如何用Uber JVM Profiler等可视化工具监控Spark应用程序？

关键要点

• 持续可靠地运行Spark应用程序是一项具有挑战性的任务，而且需要一个良好的性能监控系统。

-在设计性能监控系统时有三个目标——收集服务器和应用程序指标、在时序数据库中存储指标，并提供用于数据可视化的仪表盘。

• Uber JVM Profiler被用于监控Spark应用程序，用到的其他技术还有InfluxDB（用于存储时序数据）和Grafana（数据可视化工具）。

• 性能监控系统可帮助DevOps团队有效地监控系统，用以满足应用程序的合规性和SLA。

很多行业都在使用Apache Spark构建大数据处理应用程序。Spark为此类应用程序提供了隐式数据并行性和容错性。这类应用程序可以是基于流式处理、批处理、SQL数据集处理或机器学习。Spark通过快速的内存数据处理引擎在集群中运行这些应用程序，并在数据管道中转换和处理大量数据。持续可靠地运行这些应用程序是一项具有挑战性的任务，需要一个良好的性能监控系统。随着Spark被各行各业广泛采用，性能监控、度量分析和调优Spark应用程序的问题越来越受到关注。Uber最近开源了他们的JVM Profiler。在本文中，我们将讨论如何扩展Uber JVM Profiler，并将其与InfluxDB和Grafana一起用于监控和报告Spark应用程序的性能指标。

Spark应用程序性能监控系统

要最大限度地利用可用资源并尽早发现可能存在的问题，需要一个性能监测系统。监控系统需要为运行中的系统提供综合性的状态报告，并在组件发生故障时发送警报。当我们需要在Spark集群中运行大规模分布式系统以及Hadoop生态系统的不同组件时，对细粒度性能监视系统的需求就变得不可或缺。Spark应用程序在共享资源上执行数据的分布式处理，这使得DevOps团队的工作变得非常复杂。DevOps团队必须有效地管理可用资源，并密切监控系统的不同组件，以避免出现宕机。性能监控系统提供的完整堆栈可见性有助于DevOps团队了解系统行为，并对生产问题做出快速反应。这确保了Spark应用程序的可靠性、可伸缩性和性能。

针对这种复杂系统的理想性能监控系统必须具备以下特性：

• 监控系统应提供有关集群内每个组件的细粒度可见性。我们应该能够获得有关CPU、内存、存储、本地文件和HDFS的磁盘I/O、堆栈跟踪等详细指标。这些指标有助于快速诊断发生故障的实例。

• 监控系统应该为在Spark上运行的应用程序提供代码级别度量（例如执行时间、方法的参数等）。这将有助于识别运行较慢的方法、磁盘热点等。

• 监控系统应存储每一秒的指标，并允许我们通过浏览不同时间段的数据来分析指标。我们应该能够对这些数据进行二级和二级解剖。我们应该能够控制数据保留期，并在需要时轻松访问和分析过去的数据。这有助于分析当前趋势并预测未来趋势。

• 监控系统应该要提供有效的方法，用于从连续收集的大量指标中提取有意义信息。包括使用SQL或API查询数据、过滤数据、聚合值和应用自定义分析。这有助于轻松转换和更快地分析数据。

• 监控系统应该能够方便地访问从度量数据分析中推导出的信息，可以使用不同的形式（如图表等）在仪表盘中显示数据，可以基于主机、时间或作业对数据进行分类，用户应该能够进一步深入分析不同的数据点，能够为用户定义的阈值配置警报和通知。这有助于DevOps团队和组织的其他利益相关者在必要时快速获得所需的信息。

在本文中，我们将使用开源工具和技术开发一个性能监控系统。Spark应用程序性能监控系统的设计有三个目标：

1. 收集系统（驱动程序和执行程序）和应用程序代码的性能指标；

2. 将这些指标存储在持久存储中以进行时序分析（批量和实时）；

3. 以图表的形式生成度量指标报告。

Apache Spark为指标提供了一个web-ui和REST API。Spark还提供各种接收器，包括控制台、JMX、Servlet、Graphite等。还有一些其他可用的开源性能监控工具，如dr-elephant、sparklint、prometheus等。这些工具提供的指标主要是服务器级别的指标，其中有一些也提供应用程序的信息。

