Spark技术内幕：Stage划分及提交源码分析

http://blog.csdn.net/anzhsoft/article/details/39859463

当触发一个RDD的action后，以count为例，调用关系如下：

1. org.apache.spark.rdd.RDD#count
2. org.apache.spark.SparkContext#runJob
3. org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#runJob
4. org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#submitJob
5. org.apache.spark.scheduler.DAGSchedulerEventProcessActor#receive（JobSubmitted）
6. org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#handleJobSubmitted

其中步骤五的DAGSchedulerEventProcessActor是DAGScheduler 的与外部交互的接口代理，DAGScheduler在创建时会创建名字为eventProcessActor的actor。这个actor的作用看它的实现就一目了然了：

 /**
  * The main event loop of the DAG scheduler.
  */
 def receive = {
   case JobSubmitted(jobId, rdd, func, partitions, allowLocal, callSite, listener, properties) =>
     dagScheduler.handleJobSubmitted(jobId, rdd, func, partitions, allowLocal, callSite,
       listener, properties) // 提交job，来自与RDD->SparkContext->DAGScheduler的消息。之所以在这需要在这里中转一下，是为了模块功能的一致性。

   case StageCancelled(stageId) => // 消息源org.apache.spark.ui.jobs.JobProgressTab，在GUI上显示一个SparkContext的Job的执行状态。
     // 用户可以cancel一个Stage，会通过SparkContext->DAGScheduler 传递到这里。
     dagScheduler.handleStageCancellation(stageId)

   case JobCancelled(jobId) => // 来自于org.apache.spark.scheduler.JobWaiter的消息。取消一个Job
     dagScheduler.handleJobCancellation(jobId)

   case JobGroupCancelled(groupId) => // 取消整个Job Group
     dagScheduler.handleJobGroupCancelled(groupId)

   case AllJobsCancelled => //取消所有Job
     dagScheduler.doCancelAllJobs()

   case ExecutorAdded(execId, host) => // TaskScheduler得到一个Executor被添加的消息。具体来自org.apache.spark.scheduler.TaskSchedulerImpl.resourceOffers
     dagScheduler.handleExecutorAdded(execId, host)

   case ExecutorLost(execId) => //来自TaskScheduler
     dagScheduler.handleExecutorLost(execId)

   case BeginEvent(task, taskInfo) => // 来自TaskScheduler
     dagScheduler.handleBeginEvent(task, taskInfo)

   case GettingResultEvent(taskInfo) => //处理获得TaskResult信息的消息
     dagScheduler.handleGetTaskResult(taskInfo)

   case completion @ CompletionEvent(task, reason, _, _, taskInfo, taskMetrics) => //来自TaskScheduler，报告task是完成或者失败
     dagScheduler.handleTaskCompletion(completion)

   case TaskSetFailed(taskSet, reason) => //来自TaskScheduler，要么TaskSet失败次数超过阈值或者由于Job Cancel。
     dagScheduler.handleTaskSetFailed(taskSet, reason)

   case ResubmitFailedStages => //当一个Stage处理失败时，重试。来自org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler.handleTaskCompletion
     dagScheduler.resubmitFailedStages()
 }

总结一下org.apache.spark.scheduler.DAGSchedulerEventProcessActor的作用：可以把他理解成DAGScheduler的对外的功能接口。它对外隐藏了自己内部实现的细节，也更易于理解其逻辑；也降低了维护成本，将DAGScheduler的比较复杂功能接口化。

handleJobSubmitted

org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#handleJobSubmitted首先会根据RDD创建finalStage。finalStage，顾名思义，就是最后的那个Stage。然后创建job，最后提交。提交的job如果满足一下条件，那么它将以本地模式运行：

1）spark.localExecution.enabled设置为true  并且 2）用户程序显式指定可以本地运行 并且 3）finalStage的没有父Stage 并且 4）仅有一个partition

3）和 4）的话主要为了任务可以快速执行；如果有多个stage或者多个partition的话，本地运行可能会因为本机的计算资源的问题而影响任务的计算速度。

要理解什么是Stage，首先要搞明白什么是Task。Task是在集群上运行的基本单位。一个Task负责处理RDD的一个partition。RDD的多个patition会分别由不同的Task去处理。当然了这些Task的处理逻辑完全是一致的。这一组Task就组成了一个Stage。有两种Task：

