本节主要内容

Spark重要概念

弹性分布式数据集（RDD）基础

1. Spark重要概念

本节部分内容源自官方文档：http://spark.apache.org/docs/latest/cluster-overview.html


（1）Spark运行模式

目前最为常用的Spark运行模式有： 

- local：本地线程方式运行，主要用于开发调试Spark应用程序 

- Standalone：利用Spark自带的资源管理与调度器运行Spark集群，采用Master/Slave结构，为解决单点故障，可以采用ZooKeeper实现高可靠（High Availability，HA) 

- Apache Mesos ：运行在著名的Mesos资源管理框架基础之上，该集群运行模式将资源管理交给Mesos，Spark只负责进行任务调度和计算 

- Hadoop YARN : 集群运行在Yarn资源管理器上，资源管理交给Yarn，Spark只负责进行任务调度和计算 

Spark运行模式中Hadoop YARN的集群运行方式最为常用，本课程中的第一节便是采用Hadoop YARN的方式进行Spark集群搭建。如此Spark便与Hadoop生态圈完美搭配，组成强大的集群，可谓无所不能。


（2）Spark组件（Components）

一个完整的Spark应用程序，如前一节当中SparkWordCount程序，在提交集群运行时，它涉及到如下图所示的组件： 



各Spark应用程序以相互独立的进程集合运行于集群之上，由SparkContext对象进行协调，SparkContext对象可以视为Spark应用程序的入口，被称为driver program，SparkContext可以与不同种类的集群资源管理器(Cluster Manager），例如Hadoop Yarn、Mesos等 进行通信，从而分配到程序运行所需的资源，获取到集群运行所需的资源后，SparkContext将得到集群中其它工作节点（Worker Node） 上对应的Executors （不同的Spark应用程序有不同的Executor，它们之间也是独立的进程，Executor为应用程序提供分布式计算及数据存储功能），之后SparkContext将应用程序代码分发到各Executors，最后将任务（Task）分配给executors执行。


Term（术语) Meaning（解释)

Application（Spark应用程序） 运行于Spark上的用户程序，由集群上的一个driver program（包含SparkContext对象）和多个executor线程组成

Application jar（Spark应用程序JAR包） Jar包中包含了用户Spark应用程序，如果Jar包要提交到集群中运行，不需要将其它的Spark依赖包打包进行，在运行时

Driver program 包含main方法的程序，负责创建SparkContext对象

Cluster manager 集群资源管理器，例如Mesos，Hadoop Yarn

Deploy mode 部署模式，用于区别driver program的运行方式:集群模式(cluter mode)，driver在集群内部启动；客户端模式（client mode），driver进程从集群外部启动

Worker node 工作节点， 集群中可以运行Spark应用程序的节点

Executor Worker node上的进程，该进程用于执行具体的Spark应用程序任务，负责任务间的数据维护（数据在内存中或磁盘上)。不同的Spark应用程序有不同的Executor

Task 运行于Executor中的任务单元，Spark应用程序最终被划分为经过优化后的多个任务的集合（在下一节中将详细阐述）

Job 由多个任务构建的并行计算任务，具体为Spark中的action操作，如collect,save等)

Stage 每个job将被拆分为更小的task集合，这些任务集合被称为stage，各stage相互独立（类似于MapReduce中的map stage和reduce stage），由于它由多个task集合构成，因此也称为TaskSet

2. 弹性分布式数据集（RDD）基础

弹性分布式数据集（RDD，Resilient Distributed Datasets），由Berkeley实验室于2011年提出，原始论文名字：Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing 原始论文非常值得一读，是研究RDD的一手资料，本节内容大部分将基于该论文。


（1）RDD设计目标

RDD用于支持在并行计算时能够高效地利用中间结果，支持更简单的编程模型，同时也具有像MapReduce等并行计算框架的高容错性、能够高效地进行调度及可扩展性。RDD的容错通过记录RDD转换操作的lineage关系来进行，lineage记录了RDD的家族关系，当出现错误的时候，直接通过lineage进行恢复。RDD最合数据挖掘, 机器学习及图计算，因此这些应用涉及到大家的迭代计算，基于内存能够极大地提升其在分布式环境下的执行效率；RDD不适用于诸如分布式爬虫等需要频繁更新共享状态的任务。


