Spark最初由美国加州伯克利大学(UCBerkeley)的AMP实验室于2009年开发,是基于内存计算的大数据并行计算框架,可用于构建大型的、低延迟的数据分析应用程序。
2013年Spark加入Apache孵化器项目后发展迅猛,如今已成为Apache软件基金会最重要的三大分布式计算系统开源项目之一(Hadoop、Spark、Storm)。
Spark在2014年打破了Hadoop保持的基准排序纪录:
Spark具有如下几个主要特点:
Spark如今已吸引了国内外各大公司的注意,如腾讯、淘宝、百度、亚马逊等公司均不同程度地使用了Spark来构建大数据分析应用,并应用到实际的生产环境中。
Scala是一门现代的多范式编程语言,运行于Java平台(JVM,Java 虚拟机),并兼容现有的Java程序。
Scala的特性:
Scala是Spark的主要编程语言,但Spark还支持Java、Python、R作为编程语言
Scala的优势是提供了REPL(Read-Eval-Print Loop,交互式解释器),提高程序开发效率。
Hadoop存在如下一些缺点:
Spark在借鉴Hadoop MapReduce优点的同时,很好地解决了MapReduce所面临的问题。相比于Hadoop MapReduce,Spark主要具有如下优点:
在实际应用中,大数据处理主要包括以下三个类型:
当同时存在以上三种场景时,就需要同时部署三种不同的软件。比如: MapReduce / Impala / Storm
这样做难免会带来一些问题:
Spark的设计遵循“一个软件栈满足不同应用场景”的理念,逐渐形成了一套完整的生态系统。
既能够提供内存计算框架,也可以支持SQL即席查询、实时流式计算、机器学习和图计算等。
Spark可以部署在资源管理器YARN之上,提供一站式的大数据解决方案。
因此,Spark所提供的生态系统足以应对上述三种场景,即同时支持批处理、交互式查询和流数据处理。
Spark生态系统已经成为伯克利数据分析软件栈BDAS(Berkeley Data Analytics Stack)的重要组成部分。Spark的生态系统主要包含了Spark Core、Spark SQL、Spark Streaming、MLLib和GraphX 等组件。
Spark运行架构包括集群资源管理器(Cluster Manager)、运行作业任务的工作节点(Worker Node)、每个应用的任务控制节点(Driver)和每个工作节点上负责具体任务的执行进程(Executor)
资源管理器可以自带或Mesos或YARN。
与Hadoop MapReduce计算框架相比,Spark所采用的Executor有两个优点:
一个Application由一个Driver和若干个Job构成,一个Job由多个Stage构成,一个Stage由多个没有Shuffle关系的Task组成。
当执行一个Application时,Driver会向集群管理器申请资源,启动Executor,并向Executor发送应用程序代码和文件,然后在Executor上执行Task,运行结束后,执行结果会返回给Driver,或者写到HDFS或者其他数据库中。
(1)首先为应用构建起基本的运行环境,即由Driver创建一个SparkContext,进行资源的申请、任务的分配和监控。
(2)资源管理器为Executor分配资源,并启动Executor进程。
(3)SparkContext根据RDD的依赖关系构建DAG图,DAG图提交给DAGScheduler解析成Stage,然后把一个个TaskSet提交给底层调度器TaskScheduler处理;Executor向SparkContext申请Task,Task Scheduler将Task发放给Executor运行,并提供应用程序代码。
(4)Task在Executor上运行,把执行结果反馈给TaskScheduler,然后反馈给DAGScheduler,运行完毕后写入数据并释放所有资源 。
总体而言,Spark运行架构具有以下特点:
(1)每个Application都有自己专属的Executor进程,并且该进程在Application运行期间一直驻留。Executor进程以多线程的方式运行Task。
(2)Spark运行过程与资源管理器无关,只要能够获取Executor进程并保持通信即可。
(3)Task采用了数据本地性和推测执行等优化机制。
(1)设计背景
许多迭代式算法(比如机器学习、图算法等)和交互式数据挖掘工具,共同之处是,不同计算阶段之间会重用中间结果。
目前的MapReduce框架都是把中间结果写入到HDFS中,带来了大量的数据复制、磁盘IO和序列化开销。