1.  org.apache.spark.scheduler.ShuffleMapTask
2.  org.apache.spark.scheduler.ResultTask

ShuffleMapTask根据Task的partitioner将计算结果放到不同的bucket中。而ResultTask将计算结果发送回Driver Application。一个Job包含了多个Stage，而Stage是由一组完全相同的Task组成的。最后的Stage包含了一组ResultTask。

在用户触发了一个action后，比如count，collect，SparkContext会通过runJob的函数开始进行任务提交。最后会通过DAG的event processor 传递到DAGScheduler本身的handleJobSubmitted，它首先会划分Stage，提交Stage，提交Task。至此，Task就开始在运行在集群上了。

一个Stage的开始就是从外部存储或者shuffle结果中读取数据；一个Stage的结束就是由于发生shuffle或者生成结果时。

创建finalStage

handleJobSubmitted 通过调用newStage来创建finalStage：

 finalStage = newStage(finalRDD, partitions.size, None, jobId, callSite)

创建一个result stage，或者说finalStage，是通过调用org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#newStage完成的；而创建一个shuffle stage，需要通过调用org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#newOrUsedStage。 

 private def newStage(
       rdd: RDD[_],
       numTasks: Int,
       shuffleDep: Option[ShuffleDependency[_, _, _]],
       jobId: Int,
       callSite: CallSite)
     : Stage =
   {
     val id = nextStageId.getAndIncrement()
     val stage =
       new Stage(id, rdd, numTasks, shuffleDep, getParentStages(rdd, jobId), jobId, callSite)
     stageIdToStage(id) = stage
     updateJobIdStageIdMaps(jobId, stage)
     stage
   }

对于result 的final stage来说，传入的shuffleDep是None。

我们知道，RDD通过org.apache.spark.rdd.RDD#getDependencies可以获得它依赖的parent RDD。而Stage也可能会有parent Stage。看一个RDD论文的Stage划分吧：

一个stage的边界，输入是外部的存储或者一个stage shuffle的结果；输入则是Job的结果（result task对应的stage）或者shuffle的结果。

上图的话stage3的输入则是RDD A和RDD F shuffle的结果。而A和F由于到B和G需要shuffle，因此需要划分到不同的stage。

从源码实现的角度来看，通过触发action也就是最后一个RDD创建final stage（上图的stage 3），我们注意到new Stage的第五个参数就是该Stage的parent Stage：通过rdd和job id获取：

 // 生成rdd的parent Stage。没遇到一个ShuffleDependency，就会生成一个Stage
   private def getParentStages(rdd: RDD[_], jobId: Int): List[Stage] = {
     val parents = new HashSet[Stage] //存储parent stage
     val visited = new HashSet[RDD[_]] //存储已经被访问到得RDD
     // We are manually maintaining a stack here to prevent StackOverflowError
     // caused by recursively visiting // 存储需要被处理的RDD。Stack中得RDD都需要被处理。
     val waitingForVisit = new Stack[RDD[_]]
     def visit(r: RDD[_]) {
       if (!visited(r)) {
         visited += r
         // Kind of ugly: need to register RDDs with the cache here since
         // we can't do it in its constructor because # of partitions is unknown
         for (dep <- r.dependencies) {
           dep match {
             case shufDep: ShuffleDependency[_, _, _] => // 在ShuffleDependency时需要生成新的stage
               parents += getShuffleMapStage(shufDep, jobId)
             case _ =>
               waitingForVisit.push(dep.rdd) //不是ShuffleDependency，那么就属于同一个Stage
           }
         }
       }
     }
     waitingForVisit.push(rdd) // 输入的rdd作为第一个需要处理的RDD。然后从该rdd开始，顺序访问其parent rdd
     while (!waitingForVisit.isEmpty) { //只要stack不为空，则一直处理。
       visit(waitingForVisit.pop()) //每次visit如果遇到了ShuffleDependency，那么就会形成一个Stage，否则这些RDD属于同一个Stage
     }
     parents.toList
   }

