1. Spark SQL概述
1.1. Spark SQL的前世今生
Shark是一个为Spark设计的大规模数据仓库系统,它与Hive兼容。Shark建立在Hive的代码基础上,并通过将Hive的部分物理执行计划交换出来。这个方法使得Shark的用户可以加速Hive的查询,但是Shark继承了Hive的大且复杂的代码使得Shark很难优化和维护,同时Shark依赖于Spark的版本。随着我们遇到了性能优化的上限,以及集成SQL的一些复杂的分析功能,我们发现Hive的MapReduce设计的框架限制了Shark的发展。在2014年7月1日的Spark Summit上,Databricks宣布终止对Shark的开发,将重点放到Spark SQL上。
Hive和shark的架构图
1.2. 什么是Spark SQL
Spark SQL是Spark用来处理结构化数据的一个模块,它提供了一个编程抽象叫做DataFrame并且作为分布式SQL查询引擎的作用。
相比于Spark RDD API,Spark SQL包含了对结构化数据和在其上运算的更多信息,Spark SQL使用这些信息进行了额外的优化,使对结构化数据的操作更加高效和方便。
有多种方式去使用Spark SQL,包括SQL、DataFrames API和Datasets API。但无论是哪种API或者是编程语言,它们都是基于同样的执行引擎,因此你可以在不同的API之间随意切换,它们各有各的特点,看你喜欢那种风格。
1.3. 为什么要学习Spark SQL
我们已经学习了Hive,它是将Hive SQL转换成MapReduce然后提交到集群中去执行,大大简化了编写MapReduce程序的复杂性,由于MapReduce这种计算模型执行效率比较慢,所以Spark SQL应运而生,它是将Spark SQL转换成RDD,然后提交到集群中去运行,执行效率非常快!
1.易整合
将sql查询与spark程序无缝混合,可以使用java、scala、python、R等语言的API操作。
2.统一的数据访问
以相同的方式连接到任何数据源。
3.兼容Hive
支持hiveSQL的语法。
4.标准的数据连接
可以使用行业标准的JDBC或ODBC连接。
2. DataFrame
2.1. 什么是DataFrame
DataFrame的前身是SchemaRDD,从Spark 1.3.0开始SchemaRDD更名为DataFrame。与SchemaRDD的主要区别是:DataFrame不再直接继承自RDD,而是自己实现了RDD的绝大多数功能。你仍旧可以在DataFrame上调用rdd方法将其转换为一个RDD。
在Spark中,DataFrame是一种以RDD为基础的分布式数据集,类似于传统数据库的二维表格,DataFrame带有Schema元信息,即DataFrame所表示的二维表数据集的每一列都带有名称和类型,但底层做了更多的优化。DataFrame可以从很多数据源构建,比如:已经存在的RDD、结构化文件、外部数据库、Hive表。
2.2. DataFrame与RDD的区别
RDD可看作是分布式的对象的集合,Spark并不知道对象的详细模式信息,DataFrame可看作是分布式的Row对象的集合,其提供了由列组成的详细模式信息,使得Spark SQL可以进行某些形式的执行优化。DataFrame和普通的RDD的逻辑框架区别如下所示:
上图直观地体现了DataFrame和RDD的区别。
左侧的RDD[Person]虽然以Person为类型参数,但Spark框架本身不了解 Person类的内部结构。
而右侧的DataFrame却提供了详细的结构信息,使得Spark SQL可以清楚地知道该数据集中包含哪些列,每列的名称和类型各是什么。DataFrame多了数据的结构信息,即schema。这样看起来就像一张表了,DataFrame还配套了新的操作数据的方法,DataFrame API(如df.select())和SQL(select id, name from xx_table where …)。
此外DataFrame还引入了off-heap,意味着JVM堆以外的内存, 这些内存直接受操作系统管理(而不是JVM)。Spark能够以二进制的形式序列化数据(不包括结构)到off-heap中, 当要操作数据时, 就直接操作off-heap内存. 由于Spark理解schema, 所以知道该如何操作。
RDD是分布式的Java对象的集合。DataFrame是分布式的Row对象的集合。DataFrame除了提供了比RDD更丰富的算子以外,更重要的特点是提升执行效
率、减少数据读取以及执行计划的优化。
有了DataFrame这个高一层的抽象后,我们处理数据更加简单了,甚至可以用SQL来处理数据了,对开发者来说,易用性有了很大的提升。
不仅如此,通过DataFrame API或SQL处理数据,会自动经过Spark 优化器(Catalyst)的优化,即使你写的程序或SQL不高效,也可以运行的很快。
2.3. DataFrame与RDD的优缺点
RDD的优缺点:
优点:
(1)编译时类型安全
编译时就能检查出类型错误
(2)面向对象的编程风格
直接通过对象调用方法的形式来操作数据
缺点:
(1)序列化和反序列化的性能开销
无论是集群间的通信, 还是IO操作都需要对对象的结构和数据进行序列化和反序列化。
(2)GC的性能开销
频繁的创建和销毁对象, 势必会增加GC
DataFrame通过引入schema和off-heap(不在堆里面的内存,指的是除了不在堆的内存,使用操作系统上的内存),解决了RDD的缺点, Spark通过schame就能够读懂数据, 因此在通信和IO时就只需要序列化和反序列化数据, 而结构的部分就可以省略了;通过off-heap引入,可以快速的操作数据,避免大量的GC。但是却丢了RDD的优点,DataFrame不是类型安全的, API也不是面向对象风格的。
2.4. 读取数据源创建DataFrame
