Spark-SQL 面试准备 2

Spark Knowledge NO.2

11.RDD缓存：

Spark可以使用 persist 和 cache 方法将任意 RDD 缓存到内存、磁盘文件系统中。缓存是容错的，如果一个 RDD 分片丢失，可以通过构建它的 transformation自动重构。被缓存的 RDD 被使用的时，存取速度会被大大加速。一般的executor内存60%做 cache， 剩下的40%做task。

Spark中，RDD类可以使用cache() 和 persist() 方法来缓存。cache()是persist()的特例，将该RDD缓存到内存中。而persist可以指定一个StorageLevel。StorageLevel的列表可以在StorageLevel 伴生单例对象中找到。

Spark的不同StorageLevel ，目的满足内存使用和CPU效率权衡上的不同需求。我们建议通过以下的步骤来进行选择：

• 如果你的RDDs可以很好的与默认的存储级别(MEMORY_ONLY)契合，就不需要做任何修改了。这已经是CPU使用效率最高的选项，它使得RDDs的操作尽可能的快。
• 如果不行，试着使用MEMORY_ONLY_SER并且选择一个快速序列化的库使得对象在有比较高的空间使用率的情况下，依然可以较快被访问。
• 尽可能不要存储到硬盘上，除非计算数据集的函数，计算量特别大，或者它们过滤了大量的数据。否则，重新计算一个分区的速度，和与从硬盘中读取基本差不多快。
• 如果你想有快速故障恢复能力，使用复制存储级别(例如：用Spark来响应web应用的请求)。所有的存储级别都有通过重新计算丢失数据恢复错误的容错机制，但是复制存储级别可以让你在RDD上持续的运行任务，而不需要等待丢失的分区被重新计算。
• 如果你想要定义你自己的存储级别(比如复制因子为3而不是2)，可以使用StorageLevel 单例对象的apply()方法。

在不会使用cached RDD的时候，及时使用unpersist方法来释放它。

12.RDD共享变量：

在应用开发中，一个函数被传递给Spark操作（例如map和reduce），在一个远程集群上运行，它实际上操作的是这个函数用到的所有变量的独立拷贝。这些变量会被拷贝到每一台机器。通常看来，在任务之间中，读写共享变量显然不够高效。然而，Spark还是为两种常见的使用模式，提供了两种有限的共享变量：广播变量和累加器。

(1). 广播变量（Broadcast Variables）

• 广播变量缓存到各个节点的内存中，而不是每个 Task

• 广播变量被创建后，能在集群中运行的任何函数调用

• 广播变量是只读的，不能在被广播后修改

• 对于大数据集的广播， Spark 尝试使用高效的广播算法来降低通信成本

val broadcastVar = sc.broadcast(Array(1, 2, 3))方法参数中是要广播的变量
(2). 累加器

累加器只支持加法操作，可以高效地并行，用于实现计数器和变量求和。Spark 原生支持数值类型和标准可变集合的计数器，但用户可以添加新的类型。只有Driver才能获取累加器的值