RDD就是为了满足这种需求而出现的,它提供了一个抽象的数据架构,我们不必担心底层数据的分布式特性,只需将具体的应用逻辑表达为一系列转换处理,不同RDD之间的转换操作形成依赖关系,可以实现管道化,避免中间数据存储。
(2)RDD概念
一个RDD就是一个分布式对象集合,本质上是一个只读的分区记录集合,每个RDD可分成多个分区,每个分区就是一个数据集片段,并且一个RDD的不同分区可以被保存到集群中不同的节点上,从而可以在集群中的不同节点上进行并行计算。
RDD提供了一种高度受限的共享内存模型,即RDD是只读的记录分区的集合,不能直接修改,只能基于稳定的物理存储中的数据集创建RDD,或者通过在其他RDD上执行确定的转换操作(如map、join和group by)而创建得到新的RDD。
RDD提供了一组丰富的操作以支持常见的数据运算,分为“动作”(Action)和“转换”(Transformation)两种类型。
RDD提供的转换接口都非常简单,都是类似map、filter、groupBy、join等粗粒度的数据转换操作,而不是针对某个数据项的细粒度修改(不适合网页爬虫)。
表面上RDD的功能很受限、不够强大,实际上RDD已经被实践证明可以高效地表达许多框架的编程模型(比如MapReduce、SQL、Pregel)。
Spark用Scala语言实现了RDD的API,程序员可以通过调用API实现对RDD的各种操作。
RDD典型的执行过程如下:
这一系列处理称为一个Lineage(血缘关系),即DAG拓扑排序的结果
优点:惰性调用、管道化、避免同步等待、不需要保存中间结果、每次操作变得简单。
Spark采用RDD以后能够实现高效计算的原因主要在于:
① 高效的容错性
② 中间结果持久化到内存,数据在内存中的多个RDD操作之间进行传递,避免了不必要的读写磁盘开销。
③ 存放的数据可以是Java对象,避免了不必要的对象序列化和反序列化。
(4)RDD之间的依赖关系
(5)Stage的划分
Spark通过分析各个RDD的依赖关系生成了DAG,再通过分析各个RDD中的分区之间的依赖关系来决定如何划分Stage,具体划分方法是:
被分成三个Stage,在Stage2中,从map到union都是窄依赖,这两步操作可以形成一个流水线操作。
流水线操作实例:分区7通过map操作生成的分区9,可以不用等待分区8到分区10这个map操作的计算结束,而是继续进行union操作,得到分区13,这样流水线执行大大提高了计算的效率。
Stage的类型包括两种:ShuffleMapStage和ResultStage,具体如下:
① ShuffleMapStage:不是最终的Stage,在它之后还有其他Stage,所以,它的输出一定需要经过Shuffle过程,并作为后续Stage的输入;这种Stage是以Shuffle为输出边界,其输入边界可以是从外部获取数据,也可以是另一个ShuffleMapStage的输出,其输出可以是另一个Stage的开始;在一个Job里可能有该类型的Stage,也可能没有该类型Stage;
② ResultStage:最终的Stage,没有输出,而是直接产生结果或存储。这种Stage是直接输出结果,其输入边界可以是从外部获取数据,也可以是另一个ShuffleMapStage的输出。在一个Job里必定有该类型Stage。
因此,一个Job含有一个或多个Stage,其中至少含有一个ResultStage。
(6)RDD运行过程
通过上述对RDD概念、依赖关系和Stage划分的介绍,结合之前介绍的Spark运行基本流程,再总结一下RDD在Spark架构中的运行过程:
① 创建RDD对象;
② SparkContext负责计算RDD之间的依赖关系,构建DAG;
③ DAGScheduler负责把DAG图分解成多个Stage,每个Stage中包含了多个Task,每个Task会被TaskScheduler分发给各个WorkerNode上的Executor去执行。
Shark即Hive on Spark,为了实现与Hive兼容,Shark在HiveQL方面重用了Hive中HiveQL的解析、逻辑执行计划翻译、执行计划优化等逻辑,可以近似认为仅将物理执行计划从MapReduce作业替换成了Spark作业,通过Hive的HiveQL解析,把HiveQL翻译成Spark上的RDD操作。
Shark的设计导致了两个问题:
Spark SQL在Hive兼容层面仅依赖HiveQL解析、Hive元数据,也就是说,从HQL被解析成抽象语法树(AST)起,就全部由Spark SQL接管了。Spark SQL执行计划生成和优化都由Catalyst(函数式关系查询优化框架)负责。
Spark SQL增加了SchemaRDD(即带有Schema信息的RDD),使用户可以在Spark SQL中执行SQL语句,数据既可以来自RDD,也可以是Hive、HDFS、Cassandra等外部数据源,还可以是JSON格式的数据。