Uber JVM Profiler同时收集服务器级别和应用程序的度量指标。它可以从驱动程序、执行程序或任已JVM中收集所有指标（cpu、内存、缓冲池等）。它可以在不修改现有代码的情况下对其进行增强，因此可以收集有关方法、参数和执行时间的指标。为了存储用于时序分析的度量指标，我们将使用InfluxDB，它是一个功能强大的时序数据库。我们将扩展Uber JVM Profiler，并为InfluxDB添加一个新的Reporter，这样就可以通过HTTP API保存度量数据。在图形化的仪表盘方面，我们将使用Grafana，它将从InfluxDB查询指标数据。

以下是用于Spark应用性能监控系统的工具和技术的详细信息。

Uber JVM Profiler

Uber JVM Profiler是一个分布式的分析器，它从集群的不同节点收集性能指标和资源利用率指标。它作为Java代理与应用程序一起运行，并收集不同的度量指标。它将这些指标发布给指定的Reporter，以进行进一步的分析和报告。Uber JVM Profiler是为分析Spark应用程序而开发的，但它也可以用于分析任何基于JVM的应用程序。Uber JVM Profiler有三个主要组件：

Profiler：Uber JVM Profiler内置了以下的Profiler：

• CpuAndMemory Profiler——收集缓冲池（直接和映射）、垃圾回收（计数和时间）、堆内存（已提交和已使用）、非堆内存（已提交和已使用）、CPU（加载和时间）、内存池详细信息（EdenSpace、SurvivorSpace、TenuredGen、CodeCache、CompressedClassSpace、Metaspace）、vmHWM和vmRSS指标。

• IO Profiler——收集CPU 统计信息（idle、nice、system、user、iowait）和磁盘IO的读/写字节。
  Stacktrace Profiler——收集线程名称、线程状态和堆栈跟踪指标。

• ProcessInfo Profiler——收集代理版本、JVM类路径、JVM输入参数和xmxBytes指标。

• MethodDuration Profiler——收集方法执行时间的指标，其中包括类名、方法名和进程名。

• MethodArgument Profiler——收集方法参数的指标，其中包括类名、方法名和进程名。

Transformer：这个Class File Transformer用于增强Java方法的字节码。

Reporter：可用的Reporter包括：

• KafkaOutputReporter——将性能指标发送到Kafka主题。

• FileOutputReporter——将指标写入文件中。

• ConsoleOutputReporter——将指标发送到控制台。

• RedisOutputReporter——将指标存储到Redis数据库。

有关JVM Profiler的更多详细信息，请参阅Uber的博文。

InfluxDB和Grafana

InfluxDB：InfluxDB是一个开源的时序数据库，用于存储和查询大量带时间戳的数据。这些数据可以是物联网传感器数据、实时分析数据、应用程序指标数据或DevOps监控数据。它通过让旧数据过期和删除旧数据进行自动数据生命周期管理。它通过类似SQL的查询语言、HTTP API和客户端库提供写入和查询功能。请从这里获得更多信息。

Grafana：Grafana是一个开源的度量指标仪表盘和图形编辑器。Grafana还支持警报和通知。它支持很多数据源，如Graphite、InfluxDB、OpenTSDB、Prometheus、Elasticsearch和CloudWatch。很多仪表盘和插件（包括开源的和商业的）都可以在Grafana的网站上找到。有关Grafana的更多详细信息，请访问该网站。

