Spark计算过程分析
基本概念
Spark是一个分布式的内存计算框架，其特点是能处理大规模数据，计算速度快。Spark延续了Hadoop的MapReduce计算模型，相比之下Spark的计算过程保持在内存中，减少了硬盘读写，能够将多个操作进行合并后计算，因此提升了计算速度。同时Spark也提供了更丰富的计算API。
MapReduce是Hadoop和Spark的计算模型，其特点是Map和Reduce过程高度可并行化；过程间耦合度低，单个过程的失败后可以重新计算，而不会导致整体失败；最重要的是数据处理中的计算逻辑可以很好的转换为Map和Reduce操作。对于一个数据集来说，Map对每条数据做相同的转换操作，Reduce可以按条件对数据分组，然后在分组上做操作。除了Map和Reduce操作之外，Spark还延伸出了如filter，flatMap，count，distinct等更丰富的操作。
RDD的是Spark中最主要的数据结构，可以直观的认为RDD就是要处理的数据集。RDD是分布式的数据集，每个RDD都支持MapReduce类操作，经过MapReduce操作后会产生新的RDD，而不会修改原有RDD。RDD的数据集是分区的，因此可以把每个数据分区放到不同的分区上进行计算，而实际上大多数MapReduce操作都是在分区上进行计算的。Spark不会把每一个MapReduce操作都发起运算，而是尽量的把操作累计起来一起计算。Spark把操作划分为转换（transformation）和动作（action），对RDD进行的转换操作会叠加起来，直到对RDD进行动作操作时才会发起计算。这种特性也使Spark可以减少中间结果的吞吐，可以快速的进行多次迭代计算。
系统结构
Spark自身只对计算负责，其计算资源的管理和调度由第三方框架来实现。常用的框架有YARN和Mesos。本文以YARN为例进行介绍。先看一下Spark on YARN的系统结构图：
Spark on YARN系统结构图
图中共分为三大部分：Spark Driver， Worker， Cluster manager。其中Driver program负责将RDD转换为任务，并进行任务调度。Worker负责任务的执行。YARN负责计算资源的维护和分配。
Driver可以运行在用户程序中，或者运行在其中一个Worker上。Spark中的每一个应用（Application）对应着一个Driver。这个Driver可以接收RDD上的计算请求，每个动作（Action）类型的操作将被作为一个Job进行计算。Spark会根据RDD的依赖关系构建计算阶段（Stage）的有向无环图，每个阶段有与分区数相同的任务（Task）。这些任务将在每个分区（Partition）上进行计算，任务划分完成后Driver将任务提交到运行于Worker上的Executor中进行计算，并对任务的成功、失败进行记录和重启等处理。
Worker一般对应一台物理机，每个Worker上可以运行多个Executor，每个Executor都是独立的JVM进程，Driver提交的任务就是以线程的形式运行在Executor中的。如果使用YARN作为资源调度框架的话，其中一个Worker上还会有Executor launcher作为YARN的ApplicationMaster，用于向YARN申请计算资源，并启动、监测、重启Executor。
计算过程
这里我们从RDD到输出结果的整个计算过程为主线，探究Spark的计算过程。这个计算过程可以分为：
- RDD构建：构建RDD之间的依赖关系，将RDD转换为阶段的有向无环图。
- 任务调度：根据空闲计算资源情况进行任务提交，并对任务的运行状态进行监测和处理。
- 任务计算：搭建任务运行环境，执行任务并返回任务结果。
- Shuffle过程：两个阶段之间有宽依赖时，需要进行Shuffle操作。
- 计算结果收集：从每个任务收集并汇总结果。
在这里我们用一个简洁的CharCount程序为例，这个程序把含有a-z字符的列表转化为RDD，对此RDD进行了Map和Reduce操作计算每个字母的频数，最后将结果收集。其代码如下：
CharCount例子程序
RDD构建和转换
RDD按照其作用可以分为两种类型，一种是对数据源的封装，可以把数据源转换为RDD，这种类型的RDD包括NewHadoopRDD，ParallelCollectionRDD，JdbcRDD等。另一种是对RDD的转换，从而实现一种计算方法，这种类型的RDD包括MappedRDD，ShuffledRDD，FilteredRDD等。数据源类型的RDD不依赖于其他RDD，计算类的RDD拥有自己的RDD依赖。