2.4.1 读取文本文件创建DataFrame
在spark2.0版本之前,Spark SQL中SQLContext是创建DataFrame和执行SQL的入口,利用hiveContext通过hive sql语句操作hive表数据,兼容hive操作,并且hiveContext继承自SQLContext。在spark2.0之后,这些都统一于SparkSession,SparkSession 封装了 SparkContext,SqlContext,通过SparkSession可以获取到SparkConetxt,SqlContext对象。
(1)在本地创建一个文件,有三列,分别是id、name、age,用空格分隔,然后上传到hdfs上。person.txt内容为:
1 zhangsan 20
2 lisi 29
3 wangwu 25
4 zhaoliu 30
5 tianqi 35
6 kobe 40
上传数据文件到HDFS上:
hdfs dfs -put person.txt /
(2)在spark shell执行下面命令,读取数据,将每一行的数据使用列分隔符分割
先执行 spark-shell --master local[2]
val lineRDD= sc.textFile("/person.txt").map(_.split(" "))
(3)定义case class(相当于表的schema)
case class Person(id:Int, name:String, age:Int)
(4)将RDD和case class关联
val personRDD = lineRDD.map(x => Person(x(0).toInt, x(1), x(2).toInt))
(5)将RDD转换成DataFrame
val personDF = personRDD.toDF
(6)对DataFrame进行处理
personDF.show
personDF.printSchema
(7)、通过SparkSession构建DataFrame
使用spark-shell中已经初始化好的SparkSession对象spark生成DataFrame
val dataFrame=spark.read.text("/person.txt")
2.4.2 读取json文件创建DataFrame
(1)数据文件
使用spark安装包下的
/opt/bigdata/spark/examples/src/main/resources/people.json文件
(2)在spark shell执行下面命令,读取数据
val jsonDF= spark.read.json(“file:///opt/bigdata/spark/examples/src/main/resources/people.json”)
(3)接下来就可以使用DataFrame的函数操作
2.4.3 读取parquet列式存储格式文件创建DataFrame
(3)数据文件
使用spark安装包下的
/opt/bigdata/spark/examples/src/main/resources/users.parquet文件
(2)在spark shell执行下面命令,读取数据
val parquetDF=spark.read.parquet(“file:///opt/bigdata/spark/examples/src/main/resources/users.parquet”)
(3)接下来就可以使用DataFrame的函数操作
3.DataFrame常用操作
3.1. DSL风格语法
DataFrame提供了一个领域特定语言(DSL)以方便操作结构化数据。下面是一些使用示例
(1)查看DataFrame中的内容,通过调用show方法
personDF.show
(2)查看DataFrame部分列中的内容
查看name字段的数据
personDF.select(personDF.col(“name”)).show
查看name字段的另一种写法
personDF.select(“name”).show
查看 name 和age字段数据
personDF.select(col(“name”), col(“age”)).show
(3)打印DataFrame的Schema信息
personDF.printSchema
(4)查询所有的name和age,并将age+1
personDF.select(col(“id”), col(“name”), col(“age”) + 1).show
也可以这样:
personDF.select(personDF(“id”), personDF(“name”), personDF(“age”) + 1).show
(5)过滤age大于等于25的,使用filter方法过滤
personDF.filter(col(“age”) >= 25).show
(6)统计年龄大于30的人数
personDF.filter(col(“age”)>30).count()
(7)按年龄进行分组并统计相同年龄的人数
personDF.groupBy(“age”).count().show
3.2. SQL风格语法
DataFrame的一个强大之处就是我们可以将它看作是一个关系型数据表,然后可以通过在程序中使用spark.sql() 来执行SQL查询,结果将作为一个DataFrame返回。
如果想使用SQL风格的语法,需要将DataFrame注册成表,采用如下的方式:
personDF.registerTempTable(“t_person”)
(1)查询年龄最大的前两名
spark.sql(“select * from t_person order by age desc limit 2”).show
(2)显示表的Schema信息
spark.sql(“desc t_person”).show
(3)查询年龄大于30的人的信息
