Spark_Spark中的几种Shuffle 以及工作原理， 含HashShuffle

Base Spark 2.0 +

 

参考文章

1.spark基础之shuffle机制和原理分析

https://blog.csdn.net/zhanglh046/article/details/78360762

2.Spark Shuffle原理、Shuffle操作问题解决和参数调优

https://www.cnblogs.com/arachis/p/Spark_Shuffle.html

 

一 概述

   Shuffle就是对数据进行重组，由于分布式计算的特性和要求，在实现细节上更加繁琐和复杂

   

Hadoop Shuffle

详细介绍文章 ： https://blog.csdn.net/u010003835/article/details/105334025

     在MapReduce框架，Shuffle是连接Map和Reduce之间的桥梁，Map阶段通过shuffle读取数据并输出到对应的Reduce；而Reduce阶段负责从Map端拉取数据并进行计算。在整个shuffle过程中，往往伴随着大量的磁盘和网络I/O。所以shuffle性能的高低也直接决定了整个程序的性能高低。

 

 

Spark Shuffle

    Spark也会有自己的shuffle实现过程, 如下图所示

 

      在DAG调度的过程中，Stage阶段的划分是根据是否有shuffle过程，也就是存在ShuffleDependency宽依赖的时候，需要进行shuffle,这时候会将作业job划分成多个Stage；

    并且在划分Stage的时候，构建ShuffleDependency的时候进行shuffle注册，获取后续数据读取所需要的ShuffleHandle,最终每一个job提交后都会生成一个ResultStage和若干个ShuffleMapStage，其中ResultStage表示生成作业的最终结果所在的Stage. 

     ResultStage与ShuffleMapStage中的task分别对应着ResultTask与ShuffleMapTask。

     一个作业，除了最终的ResultStage外，其他若干ShuffleMapStage中各个ShuffleMapTask都需要将最终的数据根据相应的Partitioner对数据进行分组，然后持久化分区的数据。
 

 

Spark 中的Shuffle 模型

目前Spark 中的Shuffle 只有SortShuffle 一种, 在Spark 2.0 之前存在 3中Shuffle 逻辑，但是 Spark 2 之后将两外另种移除了。

Spark 1.* + 的存在 hash、sort 和 tungtsten-sort, tungtsten-sort  与 sort 貌似进行了合并。

http://spark.apache.org/docs/1.6.0/configuration.html

这是1.6的文档

spark.shuffle.manager

sort

Implementation to use for shuffling data. There are two implementations available: sort and hash. Sort-based shuffle is more memory-efficient and is the default option starting in 1.2.

 

 

Spark 中的 Based Sort Shuffle 模型

    因为Spark 2.0 + 已经不存在 HashShuffle 选项了，我们先看下 Sort-Based Shuffle 介绍。

 

 

Sort-Based Shuffle 详解

     为了缓解Shuffle过程产生文件数过多和Writer缓存开销过大的问题，spark引入了类似于hadoop Map-Reduce的shuffle机制。该机制每一个ShuffleMapTask不会为后续的任务创建单独的文件，而是会将所有的Task结果写入同一个文件，并且对应生成一个索引文件。

      以前的数据是放在内存缓存中，等到数据完了再刷到磁盘，现在为了减少内存的使用，在内存不够用的时候，可以将输出溢写到磁盘，结束的时候，再将这些不同的文件联合内存的数据一起进行归并，从而减少内存的使用量。一方面文件数量显著减少，另一方面减少Writer缓存所占用的内存大小，而且同时避免GC的风险和频率。
 

 

 

Sort-Based Shuffle有几种不同的策略：

• BypassMergeSortShuffleWriter
• SortShuffleWriter
• UnasfeSortShuffleWriter

Spark 2.2.0 的截图

 

BypassMergeSortShuffleWriter

运行流程

     此时task会为每个下游task都创建一个临时磁盘文件，并将数据按key进行hash然后根据key的hash值，将key写入对应的磁盘文件之中。当然，写入磁盘文件时也是先写入内存缓冲，缓冲写满之后再溢写到磁盘文件的。最后，同样会将所有临时磁盘文件都合并成一个磁盘文件，并创建一个单独的索引文件。