下面给出的是在spark-shell中如何查看RDD的Lineage


//textFile读取hdfs根目录下的README.md文件，然后筛选出所有包括Spark的行

scala> val rdd2=sc.textFile("/README.md").filter(line => line.contains("Spark"))

rdd2: org.apache.spark.rdd.RDD[String] = MapPartitionsRDD[2] at filter at :21

//toDebugString方法会打印出RDD的家族关系

//可以看到textFile方法会生成两个RDD，分别是HadoopRDD

//MapPartitionsRDD，而filter同时也会生成新的MapPartitionsRDD

scala> rdd2.toDebugString

15/09/20 01:35:27 INFO mapred.FileInputFormat: Total input paths to process : 1

res0: String = 

(2) MapPartitionsRDD[2] at filter at :21 []

 |  MapPartitionsRDD[1] at textFile at :21 []

 |  /README.md HadoopRDD[0] at textFile at :21 []

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（2）RDD抽象

RDD在Spark中是一个只读的（val类型）、经过分区的记录集合。RDD在Spark中只有两种创建方式：（1）从存储系统中创建；（2）从其它RDD中创建。从存储中创建有多种方式，可以是本地文件系统，也可以是分布式文件系统，还可以是内存中的数据。 

下面的代码演示的是从HDFS中创建RDD


scala> sc.textFile("/README.md")

res1: org.apache.spark.rdd.RDD[String] = MapPartitionsRDD[4] at textFile at :22

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下面的代码演示的是从内存中创建RDD


//内存中定义了一个数组

scala> val data = Array(1, 2, 3, 4, 5)

data: Array[Int] = Array(1, 2, 3, 4, 5)

//通过parallelize方法创建ParallelCollectionRDD

scala> val distData = sc.parallelize(data)

distData: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = ParallelCollectionRDD[5] at parallelize at :23

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下面的代码演示的是从其它RDD创建新的RDD


//filter函数将distData RDD转换成新的RDD

scala> val distDataFiletered=distData.filter(e=>e>2)

distDataFiletered: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = MapPartitionsRDD[6] at filter at :25

//触发action操作（后面我们会讲)，查看过滤后的内容

//注意collect只适合数据量较少时使用

scala> distDataFiltered.collect

res3: Array[Int] = Array(3, 4, 5)

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（3）RDD编程模型

在前面的例子中，我们已经接触过到如何利用RDD进行编程，前面我们提到的


//filter函数将distData RDD转换成新的RDD

scala> val distDataFiletered=distData.filter(e=>e>2)

//触发action操作（后面我们会讲)，查看过滤后的内容

//注意collect只适合数据量较少时使用

scala> distDataFiltered.collect

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这段代码它已经给我们解释了RDD编程模型的核心思想：“filter函数将distData RDD转换成新的RDD”，“触发action操作”。也就是说RDD的操作包括Transformations（转换)、Actions两种。


transformations操作会将一个RDD转换成一个新的RDD，需要特别注意的是所有的transformation都是lazy的，如果对scala中的lazy了解的人都知道，transformation之后它不会立马执行，而只是会记住对相应数据集的transformation，而到真正被使用的时候才会执行，例如distData.filter(e=>e>2) transformation后，它不会立即执行，而是等到distDataFiltered.collect方法执行时才被执行，如下图所示 

 

从上图可以看到，在distDataFiltered.collect方法执行之后，才会触发最终的transformation执行。


从transformation的介绍中我们知道，action是解决程序最终执行的诱因，action操作会返回程序执行结果如collect操作或将运行结果保存，例如SparkWordCount中的saveAsTextFile方法。


Spark 1.5.0支持的transformation包括：


（1）map 

map函数方法参数：


/**

   * Return a new RDD by applying a function to all elements of this RDD.

   */

  def map[U: ClassTag](f: T => U): RDD[U]

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//使用示例


scala> val rdd1=sc.parallelize(Array(1,2,3,4)).map(x=>2*x).collect

rdd1: Array[Int] = Array(2, 4, 6, 8)

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（2）filter 

方法参数：


/**

   * Return a new RDD containing only the elements that satisfy a predicate.

   */

  def filter(f: T => Boolean): RDD[T]

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使用示例


scala> val rdd1=sc.parallelize(Array(1,2,3,4)).filter(x=>x>1).collect

rdd1: Array[Int] = Array(2, 3, 4)

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（3）flatMap 

方法参数：


/**

   *  Return a new RDD by first applying a function to all elements of this

   *  RDD, and then flattening the results.