spark.sql("select * from t_person where age > 30 ").show
4.DataSet
4.1. 什么是DataSet
DataSet是分布式的数据集合。DataSet是在Spark1.6中添加的新的接口。它集中了RDD的优点(强类型和可以用强大lambda函数)以及Spark SQL优化的执行引擎。DataSet可以通过JVM的对象进行构建,可以用函数式的转换(map/flatmap/filter)进行多种操作。
4.2. DataFrame、DataSet、RDD的区别
假设RDD中的两行数据长这样:
或者长这样(每行数据是个Object):
DataSet包含了DataFrame的功能,Spark2.0中两者统一,DataFrame表示为DataSet[Row],即DataSet的子集。
(1)DataSet可以在编译时检查类型
(2)并且是面向对象的编程接口
相比DataFrame,Dataset提供了编译时类型检查,对于分布式程序来讲,提交一次作业太费劲了(要编译、打包、上传、运行),到提交到集群运行时才发现错误,这会浪费大量的时间,这也是引入Dataset的一个重要原因。
4.3. DataFrame与DataSet的互转
DataFrame和DataSet可以相互转化。
(1)DataFrame转为 DataSet
df.as[ElementType]这样可以把DataFrame转化为DataSet。
(2)DataSet转为DataFrame
ds.toDF()这样可以把DataSet转化为DataFrame。
4.4. 创建DataSet
(1)通过spark.createDataset创建
//todo:1、创建SparkSession,指定appName和master
val spark: SparkSession = SparkSession.builder()
.appName(“SparkSqlSchema”)
.master(“local[2]”)
.getOrCreate()
//需要导入隐式装换
import spark.implicits._
//创建dataframe的方式1
val ds: Dataset[Int] = spark.createDataset(0 to 10)
ds.show()
spark.stop()
(2)通toDS方法生成DataSet
//todo:1、创建SparkSession,指定appName和master
val spark: SparkSession = SparkSession.builder()
.appName(“SparkSqlSchema”)
.master(“local[2]”)
.getOrCreate()
//需要导入隐式装换
import spark.implicits._
val df = spark.createDataFrame(List(Person01(“Jason”, 34), Person01(“Tom”, 20))).toDF(“name”, “age”)
val ds = df.as[Person01]
ds.show()
spark.stop()
(3)通过List封装数据直接转换成dataSet
//todo:1、创建SparkSession,指定appName和master
val spark: SparkSession = SparkSession.builder()
.appName(“SparkSqlSchema”)
.master(“local[2]”)
.getOrCreate()
import spark.implicits._
//需要导入隐式装换
val ds = List(Person(“Jason”, 34), Person(“Tom”, 20)).toDS()
ds.show();
更多DataSet操作API地址:
http://spark.apache.org/docs/2.0.2/api/scala/index.html#org.apache.spark.sql.Dataset
三、 以编程方式执行Spark SQL查询
1. 编写Spark SQL程序实现RDD转换DataFrame
前面我们学习了如何在Spark Shell中使用SQL完成查询,现在我们来实现在自定义的程序中编写Spark SQL查询程序。
在Spark SQL中有两种方式可以在DataFrame和RDD进行转换,第一种方法是利用反射机制,推导包含某种类型的RDD,通过反射将其转换为指定类型的DataFrame,适用于提前知道RDD的schema。
第二种方法通过编程接口与RDD进行交互获取schema,并动态创建DataFrame,在运行时决定列及其类型。
首先在maven项目的pom.xml中添加Spark SQL的依赖
1.1. 通过反射推断Schema
Scala支持使用case class类型导入RDD转换为DataFrame,通过case class创建schema,case class的参数名称会被反射读取并成为表的列名。这种RDD可以高效的转换为DataFrame并注册为表。
代码如下:
package cn.itcast.sql
import org.apache.spark.SparkContext
import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.sql.{DataFrame, SparkSession}
/**
object InferringSchema {
def main(args: Array[String]): Unit = {
//todo:1、构建sparkSession 指定appName和master的地址
val spark: SparkSession = SparkSession.builder()
