内存计算

by 清华大学

为什么并行计算？

计算量大
- 单进程算得不够快，多CPU算
内存需求大
- 单机内存不够大
- 内存随机访问比硬盘随机访问快100,000倍
I/O 量大
- 单个硬盘读写太慢，多个硬盘读写

并行计算的挑战

编程困难
- 并行性识别与表达，难写
- 同步语句，难写对
性能调优难，难写快（并行计算目标就是提升性能，性能调优难）
-负载平衡
- 局部性（高速缓存cache，使用cache可以快10倍左右）
容错难

并行计算中的局部性

矩阵相乘，按列访问会造成cache失效

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分块算法，得到更高的局部性

高可用性

大数据处理系统通常是由大量不可靠服务器组成的，如果处理1个10天的大数据处理任务时在第8天机器坏掉怎么办？
重新计算不一定能解决问题
传统的容错方法不适用

锁步法（性能会有较大影响），多版本编程（多个人来编程，对比结果，软件容错）
检查点设置与恢复（保存程序状态，从保存状态位置继续执行，IO量大）

大数据处理并行系统

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内存计算需求

Map Reduce成功之处

用户只需要编写串行程序
自动并行化和分布式执行
自动容错
自动负载平衡
用户对系统提出了更高的要求
更复杂的多阶段任务
交互式查询
Map Reduce 的局限性
表达能力有限
- 只有Map 和Reduce两种操作
复杂任务通常需要迭代的 MapReduce
- 需要将中间结构保存在硬盘上
- 大量I/O操作造成性能急剧下降
引入的I/O操作多，只能做离线分析，很难支持数据的交互式查询

MapReduce 文件传递数据

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如果能用内存保存数据？

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比采用硬盘方案快10-100倍
In Memory Computing

内存计算的可行性

问题：

内存是否足够大能够装下所需要的数据？
内存有多贵？与硬盘相比性价比如何？
数据保存在硬盘上，可以保证数据的可用性，放在内存里如何容错？
如何高效表示内存里的数据？
input -> iter1 -> memory -> iter2 -> memory

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单位芯片上集成的晶体管数量随着时间（每两年）可以成倍增长

各个内存层次的延迟

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DRAM比硬盘快100,000倍，但是DRAM比片上cache慢6-200倍

内存计算的实例：SPARK

SPARK设计理念：着重效率和容错
如何抽象多台机器的内存？

分布式共享内存（DSM）
- 统一地址空间
- 很难容错
分布式键-值存储（Piccolo，RAMCloud）
- 允许细粒度访问
- 可以修改数据（mutable）
- 容错开销大

DSM和键值对的容错机制

副本或Log
- 对数据密集应用来说开销很大
- 比内存写要慢10-100倍

解决方案

RDD（Resilient Distributed Datasets）
- 基于数据集合，而不是单个数据
- 由确定性的粗粒度操作产生（map,filter,join等）
- 数据一旦产生，就不能修改（immutable）
- 如果要修改数据，要通过数据集的变换来产生新的数据集

高效容错方法

数据一旦是确定性的产生，并且产生后不会变化
- 就可以通过“重复计算”的方法恢复数据
- 只要记住rdd生成过程就可以了，这样一次log可以用于很多数据，在不出错的时候几乎没有开销
  
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大数据处理并行系统

用编程模型上的限制获取好的容错能力和高性能

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K-V 对，细粒度修改； HDFS 只能添加数据
RDD 高吞吐率，不允许做细粒度修改，换取好的容错能力和好的性能

SPARK 编程接口

基于Scala 语言
- 类似Java的一种函数语言
- 可以在Scala控制台上交互式地使用Spark
- 现在也支持Java 和Python
基于RDD的操作
- Transformation：从现有RDD产生新的RDD
  - map, reduce, filter, groupBy, sort, distinct, sample ...
- Action: 从RDD返回一个值
- count, collect, first ,foreach ...
  
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SPARK 编程实例--LOG挖掘
将数据从文件系统中调入内存，然后进行交互式的查询

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lines = spark.textFile("hdfs://...")
errors = lines.filter(_.startsWith("ERROR"))
messages = errors.map(_.split('\t')(2))
cachedMsgs = messages.cache()
cachedMsgs.filter(_.contains("foo")).count // 包含foo的信息的数目
cachedMsgs.filter(_.contains("bar")).count

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SPARK 实现技术

延迟估值（Lazy Evaluation）

val lines = sc.textFile("data.txt")  //transformation
val lineLengths = lines.map(s => s.length) //transformation
val totalLength = lineLengths.reduce((a,b) => a+b) //action, trigger computation