    该过程的磁盘写机制其实跟未经优化的HashShuffleManager是一模一样的，因为都要创建数量惊人的磁盘文件，只是在最后会做一个磁盘文件的合并而已。因此少量的最终磁盘文件，也让该机制相对未经优化的HashShuffleManager来说，shuffle read的性能会更好。

 

触发机制

    因为BypassMergeSortShuffleWriter这种方式比SortShuffleWriter更快，所以如果在Reducer数量不大，又不需要在map端聚合和排序，而且 Reducer的数目 <  spark.shuffle.sort.bypassMergeThrshold  （默认200）指定的阀值，就是用的是这种方式。

    不是排序类的shuffle算子（比如reduceByKey）。

 

选择依据

    主要用于处理不需要排序和聚合的Shuffle操作，所以数据是直接写入文件，数据量较大的时候，网络I/O和内存负担较重

    主要适合处理Reducer任务数量比较少的情况下

    将每一个分区写入一个单独的文件，最后将这些文件合并,减少文件数量；但是这种方式需要并发打开多个文件，对内存消耗比较大

 

 

SortShuffleWriter

 

 运行流程

    在溢写到磁盘文件之前，会先根据key对内存数据结构中已有的数据进行排序。排序过后，会分批将数据写入磁盘文件。默认的batch数量是10000条，也就是说，排序好的数据，会以每批1万条数据的形式分批写入磁盘文件。写入磁盘文件是通过Java的BufferedOutputStream实现的。BufferedOutputStream是Java的缓冲输出流，首先会将数据缓冲在内存中，当内存缓冲满溢之后再一次写入磁盘文件中，这样可以减少磁盘IO次数，提升性能。

    一个task将所有数据写入内存数据结构的过程中，会发生多次磁盘溢写操作，也就会产生多个临时文件。最后会将之前所有的临时磁盘文件都进行合并，这就是merge过程，此时会将之前所有临时磁盘文件中的数据读取出来，然后依次写入最终的磁盘文件之中。此外，由于一个task就只对应一个磁盘文件，也就意味着该task为下游stage的task准备的数据都在这一个文件中，因此还会单独写一份索引文件，其中标识了下游各个task的数据在文件中的start offset与end offset。

   SortShuffleManager由于有一个磁盘文件merge的过程，因此大大减少了文件数量。

   比如第一个stage有50个task，总共有10个Executor，每个Executor执行5个task，而第二个stage有100个task。由于每个task最终只有一个磁盘文件，因此此时每个Executor上只有5个磁盘文件，所有Executor只有50个磁盘文件。

 

选择依据

   比较适合数据量很大的场景或者集群规模很大

   引入了外部排序器，可以支持在Map端进行本地聚合或者不聚合

   如果外部排序器enable了spill功能，如果内存不够，可以先将输出溢写到本地磁盘，最后将内存结果和本地磁盘的溢写文件进行合并

 

 

UnsafeShuffleWriter

   由于需要谨慎使用，我们暂不做分析

 

 

 

BypassMergeSortShuffleWriter 与 SortShuffleWriter 对比

• 第一，磁盘写机制不同；
• 第二，不会进行排序。也就是说，启用该机制的最大好处在于，shuffle write过程中，不需要进行数据的排序操作，也就节省掉了这部分的性能开销。

 

 

Tips 

    另外这个Sort-Based Shuffle跟Executor核数没有关系，即跟并发度没有关系，它是每一个ShuffleMapTask都会产生一个data文件和index文件，所谓合并也只是将该ShuffleMapTask的各个partition对应的分区文件合并到data文件而已。所以这个就需要个Hash-BasedShuffle的consolidation机制区别开来。
 

 

 

 

Spark 中的Hash Shuffle （deprecated）

 

概述

     在spark-1.6版本之前，一直使用HashShuffle，在spark-1.6版本之后使用Sort-Base Shuffle，因为HashShuffle存在的不足所以就替换了HashShuffle.