Spark SQL目前支持Scala、Java、Python三种语言,支持SQL-92规范。
Spark支持三种不同类型的部署方式,包括:
采用Hadoop+Storm部署方式的一个案例,这种架构的部署较为繁琐。
用Spark架构具有如下优点:
需要说明的是,Spark Streaming无法实现毫秒级的流计算,因此,对于需要毫秒级实时响应的企业应用而言,仍然需要采用流计算框架(如Storm)。
由于Hadoop生态系统中的一些组件所实现的功能,目前还是无法由Spark取代的,比如,Storm。
现有的Hadoop组件开发的应用,完全转移到Spark上需要一定的成本。
不同的计算框架统一运行在YARN中,可以带来如下好处:
安装Spark之前需要安装Java环境和Hadoop环境。
下载地址: http://spark.apache.org
进入下载页面后,点击主页右侧的“Download Spark”按钮进入下载页面,下载页面中提供了几个下载选项,主要是Spark release及Package type的选择,如下图所示。第1项Spark release一般默认选择最新的发行版本,如截止至2016年3月份的最新版本为1.6.0。第2项package type则选择“Pre-build with user-provided Hadoop [can use with most Hadoop distributions]”,可适用于多数Hadoop版本。选择好之后,再点击第4项给出的链接就可以下载Spark了。
$ sudo tar -zxf ~/下载/spark-1.6.0-bin-without-hadoop.tgz -C /usr/local/
$ cd /usr/local
$ sudo mv ./spark-1.6.0-bin-without-hadoop/ ./spark # 更改文件夹名
$ sudo chown -R hadoop ./spark # 此处的 hadoop 为系统用户名
$ cd /usr/local/spark
$ cp ./conf/spark-env.sh.template ./conf/spark-env.sh #拷贝配置文件
编辑该配置文件,在文件最后面加上如下一行内容:
export SPARK_DIST_CLASSPATH=$(/usr/local/hadoop/bin/hadoop classpath)
保存配置文件后,就可以启动、运行Spark了。Spark包含多种运行模式:单机模式、伪分布式模式、完全分布式模式。本章使用单机模式运行Spark。若需要使用HDFS中的文件,则在使用Spark前需要启动Hadoop。
本章节内容选择使用Scala进行编程实践,了解Scala有助于更好地掌握Spark。
执行如下命令启动Spark Shell:
$ ./bin/spark-shell
启动Spark Shell成功后在输出信息的末尾可以看到“Scala >”的命令提示符,如下图所示。
Spark的主要操作对象是RDD,RDD可以通过多种方式灵活创建,可通过导入外部数据源建立,或者从其他的RDD转化而来。
在Spark程序中必须创建一个SparkContext对象,该对象是Spark程序的入口,负责创建RDD、启动任务等。在启动Spark Shell后,该对象会自动创建,可以通过变量sc进行访问。
作为示例,我们选择以Spark安装目录中的“README.md”文件作为数据源新建一个RDD,代码如下:
Scala > val textFile = sc.textFile("file:///usr/local/spark/README.md")
// 通过file:前缀指定读取本地文件
Spark RDD支持两种类型的操作:
Spark提供了非常丰富的API,下面两表格列出了几个常用的动作、转换API,更详细的API及说明可查阅官方文档。
在Spark Shell中进行编程主要是方便对代码进行调试,但需要以逐行代码的方式运行。一般情况下,会选择将调试后代码打包成独立的Spark应用程序,提交到Spark中运行。
采用Scala编写的程序需要使用sbt(Simple Build Tool)进行打包,sbt的安装配置步骤如下:
Spark上机实践详细过程,请参考厦门大学数据库实验室建设的
“中国高校大数据课程公共服务平台”中的技术文章:
《Spark学习指南》访问地址:http://dblab.xmu.edu.cn/blog/778-2/
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