13.spark-submit的时候如何引入外部jar包：

在通过spark-submit提交任务时，可以通过添加配置参数来指定

–driver-class-path 外部jar包
–jars 外部jar包

14.spark如何防止内存溢出：

1. driver端的内存溢出
   可以增大driver的内存参数：spark.driver.memory (default 1g)
   这个参数用来设置Driver的内存。在Spark程序中，SparkContext，DAGScheduler都是运行在Driver端的。对应rdd的Stage切分也是在Driver端运行，如果用户自己写的程序有过多的步骤，切分出过多的Stage，这部分信息消耗的是Driver的内存，这个时候就需要调大Driver的内存。
2. map过程产生大量对象导致内存溢出
   这种溢出的原因是在单个map中产生了大量的对象导致的，例如：rdd.map(x=>for(i <- 1 to 10000) yield i.toString)，这个操作在rdd中，每个对象都产生了10000个对象，这肯定很容易产生内存溢出的问题。针对这种问题，在不增加内存的情况下，可以通过减少每个Task的大小，以便达到每个Task即使产生大量的对象Executor的内存也能够装得下。具体做法可以在会产生大量对象的map操作之前调用repartition方法，分区成更小的块传入map。例如：rdd.repartition(10000).map(x=>for(i <- 1 to 10000) yield i.toString)。
   面对这种问题注意，不能使用rdd.coalesce方法，这个方法只能减少分区，不能增加分区， 不会有shuffle的过程。
3. 数据不平衡导致内存溢出
   数据不平衡除了有可能导致内存溢出外，也有可能导致性能的问题，解决方法和上面说的类似，就是调用repartition重新分区。这里就不再累赘了。
4. shuffle后内存溢出
   shuffle内存溢出的情况可以说都是shuffle后，单个文件过大导致的。在Spark中，join，reduceByKey这一类型的过程，都会有shuffle的过程，在shuffle的使用，需要传入一个partitioner，大部分Spark中的shuffle操作，默认的partitioner都是HashPatitioner，默认值是父RDD中最大的分区数,这个参数通过spark.default.parallelism控制(在spark-sql中用spark.sql.shuffle.partitions) ， spark.default.parallelism参数只对HashPartitioner有效，所以如果是别的Partitioner或者自己实现的Partitioner就不能使用spark.default.parallelism这个参数来控制shuffle的并发量了。如果是别的partitioner导致的shuffle内存溢出，就需要从partitioner的代码增加partitions的数量。
5. standalone模式下资源分配不均匀导致内存溢出
   在standalone的模式下如果配置了–total-executor-cores 和 –executor-memory 这两个参数，但是没有配置–executor-cores这个参数的话，就有可能导致，每个Executor的memory是一样的，但是cores的数量不同，那么在cores数量多的Executor中，由于能够同时执行多个Task，就容易导致内存溢出的情况。这种情况的解决方法就是同时配置–executor-cores或者spark.executor.cores参数，确保Executor资源分配均匀。
   使用rdd.persist(StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER)代替rdd.cache()
   rdd.cache()和rdd.persist(Storage.MEMORY_ONLY)是等价的，在内存不足的时候rdd.cache()的数据会丢失，再次使用的时候会重算，而rdd.persist(StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER)在内存不足的时候会存储在磁盘，避免重算，只是消耗点IO时间。

15.spark中的数据倾斜的现象，原因，后果：

(1) 数据倾斜的现象
多数task执行速度较快,少数task执行时间非常长，或者等待很长时间后提示你内存不足，执行失败。
(2) 数据倾斜的原因

• 数据问题
  1.key本身分布不均衡（包括大量的key为空）
  2.key的设置不合理
• spark使用问题
  1. shuffle时的并发度不够
  2. 计算方式有误
• 数据倾斜的后果
  1. spark中的stage的执行时间受限于最后那个执行完成的task,因此运行缓慢的任务会拖垮整个程序的运行速度（分布式程序运行的速度是由最慢的那个task决定的）。
  2. 过多的数据在同一个task中运行，将会把executor撑爆。

1.数据问题造成的数据倾斜
找出异常的key
如果任务长时间卡在最后最后1个(几个)任务，首先要对key进行抽样分析，判断是哪些key造成的。 选取key，对数据进行抽样，统计出现的次数，根据出现次数大小排序取出前几个。
比如: df.select(“key”).sample(false,0.1).(k=>(k,1)).reduceBykey(+).map(k=>(k._2,k._1)).sortByKey(false).take(10)
如果发现多数数据分布都较为平均，而个别数据比其他数据大上若干个数量级，则说明发生了数据倾斜。

经过分析，倾斜的数据主要有以下三种情况:
1、null（空值）或是一些无意义的信息()之类的,大多是这个原因引起。
2、无效数据，大量重复的测试数据或是对结果影响不大的有效数据。
3、有效数据，业务导致的正常数据分布。
解决办法
第1，2种情况，直接对数据进行过滤即可（因为该数据对当前业务不会产生影响）。
第3种情况则需要进行一些特殊操作，常见的有以下几种做法
(1) 隔离执行，将异常的key过滤出来单独处理，最后与正常数据的处理结果进行union操作。
(2) 对key先添加随机值，进行操作后，去掉随机值，再进行一次操作。
(3) 使用reduceByKey 代替 groupByKey(reduceByKey用于对每个key对应的多个value进行merge操作，最重要的是它能够在本地先进行merge操作，并且merge操作可以通过函数自定义.)
(4) 使用map join。
案例
如果使用reduceByKey因为数据倾斜造成运行失败的问题。具体操作流程如下:
(1) 将原始的 key 转化为 key + 随机值(例如Random.nextInt)
(2) 对数据进行 reduceByKey(func)
(3) 将 key + 随机值 转成 key
(4) 再对数据进行 reduceByKey(func)
案例操作流程分析：
假设说有倾斜的Key，我们给所有的Key加上一个随机数，然后进行reduceByKey操作；此时同一个Key会有不同的随机数前缀，在进行reduceByKey操作的时候原来的一个非常大的倾斜的Key就分而治之变成若干个更小的Key，不过此时结果和原来不一样，怎么破？进行map操作，目的是把随机数前缀去掉，然后再次进行reduceByKey操作。（当然，如果你很无聊，可以再次做随机数前缀），这样我们就可以把原本倾斜的Key通过分而治之方案分散开来，最后又进行了全局聚合
注意1: 如果此时依旧存在问题，建议筛选出倾斜的数据单独处理。最后将这份数据与正常的数据进行union即可。
注意2: 单独处理异常数据时，可以配合使用Map Join解决。