     我们知道，Spark的运行主要分为2部分：一部分是驱动程序，其核心是SparkContext；另一部分是Worker节点上Task,它是运行实际任务的。程序运行的时候，Driver和Executor进程相互交互：运行什么任务，即Driver会分配Task到Executor，Driver 跟 Executor 进行网络传输; 任务数据从哪儿获取，即Task要从 Driver 抓取其他上游的 Task 的数据结果，所以有这个过程中就不断的产生网络结果。其中，下一个 Stage 向上一个 Stage 要数据这个过程，我们就称之为 Shuffle。

    HashShuffle 存在两个版本，未经优化的和已经优化的版本。

 

未经优化的 Hash Shuffle 

    在HashShuffle没有优化之前，每一个ShufflleMapTask会为每一个ReduceTask创建一个bucket缓存，并且会为每一个bucket创建一个文件。这个bucket存放的数据就是经过Partitioner操作(默认是HashPartitioner)之后找到对应的bucket然后放进去，最后将数据 刷新bucket缓存的数据到磁盘上，即对应的block file.

   然后ShuffleMapTask将输出作为MapStatus发送到DAGScheduler的MapOutputTrackerMaster，每一个MapStatus包含了每一个ResultTask要拉取的数据的位置和大小

   ResultTask然后去利用BlockStoreShuffleFetcher向MapOutputTrackerMaster获取MapStatus，看哪一份数据是属于自己的，然后底层通过BlockManager将数据拉取过来

   拉取过来的数据会组成一个内部的ShuffleRDD，优先放入内存，内存不够用则放入磁盘，然后ResulTask开始进行聚合，最后生成我们希望获取的那个MapPartitionRDD
 

缺点：

    如上图所示：在这里有1个worker，2个executor，每一个executor运行2个ShuffleMapTask，有三个ReduceTask，所以总共就有4 * 3=12个bucket和12个block file。

   如果数据量较大，将会生成M*R个小文件，比如ShuffleMapTask有100个，ResultTask有100个，这就会产生100*100=10000个小文件。

  bucket缓存很重要，需要将ShuffleMapTask所有数据都写入bucket，才会刷到磁盘，那么如果Map端数据过多，这就很容易造成内存溢出，尽管后面有优化，bucket写入的数据达到刷新到磁盘的阀值之后，就会将数据一点一点的刷新到磁盘，但是这样磁盘I/O就多了。

 

 

优化后的HashShuffle

 

   每一个Executor进程根据核数，决定Task的并发数量，比如executor核数是2，就是可以并发运行两个task，如果是一个则只能运行一个task 。

   假设executor核数是1，ShuffleMapTask数量是M,那么它依然会根据ResultTask的数量R，创建R个bucket缓存，然后对key进行hash，数据进入不同的bucket中，每一个bucket对应着一个block file,用于刷新bucket缓存里的数据。然后下一个task运行的时候，那么不会再创建新的bucket和block file，而是复用之前的task已经创建好的bucket和block file。即所谓同一个Executor进程里所有Task都会把相同的key放入相同的bucket缓冲区中。

   这样的话，生成文件的数量就是(本地worker的 executor数量  * executor的cores *  ResultTask数量 )如上图所示，即2 * 1* 3 = 6个文件，每一个Executor的shuffleMapTask数量100,ReduceTask数量为100，那么

   未优化的HashShuffle的文件数是2 *1* 100*100 =20000，优化之后的数量是2*1*100 = 200文件，相当于少了100倍

 

缺点：

  如果 Reducer 端的并行任务或者是数据分片过多的话则 Core * Reducer Task 依旧过大，也会产生很多小文件。
 

 

HashShuffle 总结

       HashShuffle写数据的时候，内存有一个bucket缓冲区，同时在本地磁盘有对应的本地文件，如果本地有文件，那么在内存应该也有文件句柄也是需要耗费内存的。也就是说，从内存的角度考虑，即有一部分存储数据，一部分管理文件句柄。如果Mapper分片数量为1000,Reduce分片数量为1000,那么总共就需要1000000个小文件。所以就会有很多内存消耗，频繁IO以及GC频繁或者出现内存溢出。

      而且Reducer端读取Map端数据时，Mapper有这么多小文件，就需要打开很多网络通道读取，很容易造成Reducer（下一个stage）通过driver去拉取上一个stage数据的时候，说文件找不到，其实不是文件找不到而是程序不响应，因为正在GC.