系统架构

Spark应用程序运行在集群网络上，集群网络可能包含几个节点到数千个节点。为了从这个分布式系统收集指标，并将指标发送到其他系统进行进一步分析，我们需要一个具备松散耦合和容错能力的架构。将指标发布到Kafka主题是最佳解决方案之一。Uber JVM Profiler附带了“KafkaOutputReporter”，可用于实现这个目的。另一个解决方案是使用InfluxDB。InfluxDB提供了HTTP API，可用于查询和写入数据库。这个API支持Basic和JWT令牌身份验证，并支持HTTPS访问。本文中的“InfluxDBOutputReporter”将通过调用Write HTTP Endpoint来存储由不同的Profiler收集到的指标。Grafana为InfluxDB提供了丰富的数据源插件。Grafana使用Query HTTP Endpoint从InfluxDB获取指标数据，并以图形和表格的形式在仪表盘上显示数据。这些图形和表格以固定的时间间隔自动刷新，时间间隔可以在Grafana中设置。

使用Uber JVM Profiler、InfluxDB和Grafana的Spark应用性能监控系统的架构图如下图1所示。

图1. 性能监控系统架构图

技术和工具

下面的表格列出了性能监控系统使用的技术和工具。

请参阅相关文档以了解如何安装和配置这些工具。

设计与实现

以下部分介绍了Spark应用程序性能监控系统的设计和实现细节。Uber JVM Profiler从驱动程序和执行程序收集指标，这些指标包含了一些详细信息，如角色、processUuid和主机。这些信息对于识别不同系统和分析这些系统的指标来说非常有用。在InfluxDB中，我们可以使用这些信息来查询不同执行程序的性能指标。我们可以将processUuid加入到InfluxDB标签中，以此来提高查询性能。首先，我们将在InfluxDB中创建“metrics”数据库，然后在JVM Profiler代码库中添加“InfluxDBOutputReporter”，最后配置Grafana仪表盘。

在InfluxDB中创建metrics数据库

启动InfluxDB服务器，默认情况下端口为8086。在Ubuntu系统中打开一个终端并执行“Influxd”命令。

/user/bin$ sudo influxd

在服务器启动后，在另一个终端启动“influx”。然后执行命令创建“metrics”数据库。

/user/bin$ sudo influx

CREATE DATABASE metrics

实现InfluxDBOutputReporter

我们将在JVM-Profile代码库中实现“InfluxDBOutputReporter”。请参阅GitHub上的“Influxdb_reporter”分支的InfluxDBOutputReporter.java文件，以了解本节所讨论的实现细节。

• 我们通过Influxdb-java库与InfluxDB数据库服务器发生交互。它通过HTTP API读写InfluxDB数据库。更新pom.xml文件，添加Influxdb-java依赖项。

• 在InfluxDBOutputReporter类中定义InfluxDB数据库服务器的主机、端口和数据库属性。这些属性的默认值分别为“127.0.0.1”、“8086”和“metrics”。使用Influxdb-java库提供的API连接InfluxDB。

• InfluxDBOutputReporter类需要实现com.uber.profiling.Reporter接口。我们需要覆盖public void report(String profilerName,Map\u0026lt;String,Object\u0026gt; metrics)方法和public void close()方法。“profilerName”将是“metrics”数据库中的度量名称。

• 由于InfluxDB使用行协议来存储键值对，我们需要处理由Profiler发送的Map\u0026lt;String,Object\u0026gt;度量数据，并将它们转换为可以存储在InfluxDB中的格式。我们可以使用指标中的“name”属性的值（如果可用）作为字段名称。如果“name”属性不可用，可以使用计数器的值。InfluxDB支持在查询字段中使用正则表达式，因此查询这些字段不成问题。

• 使用Influxdb-java库提供的API创建Point和Batchpoint，并将Batchpoints写入InfuxDB数据库。

• 要从yaml文件中读取数据库连接信息，必须使用com.uber.profiling.YamlConfigProvider和com.uber.profiling.Argument类。在Argument类中添加InfluxDBOutputReporter类的引用，并调用setProperties方法传入yaml文件中定义的属性。GitHub的resources/Influxdb.yaml是一个yaml示例文件。

在Grafana中添加数据源和仪表盘

本节将介绍在Grafana中添加度量数据图表所需的步骤。

启动Grafana服务器。在Ubuntu上，我们可以执行以下命令。默认端口号为3000。

sudo service grafana-server start

在浏览器中打开http://localhost:3000/，并为InfluxDB创建数据源。将Name设置为“InfluxDBDataSource”，Type设置为“InfluxDB”，InfluxDB的默认URL为“http://localhost：8086”，数据库名称为“metrics”。