生成了finalStage后，就需要提交Stage了。

 // 提交Stage，如果有parent Stage没有提交，那么递归提交它。
 private def submitStage(stage: Stage) {
   val jobId = activeJobForStage(stage)
   if (jobId.isDefined) {
     logDebug("submitStage(" + stage + ")")
     // 如果当前stage不在等待其parent stage的返回，并且 不在运行的状态， 并且 没有已经失败（失败会有重试机制，不会通过这里再次提交）
     if (!waitingStages(stage) && !runningStages(stage) && !failedStages(stage)) {
       val missing = getMissingParentStages(stage).sortBy(_.id)
       logDebug("missing: " + missing)
       if (missing == Nil) { // 如果所有的parent stage都已经完成，那么提交该stage所包含的task
         logInfo("Submitting " + stage + " (" + stage.rdd + "), which has no missing parents")
         submitMissingTasks(stage, jobId.get)
       } else {
         for (parent <- missing) { // 有parent stage为完成，则递归提交它
           submitStage(parent)
         }
         waitingStages += stage
       }
     }
   } else {
     abortStage(stage, "No active job for stage " + stage.id)
   }
 }

DAGScheduler将Stage划分完成后，提交实际上是通过把Stage转换为TaskSet，然后通过TaskScheduler将计算任务最终提交到集群。其所在的位置如下图所示。

接下来，将分析Stage是如何转换为TaskSet，并最终提交到Executor去运行的。

在上文《Spark技术内幕：Stage划分及提交源码分析》中，我们分析了Stage的生成和提交。但是Stage的提交，只是DAGScheduler完成了对DAG的划分，生成了一个计算拓扑，即需要按照顺序计算的Stage，Stage中包含了可以以partition为单位并行计算的Task。我们并没有分析Stage中得Task是如何生成并且最终提交到Executor中去的。

这就是本文的主题。

从org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#submitMissingTasks开始，分析Stage是如何生成TaskSet的。

如果一个Stage的所有的parent stage都已经计算完成或者存在于cache中，那么他会调用submitMissingTasks来提交该Stage所包含的Tasks。

org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#submitMissingTasks的计算流程如下：

1. 首先得到RDD中需要计算的partition，对于Shuffle类型的stage，需要判断stage中是否缓存了该结果；对于Result类型的Final Stage，则判断计算Job中该partition是否已经计算完成。
2. 序列化task的binary。Executor可以通过广播变量得到它。每个task运行的时候首先会反序列化。这样在不同的executor上运行的task是隔离的，不会相互影响。
3. 为每个需要计算的partition生成一个task：对于Shuffle类型依赖的Stage，生成ShuffleMapTask类型的task；对于Result类型的Stage，生成一个ResultTask类型的task
4. 确保Task是可以被序列化的。因为不同的cluster有不同的taskScheduler，在这里判断可以简化逻辑；保证TaskSet的task都是可以序列化的
5. 通过TaskScheduler提交TaskSet。

TaskSet就是可以做pipeline的一组完全相同的task，每个task的处理逻辑完全相同，不同的是处理数据，每个task负责处理一个partition。pipeline，可以称为大数据处理的基石，只有数据进行pipeline处理，才能将其放到集群中去运行。对于一个task来说，它从数据源获得逻辑，然后按照拓扑顺序，顺序执行（实际上是调用rdd的compute）。

TaskSet是一个数据结构，存储了这一组task：

 private[spark] class TaskSet(
     val tasks: Array[Task[_]],
     val stageId: Int,
     val attempt: Int,
     val priority: Int,
     val properties: Properties) {
     val id: String = stageId + "." + attempt

   override def toString: String = "TaskSet " + id
 }

管理调度这个TaskSet的时org.apache.spark.scheduler.TaskSetManager，TaskSetManager会负责task的失败重试；跟踪每个task的执行状态；处理locality-aware的调用。

