Spark Core源码精读计划#12：Spark序列化及压缩机制浅析

目录

• 前言
• SerializerManager类
  • 成员属性列表
  • 获取序列化器
  • 对输入/输出流的包装
  • 序列化与反序列化的方法
• CompressionCodec特征
• 总结

前言

SparkEnv的初始化过程中，在RPC环境与广播管理器之间还夹着一个，即序列化管理器SerializerManager。本来它并不在这个系列的计划内（因为没有什么比较难的点），但是最近斟酌了一下，序列化和反序列化确实是渗透在Spark Core的每个角落中的，今后不会少见。并且SerializerManager除了负责序列化之外，还会负责一部分压缩和加密的工作，所以本文就来了解一下与它相关的具体实现。

SerializerManager在SparkEnv中的初始化参见文章#7及代码#7.6，这里不再赘述。

SerializerManager类

该类接受3个主构造方法参数。

• defaultSerializer：默认序列化器。这个序列化器在SparkEnv中初始化时已经创建好了，类型是JavaSerializer。
• conf：即配置项SparkConf。
• encryptionKey：加密时使用的密钥，是可选的，当其存在时才会启用加密。

成员属性列表

代码#12.1 - o.a.s.serializer.SerializerManager类的成员属性

  private[this] val kryoSerializer = new KryoSerializer(conf)

  private[this] val stringClassTag: ClassTag[String] = implicitly[ClassTag[String]]
  private[this] val primitiveAndPrimitiveArrayClassTags: Set[ClassTag[_]] = {
    val primitiveClassTags = Set[ClassTag[_]](
      ClassTag.Boolean,
      ClassTag.Byte,
      ClassTag.Char,
      ClassTag.Double,
      ClassTag.Float,
      ClassTag.Int,
      ClassTag.Long,
      ClassTag.Null,
      ClassTag.Short
    )
    val arrayClassTags = primitiveClassTags.map(_.wrap)
    primitiveClassTags ++ arrayClassTags
  }

  private[this] val compressBroadcast = conf.getBoolean("spark.broadcast.compress", true)
  private[this] val compressShuffle = conf.getBoolean("spark.shuffle.compress", true)
  private[this] val compressRdds = conf.getBoolean("spark.rdd.compress", false)
  private[this] val compressShuffleSpill = conf.getBoolean("spark.shuffle.spill.compress", true)

  private lazy val compressionCodec: CompressionCodec = CompressionCodec.createCodec(conf)

• kryoSerializer：采用Google Kryo序列化库的序列化器。它的效率比普通的JavaSerializer更高，但是会有一定的限制，比如原生支持的类型比较少，如果必须使用自定义的类型，需要提前注册。
• stringClassTag：String类的类型标记（ClassTag）。因为泛型类型在编译期会被擦除（即type erasure），故ClassTag在Scala中用来在运行期指定无法识别的泛型类型。
• primitiveAndPrimitiveArrayClassTags：Scala基本类型（primitive types）及它们对应数组（即Array[...]）的所有ClassTag。基本类型有Boolean、Byte、Char、Double、Float、Int、Long、Null、Short八种。
• compressBroadcast：是否压缩广播变量，对应配置项spark.broadcast.compress，默认值true。
• compressShuffle：是否压缩Shuffle过程的输出数据，对应配置项spark.shuffle.compress，默认值true。
• compressRdds：是否压缩序列化RDD的分区数据，对应配置项spark.rdd.compress，默认值false。
• compressShuffleSpill：是否压缩Shuffle过程中向磁盘溢写的数据，对应配置项spark.shuffle.spill.compress，默认值true。
• compressionCodec：压缩编解码器，是CompressionCodec特征的实现类，并且它会延迟初始化。