单击“Graph”创建一个新的仪表盘，单击“Edit”添加查询。以下是一个查询示例。

select \u0026quot;heapMemoryCommitted\u0026quot; as Committed, \u0026quot;heapMemoryTotalUsed\u0026quot; as Used from \u0026quot;metrics\u0026quot;.\u0026quot;autogen\u0026quot;.\u0026quot;CpuAndMemory” where “role\u0026quot; = 'driver' AND time \u0026gt; now() – 5m

Grafana提供了一些选项，用于定义可在查询中传递的模板变量。这对在仪表盘上显示来自多个执行程序的数据来说非常有用。例如，我们可以为“executorProcessUuid”和“timeInterval”创建变量，并在查询中使用它们，如下所示。

select \u0026quot;heapMemoryCommitted\u0026quot; as Committed, \u0026quot;heapMemoryTotalUsed\u0026quot; as Used from \u0026quot;metrics\u0026quot;.\u0026quot;autogen\u0026quot;.\u0026quot;CpuAndMemory” where \u0026quot;processUuid\u0026quot; =~ /^$executorProcessUuid$/ AND time \u0026gt; now() - $timeInterval

GitHub提供了一个JSON示例文件Spark-Metrics-Dashboar。可以在Grafana服务器上导入这个文件。在浏览器中打开http://localhost:3000/dashboard/import，然后单击“Upload .json File”。

构建和部署

本节将介绍构建和部署性能监控系统的步骤。可以从GitHub上的“Influxdb_reporter”分支克隆应用程序代码。

使用以下命令构建带有“InfluxDBOutputReporter”的JVM Profiler。

mvn clean package

将maven创建的JVM Profiler-0.0.9.jar文件复制到某个目录（例如/opt/profiler）。我们也可以将Influxdb.yaml放在这个目录中。

我们将使用Apache Spark附带的JavaNetworkWordCount应用程序进行profiling，源代码位于/spark-2.3.1-bin-hadoop2.7/examples/src/main/java/org/apache/spark/examples/streaming中。
要运行JavaNetworkWordCount，我们需要使用以下命令运行Netcat服务器。

nc -lk 9999

转到/spark-2.3.1-bin-hadoop2.7/sbin目录，并使用以下命令启动Master。

./start-master.sh

我们可以从日志文件中获取Master的URL。将此URL传给命令来启动Worker。

./start-slave.sh -c 2 spark://192.168.1.6:7077

转到/spark-2.3.1-bin-hadoop2.7/bin目录并执行以下命令。这个命令将执行JavaNetworkWordCount应用程序，并启动JVM Profiler。有关参数的详细信息，请查看Uber JVM Profiler的GitHub README页面。

spark-submit --master spark://192.168.1.6:7077 --conf \u0026quot;spark.driver.extraJavaOptions=-javaagent:/opt/profiler/jvm-profiler-0.0.9.jar=reporter=com.uber.profiling.reporters.InfluxDBOutputReporter,metricInterval=5000,sampleInterval=5000,ioProfiling=true\u0026quot; --conf \u0026quot;spark.executor.extraJavaOptions=-javaagent:/opt/profiler/jvm-profiler-0.0.9.jar=reporter=com.uber.profiling.reporters.InfluxDBOutputReporter,tag=influxdb,configProvider=com.uber.profiling.YamlConfigProvider,configFile=/opt/profiler/influxdb.yaml,metricInterval=5000,sampleInterval=5000,ioProfiling=true\u0026quot; --class org.apache.spark.examples.streaming.JavaSqlNetworkWordCount ../examples/jars/spark-examples_2.11-2.3.1.jar localhost 9999