详细的调用堆栈如下：

1. org.apache.spark.scheduler.TaskSchedulerImpl#submitTasks
2. org.apache.spark.scheduler.SchedulableBuilder#addTaskSetManager
3. org.apache.spark.scheduler.cluster.CoarseGrainedSchedulerBackend#reviveOffers
4. org.apache.spark.scheduler.cluster.CoarseGrainedSchedulerBackend.DriverActor#makeOffers
5. org.apache.spark.scheduler.TaskSchedulerImpl#resourceOffers
6. org.apache.spark.scheduler.cluster.CoarseGrainedSchedulerBackend.DriverActor#launchTasks
7. org.apache.spark.executor.CoarseGrainedExecutorBackend.receiveWithLogging#launchTask
8. org.apache.spark.executor.Executor#launchTask

首先看一下org.apache.spark.executor.Executor#launchTask：

 def launchTask(
     context: ExecutorBackend, taskId: Long, taskName: String, serializedTask: ByteBuffer) {
   val tr = new TaskRunner(context, taskId, taskName, serializedTask)
   runningTasks.put(taskId, tr)
   threadPool.execute(tr) // 开始在executor中运行
 }

TaskRunner会从序列化的task中反序列化得到task，这个需要看  org.apache.spark.executor.Executor.TaskRunner#run 的实现：task.run(taskId.toInt)。而task.run的实现是：

 final def run(attemptId: Long): T = {
    context = new TaskContext(stageId, partitionId, attemptId, runningLocally = false)
    context.taskMetrics.hostname = Utils.localHostName()
    taskThread = Thread.currentThread()
    if (_killed) {
      kill(interruptThread = false)
    }
    runTask(context)
  }

对于原来提到的两种Task，即

1.  org.apache.spark.scheduler.ShuffleMapTask
2.  org.apache.spark.scheduler.ResultTask

分别实现了不同的runTask:

org.apache.spark.scheduler.ResultTask#runTask即顺序调用rdd的compute，通过rdd的拓扑顺序依次对partition进行计算：

 override def runTask(context: TaskContext): U = {
   // Deserialize the RDD and the func using the broadcast variables.
   val ser = SparkEnv.get.closureSerializer.newInstance()
   val (rdd, func) = ser.deserialize[(RDD[T], (TaskContext, Iterator[T]) => U)](
     ByteBuffer.wrap(taskBinary.value), Thread.currentThread.getContextClassLoader)

   metrics = Some(context.taskMetrics)
   try {
     func(context, rdd.iterator(partition, context))
   } finally {
     context.markTaskCompleted()
   }
 }

而org.apache.spark.scheduler.ShuffleMapTask#runTask则是写shuffle的结果，

 override def runTask(context: TaskContext): MapStatus = {
   // Deserialize the RDD using the broadcast variable.
   val ser = SparkEnv.get.closureSerializer.newInstance()
   val (rdd, dep) = ser.deserialize[(RDD[_], ShuffleDependency[_, _, _])](
     ByteBuffer.wrap(taskBinary.value), Thread.currentThread.getContextClassLoader)
     //此处的taskBinary即为在org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#submitMissingTasks序列化的task的广播变量取得的

   metrics = Some(context.taskMetrics)
   var writer: ShuffleWriter[Any, Any] = null
   try {
     val manager = SparkEnv.get.shuffleManager
     writer = manager.getWriter[Any, Any](dep.shuffleHandle, partitionId, context)
     writer.write(rdd.iterator(partition, context).asInstanceOf[Iterator[_ <: Product2[Any, Any]]]) // 将rdd计算的结果写入memory或者disk
     return writer.stop(success = true).get
   } catch {
     case e: Exception =>
       if (writer != null) {
         writer.stop(success = false)
       }
       throw e
   } finally {
     context.markTaskCompleted()
   }
 }

这两个task都不要按照拓扑顺序调用rdd的compute来完成对partition的计算，不同的是ShuffleMapTask需要shuffle write，以供child stage读取shuffle的结果。 对于这两个task都用到的taskBinary，即为在org.apache.spark.scheduler.DAGScheduler#submitMissingTasks序列化的task的广播变量取得的。

通过上述几篇博文，实际上我们已经粗略的分析了从用户定义SparkContext开始，集群是如果为每个Application分配Executor的，回顾一下这个序列图：

还有就是用户触发某个action，集群是如何生成DAG，如果将DAG划分为可以成Stage，已经Stage是如何将这些可以pipeline执行的task提交到Executor去执行的。