获取序列化器

代码#12.2 - o.a.s.serializer.SerializerManager.getSerializer()与canUseKryo()方法

  def canUseKryo(ct: ClassTag[_]): Boolean = {
    primitiveAndPrimitiveArrayClassTags.contains(ct) || ct == stringClassTag
  }

  def getSerializer(ct: ClassTag[_], autoPick: Boolean): Serializer = {
    if (autoPick && canUseKryo(ct)) {
      kryoSerializer
    } else {
      defaultSerializer
    }
  }

  def getSerializer(keyClassTag: ClassTag[_], valueClassTag: ClassTag[_]): Serializer = {
    if (canUseKryo(keyClassTag) && canUseKryo(valueClassTag)) {
      kryoSerializer
    } else {
      defaultSerializer
    }
  }

由上可见，SerializerManager取得序列化器时，会先调用canUseKryo()方法判断要序列化的对象类型是否落在8种Scala基本类型与String类型中。如果确实属于以上的类型，就会获取KryoSerializer，反之就会获取默认的JavaSerializer。

获取序列化器的getSerializer()方法也有两种重载，其中第二种重载方法专门用来确定Pair RDD在Shuffle过程中的序列化器。

对输入/输出流的包装

SerializerManager提供了多种方法来对输入流（InputStream）和输出流（OutputStream）进行包装，也就是将它们转化为压缩的或者加密的流。代码如下。

代码#12.3 - SerializerManager的wrap类方法

  def wrapForEncryption(s: InputStream): InputStream = {
    encryptionKey
      .map { key => CryptoStreamUtils.createCryptoInputStream(s, conf, key) }
      .getOrElse(s)
  }

  def wrapForEncryption(s: OutputStream): OutputStream = {
    encryptionKey
      .map { key => CryptoStreamUtils.createCryptoOutputStream(s, conf, key) }
      .getOrElse(s)
  }

  def wrapForCompression(blockId: BlockId, s: OutputStream): OutputStream = {
    if (shouldCompress(blockId)) compressionCodec.compressedOutputStream(s) else s
  }

  def wrapForCompression(blockId: BlockId, s: InputStream): InputStream = {
    if (shouldCompress(blockId)) compressionCodec.compressedInputStream(s) else s
  }

如果encryptionKey存在的话，调用wrapForEncryption()方法可以将流转化为加密的流。如果存储块的ID对应的数据类型支持压缩，调用wrapForCompression()方法可以将流数据用指定的编解码器压缩。判断是否可压缩的shouldCompress()方法代码如下。

代码#12.4 - o.a.s.serializer.SerializerManager.shouldCompress()方法

  private def shouldCompress(blockId: BlockId): Boolean = {
    blockId match {
      case _: ShuffleBlockId => compressShuffle
      case _: BroadcastBlockId => compressBroadcast
      case _: RDDBlockId => compressRdds
      case _: TempLocalBlockId => compressShuffleSpill
      case _: TempShuffleBlockId => compressShuffle
      case _ => false
    }
  }

序列化与反序列化的方法

SerializerManager对序列化器Serializer的serializeStream()及deserializeStream()方法进行了一定的封装，其代码如下。

代码#12.5 - SerializerManager的序列化与反序列化方法

  def dataSerializeStream[T: ClassTag](
      blockId: BlockId,
      outputStream: OutputStream,
      values: Iterator[T]): Unit = {
    val byteStream = new BufferedOutputStream(outputStream)
    val autoPick = !blockId.isInstanceOf[StreamBlockId]
    val ser = getSerializer(implicitly[ClassTag[T]], autoPick).newInstance()
    ser.serializeStream(wrapForCompression(blockId, byteStream)).writeAll(values).close()
  }

  def dataSerializeWithExplicitClassTag(
      blockId: BlockId,
      values: Iterator[_],
      classTag: ClassTag[_]): ChunkedByteBuffer = {
    val bbos = new ChunkedByteBufferOutputStream(1024 * 1024 * 4, ByteBuffer.allocate)
    val byteStream = new BufferedOutputStream(bbos)
    val autoPick = !blockId.isInstanceOf[StreamBlockId]
    val ser = getSerializer(classTag, autoPick).newInstance()
    ser.serializeStream(wrapForCompression(blockId, byteStream)).writeAll(values).close()
    bbos.toChunkedByteBuffer
  }