   */

  def flatMap[U: ClassTag](f: T => TraversableOnce[U]): RDD[U] 

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使用示例：


scala>  val data =Array(Array(1, 2, 3, 4, 5),Array(4,5,6))

data: Array[Array[Int]] = Array(Array(1, 2, 3, 4, 5), Array(4, 5, 6))


scala> val rdd1=sc.parallelize(data)

rdd1: org.apache.spark.rdd.RDD[Array[Int]] = ParallelCollectionRDD[2] at parallelize at :23


scala> val rdd2=rdd1.flatMap(x=>x.map(y=>y))

rdd2: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = MapPartitionsRDD[3] at flatMap at :25


scala> rdd2.collect

res0: Array[Int] = Array(1, 2, 3, 4, 5, 4, 5, 6)



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（4）mapPartitions(func) 

本mapPartitions例子来源于：https://www.zybuluo.com/jewes/note/35032 

mapPartitions是map的一个变种。map的输入函数是应用于RDD中每个元素，而mapPartitions的输入函数是应用于每个分区，也就是把每个分区中的内容作为整体来处理的。它的函数定义为：


def mapPartitions[U: ClassTag](f: Iterator[T] => Iterator[U], preservesPartitioning: Boolean = false): RDD[U]


f即为输入函数，它处理每个分区里面的内容。每个分区中的内容将以Iterator[T]传递给输入函数f，f的输出结果是Iterator[U]。最终的RDD由所有分区经过输入函数处理后的结果合并起来的。


scala> val a = sc.parallelize(1 to 9, 3)

scala> def myfunc[T](iter: Iterator[T]) : Iterator[(T, T)] = {

    var res = List[(T, T)]() 

    var pre = iter.next 

    while (iter.hasNext) {

        val cur = iter.next; 

        res .::= (pre, cur)

        pre = cur;

    } 

    res.iterator

}

scala> a.mapPartitions(myfunc).collect

res0: Array[(Int, Int)] = Array((2,3), (1,2), (5,6), (4,5), (8,9), (7,8))

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上述例子中的函数myfunc是把分区中一个元素和它的下一个元素组成一个Tuple。因为分区中最后一个元素没有下一个元素了，所以(3,4)和(6,7)不在结果中。 

mapPartitions还有些变种，比如mapPartitionsWithContext，它能把处理过程中的一些状态信息传递给用户指定的输入函数。还有mapPartitionsWithIndex，它能把分区的index传递给用户指定的输入函数。


（5）mapPartitionsWithIndex


mapPartitionsWithIndex函数是mapPartitions函数的一个变种，它的函数参数如下：


def mapPartitionsWithIndex[U: ClassTag]( 

f: (Int, Iterator[T]) => Iterator[U], 

preservesPartitioning: Boolean = false): RDD[U]


```

scala> val a = sc.parallelize(1 to 9, 3)

//函数带分区索引，返回的集合第一个元素为分区索引

scala> def myfunc[T](index:T,iter: Iterator[T]) : Iterator[(T,T,T)] = {

    var res = List[(T,T, T)]() 

    var pre = iter.next 

    while (iter.hasNext) {

        val cur = iter.next

        res .::= (index,pre, cur) 

        pre = cur

    } 

    res.iterator

}

scala> a.mapPartitionsWithIndex(myfunc).collect

res11: Array[(Int, Int, Int)] = Array((0,2,3), (0,1,2), (1,5,6), (1,4,5), (2,8,9), (2,7,8))

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（6）sample 

方法参数：


 /**

   * Return a sampled subset of this RDD.

   *

   * @param withReplacement can elements be sampled multiple times (replaced when sampled out)

   * @param fraction expected size of the sample as a fraction of this RDD's size

   *  without replacement: probability that each element is chosen; fraction must be [0, 1]

   *  with replacement: expected number of times each element is chosen; fraction must be >= 0

   * @param seed seed for the random number generator

   */

  def sample(

      withReplacement: Boolean,

      fraction: Double,

      seed: Long = Utils.random.nextLong): RDD[T] 

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使用示例：


scala> val a = sc.parallelize(1 to 9, 3)

a: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = ParallelCollectionRDD[12] at parallelize at :21


scala> val smapledA=a.sample(true,0.5)

smapledA: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = PartitionwiseSampledRDD[13] at sample at :23

scala> smapledA.collect

res12: Array[Int] = Array(3, 3, 3, 5, 6, 8, 8)


scala> val smapledA2=a.sample(false,0.5).collect

smapledA2: Array[Int] = Array(1, 4)