Spark核心功能设计详解

前言

本文是读耿嘉安先生的《Spark内核设计艺术：架构设计与实现》的读书笔记，感觉这一部分很重要，很基础，很有价值，特此记录一下

正文

Spark Core中提供了Spark最基础与最核心的功能，Spark其他的功能如：Spark SQL，Spark Streaming，GraphX, MLlib都是在Spark Core的基础上进行扩展的，Spark Core主要包括以下几项：

1. 基础设施

在Spark中有很多基础设施，被Spark中的各种组件广泛使用。这些基础设施包括Spark配置（SparkConf）、Spark内置的RPC框架（在早期Spark版本中Spark使用的是Akka）、事件总线（ListenerBus）、度量系统。

1. SparkConf用于管理Spark应用程序的各种配置信息。
2. Spark内置的RPC框架使用Netty实现，有同步和异步的多种实现，Spark各个组件间的通信都依赖于此RPC框架。
3. 如果说RPC框架是跨机器节点不同组件间的通信设施，那么事件总线就是SparkContext内部各个组件间使用事件——监听器模式异步调用的实现。
4. 度量系统由Spark中的多种度量源（Source）和多种度量输出（Sink）构成，完成对整个Spark集群中各个组件运行期状态的监控。

2. SparkContext

通常而言，用户开发的Spark应用程序的提交与执行都离不开SparkContext的支持。在正式提交应用程序之前，首先需要初始化SparkContext。SparkContext隐藏了网络通信、分布式部署、消息通信、存储体系、计算引擎、度量系统、文件服务、WEB UI等内容，应用程序开发者只需要使用SparkContext提供的API完成功能开发。

3. SparkEnv

Spark执行环境SparkEnv是Spark中的Task运行所必需的组件。SparkEnv内部封闭了RPC环境（RpcEnv）、序列化管理器、广播管理器（BreadcastManager）、Map任务输出跟踪器（MapOutputTracker）、存储体系、度量系统（MetricsSystem）、输出提交协调器（OutputCommitCoordinator）等Task运行所需的各种组件。

4. 存储体系

Spark优先考虑使用各节点的内存作为存储，当内存不足时都会考虑使用磁盘，这极大地减少了磁盘I/O，提供了任务执行的效率，使得Spark适用于实时计算、迭代计算、流式计算等场景。在实际场景中，有些Task是存储密集型的，有些则是计算密集型的，所以有时候会造成存储空间很空闲，而计算空间的资源又很紧张。Spark的内存存储空间与执行存储空间之间的边界可以是”软”边界，因此资源紧张的一方可以借用另一方的空间，这即可以有效利用资源，又可以提高Task的执行效率。此外，Spark的内存空间还提供了Tungsten的实现。直接操作操作系统的内存。由于Tungsten省去了在堆内存分配Java对象，因此能更加有效地利用系统的内存资源，并且因为直接操作系统内存，空间的分配和释放也更迅速。在Spark早期版本使用了以内存为中心的高容错的分布式文件系统Alluxio（Tachyon）供用户进行选择。Alluxio能够为Spark提供可选的内存级的文件共享服务。

5. 调度系统

调度系统主要由DAGScheduler和TaskScheduler组成，它们都内置在SparkContext中。DAGScheduler负责创建Job、将DAG中的RDD划分到不同的Stage、给Stage创建对应的Task、批量提交Task等功能。TaskScheduler负责按照FIFO或者FAIR等调度算法对指Task进行调度；为Task分配资源；将Task发送到集群管理器的当前应用的Executor上，由Executor负责执行等工作。现如今，Spark增加了SparkSession和DataFrame等新的API，SparkSession底层实现依赖依赖于SparkContext。

6. 计算引擎

计算引擎由内存管理器（MemoryManager）、Tungsten、任务内存管理器（TaskMemoryManager）、Task、外部排序器（ExtrnalStorter）、Shuffle管理器（ShuffleManager）等组成。MemoryManager除了对存储体系中的存储内存提供支持和管理外，还为计算引擎中的执行内存提供支持和管理。Tungsten除了用于存储外，也可以用于计算或执行。TaskMemoryManager对分配给单个Task的内存资源进行更细粒度的管理和控制。ExternalSorter用于在map端或Reduce端对ShuffleMapTask计算得到的中间结果进行排序、聚合等操作。ShuffleManager用于将各个分区对应的ShuffleMapTask产生的中间结果持久化到磁盘，并在Reduce端按照分区远程拉取ShuffleMapTask产生的中间结果。