RDD有三个要素：分区，依赖关系，计算逻辑。分区是保证RDD分布式的特性，分区可以对RDD的数据进行划分，划分后的分区可以分布到不同的Executor中，大部分对RDD的计算都是在分区上进行的。依赖关系维护着RDD的计算过程，每个计算类型的RDD在计算时，会将所依赖的RDD作为数据源进行计算。根据一个分区的输出是否被多分区使用，Spark还将依赖分为窄依赖和宽依赖。RDD的计算逻辑是其功能的体现，其计算过程是以所依赖的RDD为数据源进行的。
例子中共产生了三个RDD，除了第一个RDD之外，每个RDD与上级RDD有依赖关系。
- spark.parallelize(data, partitionSize)方法将产生一个数据源型的ParallelCollectionRDD，这个RDD的分区是对列表数据的切分，没有上级依赖，计算逻辑是直接返回分区数据。
- map函数将会创建一个MappedRDD，其分区与上级依赖相同，会有一个依赖于ParallelCollectionRDD的窄依赖，计算逻辑是对ParallelCollectionRDD的数据做map操作。
-
reduceByKey函数将会产生一个ShuffledRDD，分区数量与上面的MappedRDD相同，会有一个依赖于MappedRDD的宽依赖，计算逻辑是Shuffle后在分区上的聚合操作。
RDD的依赖关系
Spark在遇到动作类操作时，就会发起计算Job，把RDD转换为任务，并发送任务到Executor上执行。从RDD到任务的转换过程是在DAGScheduler中进行的。其总体思路是根据RDD的依赖关系，把窄依赖合并到一个阶段中，遇到宽依赖则划分出新的阶段，最终形成一个阶段的有向无环图，并根据图的依赖关系先后提交阶段。每个阶段按照分区数量划分为多个任务，最终任务被序列化并提交到Executor上执行。
RDD到Task的构建过程
当RDD的动作类操作被调用时，RDD将调用SparkContext开始提交Job，SparkContext将调用DAGScheduler把RDD转化为阶段的有向无环图，然后首先将有向无环图中没有未完成的依赖的阶段进行提交。在阶段被提交时，每个阶段将产生与分区数量相同的任务，这些任务称之为一个TaskSet。任务的类型分为 ShuffleMapTask和ResultTask，如果阶段的输出将用于下个阶段的输入，也就是需要进行Shuffle操作，则任务类型为ShuffleMapTask。如果阶段的输入即为Job结果，则任务类型为ResultTask。任务创建完成后会交给TaskSchedulerImpl进行TaskSet级别的调度执行。
任务调度
在任务调度的分工上，DAGScheduler负责总体的任务调度，SchedulerBackend负责与Executors通信，维护计算资源信息，并负责将任务序列化并提交到Executor。TaskSetManager负责对一个阶段的任务进行管理，其中会根据任务的数据本地性选择优先提交的任务。TaskSchedulerImpl负责对TaskSet进行调度，通过调度策略确定TaskSet优先级。同时是一个中介者，其将DAGScheduler，SchedulerBackend和TaskSetManager联结起来，对Executor和Task的相关事件进行转发。
在任务提交流程上，DAGScheduler提交TaskSet到TaskSchedulerImpl，使TaskSet在此注册。TaskSchedulerImpl通知SchedulerBackend有新的任务进入，SchedulerBackend调用makeOffers根据注册到自己的Executors信息，确定是否有计算资源执行任务，如有资源则通知TaskSchedulerImpl去分配这些资源。 TaskSchedulerImpl根据TaskSet调度策略优先分配TaskSet接收此资源。TaskSetManager再根据任务的数据本地性，确定提交哪些任务。最终任务的闭包被SchedulerBackend序列化，并传输给Executor进行执行。
Spark的任务调度
根据以上过程，Spark中的任务调度实际上分了三个层次。第一层次是基于阶段的有向无环图进行Stage的调度，第二层次是根据调度策略（FIFO，FAIR）进行TaskSet调度，第三层次是根据数据本地性（Process，Node，Rack）在TaskSet内进行调度。
任务计算