.appName(“InferringSchema”)
.master(“local[2]”).getOrCreate()
//todo:2、从sparkSession获取sparkContext对象
val sc: SparkContext = spark.sparkContext
sc.setLogLevel(“WARN”)//设置日志输出级别
//todo:3、加载数据
val dataRDD: RDD[String] = sc.textFile(“D:\person.txt”)
//todo:4、切分每一行记录
val lineArrayRDD: RDD[Array[String]] = dataRDD.map(.split(" "))
//todo:5、将RDD与Person类关联
val personRDD: RDD[Person] = lineArrayRDD.map(x=>Person(x(0).toInt,x(1),x(2).toInt))
//todo:6、创建dataFrame,需要导入隐式转换
import spark.implicits.
val personDF: DataFrame = personRDD.toDF()
//todo-------------------DSL语法操作 start--------------
//1、显示DataFrame的数据,默认显示20行
personDF.show()
//2、显示DataFrame的schema信息
personDF.printSchema()
//3、显示DataFrame记录数
println(personDF.count())
//4、显示DataFrame的所有字段
personDF.columns.foreach(println)
//5、取出DataFrame的第一行记录
println(personDF.head())
//6、显示DataFrame中name字段的所有值
personDF.select(“name”).show()
//7、过滤出DataFrame中年龄大于30的记录
personDF.filter( " a g e " > 30 ) . s h o w ( ) / / 8 、 统 计 D a t a F r a m e 中 年 龄 大 于 30 的 人 数 p r i n t l n ( p e r s o n D F . f i l t e r ( "age" > 30).show() //8、统计DataFrame中年龄大于30的人数 println(personDF.filter( "age">30).show()//8、统计DataFrame中年龄大于30的人数println(personDF.filter(“age”>30).count())
//9、统计DataFrame中按照年龄进行分组,求每个组的人数
personDF.groupBy(“age”).count().show()
//todo-------------------DSL语法操作 end-------------
//todo--------------------SQL操作风格 start-----------
//todo:将DataFrame注册成表
personDF.createOrReplaceTempView(“t_person”)
//todo:传入sql语句,进行操作
spark.sql(“select * from t_person”).show()
spark.sql(“select * from t_person where name=‘zhangsan’”).show()
spark.sql(“select * from t_person order by age desc”).show()
//todo--------------------SQL操作风格 end-------------
sc.stop()
}
}
1.2. 通过StructType直接指定Schema
当case class不能提前定义好时,可以通过以下三步通过代码创建DataFrame
(1)将RDD转为包含row对象的RDD
(2)基于structType类型创建schema,与第一步创建的RDD相匹配
(3)通过sparkSession的createDataFrame方法对第一步的RDD应用
schema创建DataFrame
package cn.itcast.sql
import org.apache.spark.SparkContext
import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.sql.types.{IntegerType, StringType, StructField, StructType}
import org.apache.spark.sql.{DataFrame, Row, SparkSession}
/**
//todo:7、利用personRDD与schema创建DataFrame
val personDF: DataFrame = spark.createDataFrame(personRDD,schema)
//todo:8、DSL操作显示DataFrame的数据结果
personDF.show()
//todo:9、将DataFrame注册成表
personDF.createOrReplaceTempView(“t_person”)
//todo:10、sql语句操作
spark.sql(“select * from t_person”).show()
spark.sql(“select count(*) from t_person”).show()
sc.stop()
}
}
2. 编写Spark SQL程序操作HiveContext
