ -v` 通过。
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## 关键设计说明
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- **为何放在 `src/data/`**：compute_factors 是数据层的入口工具，与 `src/data/storage.py`、`src/data/client.py` 处于同一抽象层级，`src/experiment/` 仅保留业务实验脚本。
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- **全量计算 + INSERT OR REPLACE 的"增量"语义**：每次运行都计算全量，但对已有数据库文件执行的是记录的增量更新（旧记录被替换、新记录被插入），既能保证数据最新，又能在校验失败时安全中止。
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- **DataPipeline 自动发现缓存**：训练脚本无感知接入，避免因底层架构变更导致多处实验代码需要同步修改。
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- **DuckDB UPSERT 踩坑**：建表时必须显式声明 `PRIMARY KEY (trade_date, ts_code)`，UPSERT 语句为：
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```sql
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INSERT INTO factor_values
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SELECT trade_date, ts_code, "factor_col" FROM df
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ON CONFLICT (trade_date, ts_code)
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DO UPDATE SET "factor_col" = EXCLUDED."factor_col"
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```
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同时 `SELECT` 必须显式列出三列，不能写 `SELECT * FROM df`，否则当传入 DataFrame 包含额外列时会报列数不匹配错误。
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## 预期效果
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- 训练前可以把 `SELECTED_FACTORS` 批量预计算到 `data/factor/*.duckdb`。
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- 训练时 `regression.py` / `learn_to_rank.py` 对 `SELECTED_FACTORS` 直接读本地缓存，大幅降低 `FactorEngine.compute` 的计算量和基础数据重复加载。
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- `FACTOR_DEFINITIONS` 中的临时/实验性因子依旧实时计算，不影响灵活性。
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