任务的计算过程是在Executor上完成的，Executor监听来自SchedulerBackend的指令，接收到任务时会启动TaskRunner线程进行任务执行。在TaskRunner中首先将任务和相关信息反序列化，然后根据相关信息获取任务所依赖的Jar包和所需文件，完成准备工作后执行任务的run方法，实际上就是执行ShuffleMapTask或ResultTask的run方法。任务执行完毕后将结果发送给Driver进行处理。
在Task.run方法中可以看到ShuffleMapTask和ResultTask有着不同的计算逻辑。ShuffleMapTask是将所依赖RDD的输出写入到ShuffleWriter中，为后面的Shuffle过程做准备。ResultTask是在所依赖RDD上应用一个函数，并返回函数的计算结果。在这两个Task中只能看到数据的输出方式，而看不到应有的计算逻辑。实际上计算过程是包含在RDD中的，调用RDD. Iterator方法获取RDD的数据将触发这个RDD的计算动作（RDD. Iterator），由于此RDD的计算过程中也会使用所依赖RDD的数据。从而RDD的计算过程将递归向上直到一个数据源类型的RDD，再递归向下计算每个RDD的值。需要注意的是，以上的计算过程都是在分区上进行的，而不是整个数据集，计算完成得到的是此分区上的结果，而不是最终结果。
从RDD的计算过程可以看出，RDD的计算过程是包含在RDD的依赖关系中的，只要RDD之间是连续窄依赖，那么多个计算过程就可以在同一个Task中进行计算，中间结果可以立即被下个操作使用，而无需在进程间、节点间、磁盘上进行交换。
RDD计算过程
Shuffle过程
Shuffle是一个对数据进行分组聚合的操作过程，原数据将按照规则进行分组，然后使用一个聚合函数应用于分组上，从而产生新数据。Shuffle操作的目的是把同组数据分配到相同分区上，从而能够在分区上进行聚合计算。为了提高Shuffle性能，还可以先在原分区对数据进行聚合（mapSideCombine），然后再分配部分聚合的数据到新分区，第三步在新分区上再次进行聚合。
在划分阶段时，只有遇到宽依赖才会产生新阶段，才需要Shuffle操作。宽依赖与窄依赖取决于原分区被新分区的使用关系，只要一个原分区会被多个新分区使用，则为宽依赖，需要Shuffle。否则为窄依赖，不需要Shuffle。
以上也就是说只有阶段与阶段之间需要Shuffle，最后一个阶段会输出结果，因此不需要Shuffle。例子中的程序会产生两个阶段，第一个我们简称Map阶段，第二个我们简称Reduce阶段。Shuffle是通过Map阶段的ShuffleMapTask与Reduce阶段的ShuffledRDD配合完成的。其中ShuffleMapTask会把任务的计算结果写入ShuffleWriter，ShuffledRDD从ShuffleReader中读取数据，Shuffle过程会在写入和读取过程中完成。以HashShuffle为例，HashShuffleWriter在写入数据时，会决定是否在原分区做聚合，然后根据数据的Hash值写入相应新分区。HashShuffleReader再根据分区号取出相应数据，然后对数据进行聚合。
Spark的Shuffle过程
计算结果收集
ResultTask任务计算完成后可以得到每个分区的计算结果，此时需要在Driver上对结果进行汇总从而得到最终结果。
RDD在执行collect，count等动作时，会给出两个函数，一个函数在分区上执行，一个函数在分区结果集上执行。例如collect动作在分区上（Executor中）执行将Iterator转换为Array的函数，并将此函数结果返回到Driver。Driver 从多个分区上得到Array类型的分区结果集，然后在结果集上（Driver中）执行合并Array的操作，从而得到最终结果。
总结
Spark对于RDD的设计是其精髓所在。用RDD操作数据的感觉就一个字：爽！。想到RDD背后是几吨重的大数据集，而我们随手调用下map(), reduce()就可以把它转换来转换去，一种半两拨千斤的感觉就会油然而生。我想是以下特性给我们带来了这些：
- RDD把不同来源，不同类型的数据进行了统一，使我们面对RDD的时候就会产生一种信心，就会认为这是某种类型的RDD，从而可以进行RDD的所有操作。
- 对RDD的操作可以叠加到一起计算，我们不必担心中间结果吞吐对性能的影响。
- RDD提供了更丰富的数据集操作函数，这些函数大都是在MapReduce基础上扩充的，使用起来很方便。
- RDD为提供了一个简洁的编程界面，背后复杂的分布式计算过程对开发者是透明的。从而能够让我们把关注点更多的放在业务上。
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