2.spark使用不当造成的数据倾斜
提高shuffle并行度
dataFrame和sparkSql可以设置spark.sql.shuffle.partitions参数控制shuffle的并发度，默认为200。
rdd操作可以设置spark.default.parallelism控制并发度，默认参数由不同的Cluster Manager控制。
局限性: 只是让每个task执行更少的不同的key。无法解决个别key特别大的情况造成的倾斜，如果某些key的大小非常大，即使一个task单独执行它，也会受到数据倾斜的困扰。
使用map join 代替reduce join
在小表不是特别大(取决于你的executor大小)的情况下使用，可以使程序避免shuffle的过程，自然也就没有数据倾斜的困扰了.（详细见http://blog.csdn.net/lsshlsw/article/details/50834858、http://blog.csdn.net/lsshlsw/article/details/48694893）
局限性: 因为是先将小数据发送到每个executor上，所以数据量不能太大。

16.spark中map-side-join关联优化：

将多份数据进行关联是数据处理过程中非常普遍的用法，不过在分布式计算系统中，这个问题往往会变的非常麻烦，因为框架提供的 join 操作一般会将所有数据根据 key 发送到所有的 reduce 分区中去，也就是 shuffle 的过程。造成大量的网络以及磁盘IO消耗，运行效率极其低下，这个过程一般被称为 reduce-side-join。

如果其中有张表较小的话，我们则可以自己实现在 map 端实现数据关联，跳过大量数据进行 shuffle 的过程，运行时间得到大量缩短，根据不同数据可能会有几倍到数十倍的性能提升。

何时使用：在海量数据中匹配少量特定数据

原理：reduce-side-join 的缺陷在于会将key相同的数据发送到同一个partition中进行运算，大数据集的传输需要长时间的IO，同时任务并发度收到限制，还可能造成数据倾斜。

reduce-side-join 运行图如下

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Kx0FESdz-1579501752609)(C:\Users\sqian\Documents\Others\images\20180909162441742.png)]

map-side-join 运行图如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-UAkbMMsL-1579501752612)(C:\Users\sqian\Documents\Others\images\20180909162409221.png)]

将少量的数据转化为Map进行广播，广播会将此 Map 发送到每个节点中，如果不进行广播，每个task执行时都会去获取该Map数据，造成了性能浪费。对大数据进行遍历，使用mapPartition而不是map，因为mapPartition是在每个partition中进行操作，因此可以减少遍历时新建broadCastMap.value对象的空间消耗，同时匹配不到的数据也不会返回。

17.kafka整合sparkStreaming问题：

(1)、如何实现sparkStreaming读取kafka中的数据
可以这样说：在kafka0.10版本之前有二种方式与sparkStreaming整合，一种是基于receiver，一种是direct,然后分别阐述这2种方式分别是什么
receiver：是采用了kafka高级api,利用receiver接收器来接受kafka topic中的数据，从kafka接收来的数据会存储在spark的executor中，之后spark streaming提交的job会处理这些数据，kafka中topic的偏移量是保存在zk中的。
基本使用：