或者，我们可以使用yaml文件来运行应用程序。在命令中传递“configProvider”和“configFile”参数，如下所示。

spark-submit --master spark://192.168.1.6:7077 --conf \u0026quot;spark.driver.extraJavaOptions=-javaagent:/opt/profiler/jvm-profiler-0.0.9.jar=reporter=com.uber.profiling.reporters.InfluxDBOutputReporter,configProvider=com.uber.profiling.YamlConfigProvider,configFile=/opt/profiler/influxdb.yaml,metricInterval=5000,sampleInterval=5000,ioProfiling=true\u0026quot; --conf \u0026quot;spark.executor.extraJavaOptions=-javaagent:/opt/profiler/jvm-profiler-0.0.9.jar=reporter=com.uber.profiling.reporters.InfluxDBOutputReporter,tag=influxdb,configProvider=com.uber.profiling.YamlConfigProvider,configFile=/opt/profiler/influxdb.yaml,metricInterval=5000,sampleInterval=5000,ioProfiling=true\u0026quot; --class org.apache.spark.examples.streaming.JavaSqlNetworkWordCount ../examples/jars/spark-examples_2.11-2.3.1.jar localhost 9999

转到“influx”终端并执行以下命令。

use metrics
show measurements

我们将获取到“metrics”数据库中的“Measurements”名称，如下所示。

CpuAndMemory
IO
ProcessInfo
Stacktrace

使用以下命令从CpuAndMemory度量中获取单个记录。

select * from CpuAndMemory limit 1

以下是示例仪表盘。

图2. 用于Spark指标的Grafana仪表盘示例

优点和缺点

我们在本文中讨论的性能监控系统使用Uber JVM Profiler收集系统和应用程序的指标，并将它们存储在InfluxDB时序数据库中。时序数据库提供数据保留策略、连续查询、灵活的时间聚合以及数百万条记录的实时处理和批处理。这些时序数据有助于我们分析过去系统发生的变化、系统当前的行为方式以及预测未来系统将如何变化。我们可以通过关联指标来识别故障模式。我们使用Grafana创建了一个仪表盘，帮助我们轻松访问不同类型的指标。DevOps团队可以使用这些图形和图表来关联不同的指标，以了解系统行为，并识别数据中的热点。这有助于保持合规性并实现应用程序的SLA。总的来说，该性能监控系统有助于实现系统的持续监控。

这个性能监控系统受限于基于代理的Profiler。基于代理的Profiler会消耗一定量的计算资源。有时可能需要进行故障排除和打补丁，这对于大型分布式系统来说可能很困难。在生产系统上安装代理之前，你可能需要先做一些调研工作。我们还必须考虑性能监控系统的安全性、可扩展性和可用性。通过正确设计和调整应用程序和系统，可以解决大多数问题。如果不允许在生产系统上安装代理，可以考虑使用无代理系统，但它也有自己的局限性，例如更少的细粒度指标和网络负载开销。

总结

对于复杂的Spark应用程序来说，识别、调试、解决生产环境的问题并非易事，我们需要一个有效的性能监控系统来帮助我们解决这些问题。Uber JVM Profiler是一个很好的开源工具，我们可以扩展它，添加用于发布度量指标的Reporter。不同Profiler收集的Spark应用程序性能指标可以存储在InfluxDB中。我们在本文中讨论的“InfluxDBOutputReporter”通过HTTP API将Spark驱动程序和执行程序的度量指标写入InfluxDB。Grafana为InfluxDB提供了一个插件，可以通过HTTP API查询指标。我们可以为这些指标创建包含图表的仪表盘，并以固定的时间间隔自动刷新。此处提供了“InfluxDBOutputReporter”的代码，此处提供了Spark-InfluxDB-Grafana.json文件。

参考

Uber JVM Profiler——https://eng.uber.com/jvm-profiler/

InfluxDB——https://docs.influxdata.com/influxdb/v1.6/

Grafana——http://docs.grafana.org/

关于作者

Amit Baghel是一名软件架构师，在围绕Java生态系统的企业应用程序和产品的设计和开发方面拥有超过17年的经验。他目前重点关注物联网、云计算、大数据解决方案、微服务、DevOps以及持续集成和交付。你可以通过电子邮件[email protected]联系Baghel。

查看英文原文：https://www.infoq.com/articles/spark-application-monitoring-influxdb-grafana

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