  def dataDeserializeStream[T](
      blockId: BlockId,
      inputStream: InputStream)
      (classTag: ClassTag[T]): Iterator[T] = {
    val stream = new BufferedInputStream(inputStream)
    val autoPick = !blockId.isInstanceOf[StreamBlockId]
    getSerializer(classTag, autoPick)
      .newInstance()
      .deserializeStream(wrapForCompression(blockId, stream))
      .asIterator.asInstanceOf[Iterator[T]]
  }

由上可见，序列化方法既可以直接序列化为流，也可以根据值的ClassTag序列化为ChunkedByteBuffer，即分块的字节缓存。反序列化方法则是返回值类型的迭代器。并且当存储块ID的类型为StreamBlockId（Spark Streaming中用到的块ID）时，SerializerManager就不会自动判别该使用哪种序列化器，而是完全采用用户指定的类型。

CompressionCodec特征

SerializerManager实现压缩主要靠CompressionCodec。它实际上是个仅定义了两个方法（即compressedOutputStream()与compressedInputStream()）的特征，所有具体逻辑都位于其伴生对象中。下面是它的部分代码。

代码#12.6 - o.a.s.io.CompressionCodec的伴生对象

  private val configKey = "spark.io.compression.codec"

  private[spark] def supportsConcatenationOfSerializedStreams(codec: CompressionCodec): Boolean = {
    (codec.isInstanceOf[SnappyCompressionCodec] || codec.isInstanceOf[LZFCompressionCodec]
      || codec.isInstanceOf[LZ4CompressionCodec] || codec.isInstanceOf[ZStdCompressionCodec])
  }

  private val shortCompressionCodecNames = Map(
    "lz4" -> classOf[LZ4CompressionCodec].getName,
    "lzf" -> classOf[LZFCompressionCodec].getName,
    "snappy" -> classOf[SnappyCompressionCodec].getName,
    "zstd" -> classOf[ZStdCompressionCodec].getName)

  def getCodecName(conf: SparkConf): String = {
    conf.get(configKey, DEFAULT_COMPRESSION_CODEC)
  }

  def createCodec(conf: SparkConf): CompressionCodec = {
    createCodec(conf, getCodecName(conf))
  }

  def createCodec(conf: SparkConf, codecName: String): CompressionCodec = {
    val codecClass =
      shortCompressionCodecNames.getOrElse(codecName.toLowerCase(Locale.ROOT), codecName)
    val codec = try {
      val ctor = Utils.classForName(codecClass).getConstructor(classOf[SparkConf])
      Some(ctor.newInstance(conf).asInstanceOf[CompressionCodec])
    } catch {
      case _: ClassNotFoundException | _: IllegalArgumentException => None
    }
    codec.getOrElse(throw new IllegalArgumentException(s"Codec [$codecName] is not available. " +
      s"Consider setting $configKey=$FALLBACK_COMPRESSION_CODEC"))
  }

可见，Spark目前支持4种压缩编解码器，分别是LZ4、LZF、Snappy和ZStd，可以通过配置项spark.io.compression.codec来设置。其中LZ4是默认值，即常量DEFAULT_COMPRESSION_CODEC的值。createCodec()方法会获得Codec短名称对应的具体类名，然后通过反射创建对应的实例。

CompressionCodec的实现类都十分简短，因此不再详细列举。

总结

本文通过阅读SerializerManager与CompressionCodec的源码，大致了解了Spark内是如何处理数据序列化、反序列化及压缩的。在之后的源码阅读过程中，我们会频繁地遇到序列化和压缩相关方法的调用，相信到时候我们就不会感到迷惑了。