还有几个需要注意的点：
在Receiver的方式中，Spark中的partition和kafka中的partition并不是相关的，所以如果我们加大每个topic的partition数量，仅仅是增加线程来处理由单一Receiver消费的主题。但是这并没有增加Spark在处理数据上的并行度.
对于不同的Group和topic我们可以使用多个Receiver创建不同的Dstream来并行接收数据，之后可以利用union来统一成一个Dstream。
在默认配置下，这种方式可能会因为底层的失败而丢失数据. 因为receiver一直在接收数据,在其已经通知zookeeper数据接收完成但是还没有处理的时候,executor突然挂掉(或是driver挂掉通知executor关闭),缓存在其中的数据就会丢失. 如果希望做到高可靠, 让数据零丢失,如果我们启用了Write Ahead Logs(spark.streaming.receiver.writeAheadLog.enable=true）该机制会同步地将接收到的Kafka数据写入分布式文件系统(比如HDFS)上的预写日志中. 所以, 即使底层节点出现了失败, 也可以使用预写日志中的数据进行恢复. 复制到文件系统如HDFS，那么storage level需要设置成 StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER，也就是KafkaUtils.createStream(…, StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER)
direct:在spark1.3之后，引入了Direct方式。不同于Receiver的方式，Direct方式没有receiver这一层，其会周期性的获取Kafka中每个topic的每个partition中的最新offsets，之后根据设定的maxRatePerPartition来处理每个batch。（设置spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition=10000。限制每秒钟从topic的每个partition最多消费的消息条数）。
(2) 对比这2中方式的优缺点：
采用receiver方式：这种方式可以保证数据不丢失，但是无法保证数据只被处理一次，WAL实现的是At-least-once语义（至少被处理一次），如果在写入到外部存储的数据还没有将offset更新到zookeeper就挂掉,这些数据将会被反复消费. 同时,降低了程序的吞吐量。
采用direct方式:相比Receiver模式而言能够确保机制更加健壮. 区别于使用Receiver来被动接收数据, Direct模式会周期性地主动查询Kafka, 来获得每个topic+partition的最新的offset, 从而定义每个batch的offset的范围. 当处理数据的job启动时, 就会使用Kafka的简单consumer api来获取Kafka指定offset范围的数据。
优点：
1、简化并行读取
如果要读取多个partition, 不需要创建多个输入DStream然后对它们进行union操作. Spark会创建跟Kafka partition一样多的RDD partition, 并且会并行从Kafka中读取数据. 所以在Kafka partition和RDD partition之间, 有一个一对一的映射关系.
2、高性能
如果要保证零数据丢失, 在基于receiver的方式中, 需要开启WAL机制. 这种方式其实效率低下, 因为数据实际上被复制了两份, Kafka自己本身就有高可靠的机制, 会对数据复制一份, 而这里又会复制一份到WAL中. 而基于direct的方式, 不依赖Receiver, 不需要开启WAL机制, 只要Kafka中作了数据的复制, 那么就可以通过Kafka的副本进行恢复.
3、一次且仅一次的事务机制
基于receiver的方式, 是使用Kafka的高阶API来在ZooKeeper中保存消费过的offset的. 这是消费Kafka数据的传统方式. 这种方式配合着WAL机制可以保证数据零丢失的高可靠性, 但是却无法保证数据被处理一次且仅一次, 可能会处理两次. 因为Spark和ZooKeeper之间可能是不同步的. 基于direct的方式, 使用kafka的简单api, Spark Streaming自己就负责追踪消费的offset, 并保存在checkpoint中. Spark自己一定是同步的, 因此可以保证数据是消费一次且仅消费一次。不过需要自己完成将offset写入zk的过程,在官方文档中都有相应介绍.
*简单代码实例：

• messages.foreachRDD(rdd=>{

val message = rdd.map(_._2)//对数据进行一些操作

message.map(method)//更新zk上的offset (自己实现)

updateZKOffsets(rdd)

})

• sparkStreaming程序自己消费完成后，自己主动去更新zk上面的偏移量。也可以将zk中的偏移量保存在mysql或者redis数据库中，下次重启的时候，直接读取mysql或者redis中的偏移量，获取到上次消费的偏移量，接着读取数据。

18.spark master在使用zookeeper进行HA时，有哪些元数据保存在zookeeper？

答：spark通过这个参数spark.deploy.zookeeper.dir指定master元数据在zookeeper中保存的位置，包括worker,master,application,executors.standby节点要从zk中获得元数据信息，恢复集群运行状态，才能对外继续提供服务，作业提交资源申请等，在恢复前是不能接受请求的，另外，master切换需要注意两点：

1.在master切换的过程中，所有的已经在运行的程序皆正常运行，因为spark application在运行前就已经通过cluster manager获得了计算资源，所以在运行时job本身的调度和处理master是没有任何关系的；

2.在master的切换过程中唯一的影响是不能提交新的job，一方面不能提交新的应用程序给集群，因为只有Active master才能接受新的程序的提交请求，另外一方面，已经运行的程序也不能action操作触发新的job提交请求。

19.spark master HA主从切换过程不会影响集群已有的作业运行，为什么？

答：因为程序在运行之前，已经向集群申请过资源，这些资源已经提交给driver了，也就是说已经分配好资源了，这是粗粒度分配，一次性分配好资源后不需要再关心资源分配，在运行时让driver和executor自动交互，弊端是如果资源分配太多，任务运行完不会很快释放，造成资源浪费，这里不适用细粒度分配的原因是因为任务提交太慢。

20.什么是粗粒度，什么是细粒度，各自的优缺点是什么？

答：1.粗粒度：启动时就分配好资源，程序启动，后续具体使用就使用分配好的资源，不需要再分配资源。好处：作业特别多时，资源复用率较高，使用粗粒度。缺点：容易资源浪费，如果一个job有1000个task，完成了999个，还有一个没完成，那么使用粗粒度。如果有999个资源闲置在那里，会造成资源大量浪费。

2.细粒度：用资源的时候分配，用完了就立即回收资源，启动会麻烦一点，启动一次分配一次，会比较麻烦。