HiveContext是对应spark-hive这个项目,与hive有部分耦合, 支持hql,是SqlContext的子类,也就是说兼容SqlContext;
2.1. 添加pom依赖
org.apache.spark
spark-hive_2.11
2.0.2
2.2. 代码实现
package itcast.sql
import org.apache.spark.sql.SparkSession
/**
//todo:2、操作sql语句
sql(“CREATE TABLE IF NOT EXISTS person (id int, name string, age int) row format delimited fields terminated by ’ '”)
sql(“LOAD DATA LOCAL INPATH ‘/person.txt’ INTO TABLE person”)
sql("select * from person ").show()
spark.stop()
}
}
注意:
使用hive需要sparksession设置支持选项,如果用户集群里,没有部署好的hive,sparksession也能够提供hive支持,在这种情况下,如果没有hive-site.xml文件,sparkcontext会自动在当前目录创建元数据db,并且会在spark.sql.warehouse.dir表示的位置创建一个目录,用户存放table数据,所以spark.sql.warehouse.dir是一个用户存放hive table文件的一个目录,因为是一个目录地址,难免会收到操作系统的影响,因为不同的文件系统的前缀是不一样了,为了适配性,spark鼓励在code中设置该选项,而不是在hive-site.xml中设置该选项。
四、 数据源
1. JDBC
Spark SQL可以通过JDBC从关系型数据库中读取数据的方式创建DataFrame,通过对DataFrame一系列的计算后,还可以将数据再写回关系型数据库中。
1.1. SparkSql从MySQL中加载数据
1.1.1 通过IDEA编写SparkSql代码
package itcast.sql
import java.util.Properties
import org.apache.spark.sql.{DataFrame, SparkSession}
/**
spark-shell
–master spark://hdp-node-01:7077
–executor-memory 1g
–total-executor-cores 2
–jars /opt/bigdata/hive/lib/mysql-connector-java-5.1.35.jar
–driver-class-path /opt/bigdata/hive/lib/mysql-connector-java-5.1.35.jar
(2)、从mysql中加载数据
val mysqlDF = spark.read.format(“jdbc”).options(Map(“url” -> “jdbc:mysql://192.168.200.100:3306/spark”, “driver” -> “com.mysql.jdbc.Driver”, “dbtable” -> “iplocaltion”, “user” -> “root”, “password” -> “123456”)).load()
(3)、执行查询
1.2. SparkSql将数据写入到MySQL中
1.2.1 通过IDEA编写SparkSql代码
(1)编写代码
package itcast.sql
import java.util.Properties
import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.sql.{DataFrame, Dataset, SaveMode, SparkSession}
/**
//todo:8、把结果保存在mysql表中
//todo:创建Properties对象,配置连接mysql的用户名和密码
val prop =new Properties()
prop.setProperty(“user”,“root”)
prop.setProperty(“password”,“123456”)
resultDF.write.jdbc(“jdbc:mysql://192.168.200.150:3306/spark”,“student”,prop)
//todo:写入mysql时,可以配置插入mode,overwrite覆盖,append追加,ignore忽略,error默认表存在报错
//resultDF.write.mode(SaveMode.Overwrite).jdbc(“jdbc:mysql://192.168.200.150:3306/spark”,“student”,prop)
spark.stop()
}
}
//todo:创建样例类Student
case class Student(id:Int,name:String,age:Int)
(2)用maven将程序打包
通过IDEA工具打包即可
(3)将Jar包提交到spark集群
spark-submit
–class itcast.sql.SparkSqlToMysql
–master spark://hdp-node-01:7077
–executor-memory 1g
–total-executor-cores 2
–jars /opt/bigdata/hive/lib/mysql-connector-java-5.1.35.jar
–driver-class-path /opt/bigdata/hive/lib/mysql-connector-java-5.1.35.jar
/root/original-spark-2.0.2.jar /person.txt
(4)查看mysql中表的数据