分布式系列之分布式分析计算引擎Spark解析
Spark作为一种通用的大数据分析引擎，集成了批处理、流式查询以及交互式查询于一体，其技术体系相当复杂，本文简要介绍了Spark中的基本架构和基本概念RDD和执行流程，以及Spark on YARN两种模式。
1、Spark基本介绍
Apache Spark是一种通用可扩展的大数据分析引擎，集批处理、实时流处理、交互式查询与流计算于一体，避免了多种运算场景下需要部署不同集群带来的资源浪费。另外，Spark是基于内存的计算，相较于MapReduce或者Hive，处理效率上要提升数倍。
1.1 Spark核心组件
Spark是一种通用的大数据分析引擎，包含了大数据领城常见的各种计算框架：使用Spark Core用于离线计算；Spark SQL用于交互式查询；基于Spark Streaming实现实时流式计算；Spark MILlib用于机器学习；Spark GraphX用于图计算。
1）Spark Core
包含Spark的基本功能，包含任务调度，内存管理，容错机制等，为其他组件提供底层的服务。在内部定义了RDDs(弹性分布式数据集)，提供了很多APIs来创建和操作这些RDDs。
2）Spark SQL
支持像其它数据库一样，使用SQL的方式处理结构化的数据源，包括Hive、HBase、MySQL、JSON等。Spark SQL提供了两种抽象的数据集合：DataFrame和Datasets
- DataFrame是spark Sql对结构化数据的抽象，可以简单的理解为spark中的表
- DataSet是数据的分布式集合
3）Spark Streaming
基于Spark Core实现了可扩展、高吞吐和容错的实时流处理，支持的数据源有Kafka、Flume、HDFS和TCP socket等，处理后的结果存储到HDFS或数据库中。Spark Streaming是将流式计算分解成一系列短小的批处理作业，每个批处理作业处理一段数据，每一段数据转换成Spark中的RDD进行转换操作。
4）MLib
MLIB是Spark对常用的机器学习算法的实现库，包括分类、回归、聚类、协同过滤、降维等算法，同时支持流水线的学习模式，即多个算法使用不同的参数以流水线的形式编排运行，得到算法的结果。
5）Graphx
Spark提供的关于图和图并行计算的API，集ETL、试探性分析和迭代式图计算于一体。
1.2 Spark基本架构
Spark整体架构如图所示，包括ClusterManager、Worker、Driver和executor等。
1）Cluster Manager
集群管理器，它存在于Master进程中，主要用来对应用程序申请的资源进行管理和调度，根据其部署模式的不同，可以分为local，standalone，yarn，mesos等模式。
2）worker
Spark的工作节点，用于执行任务的提交，主要工作职责有以下：
- worker节点通过注册机向cluster manager汇报自身的cpu，内存等信息。
- worker节点在spark master作用下创建并启用executor，executor是真正的计算单元。
- spark master将任务Task分配给worker节点上的executor并执行运用。
- worker节点同步资源信息和executor状态信息给cluster manager。
在yarn 模式下运行worker节点一般指的是NodeManager节点，standalone模式下运行一般指的是slave节点。
3）executor
Executor是真正执行计算任务的组件，它是application运行在worker上的一个进程。这个进程负责Task的运行，它能够将数据保存在内存或磁盘存储中，也能够将结果数据返回给Driver。Executor宿主在worker节点上，每个Worker上存在一个或多个Executor进程，每个executor持有一个线程池，每个线程可以执行一个task。根据Executor上CPU-core的数量，其每个时间可以并行多个跟core一样数量的task，其中task任务即为具体执行的Spark程序的任务。
4）Application
Application是Spark API编程的应用程序，它包括实现Driver功能的代码和在程序中各个executor上要执行的代码，一个application由多个job组成。其中应用程序的入口为用户所定义的main方法。
5）Driver
Driver的功能是创建SparkContext，负责执行用户写的Application的main函数进程，创建SparkContext的目的是为了准备Spark应用程序的运行环境。Application通过Driver和Cluster Manager及executor进行通讯，当Executor部分运行完毕后，Driver同时负责将SparkContext关闭。Driver可以运行在application节点上，也可以由application提交给Cluster Manager，再由Cluster Manager安排worker节点运行。Driver节点也负责提交Job，并将Job转化为Task，在各个Executor进程间协调Task的调度。
6）sparkContext
sparkContext是整个spark应用程序最关键的一个对象，是Spark所有功能的主要入口点。核心作用是初始化spark应用程序所需要的组件，同时还负责向master程序进行注册等。
用户程序从最开始提交到最终的计算执行，需要经历以下几个阶段：
- 用户程序创建SparkContext时，新创建的SparkContext实例会连接到ClusterManager。ClusterManager根据用户提交时设置的CPU和内存信息为本次的提交分配计算资源，启动Executor进程
- Driver会根据用户程序划分为不同的执行阶段，每个执行阶段由一组完全相同的Task组成，这些Task分别作用于待处理数据的不同分区。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。在阶段划分完成和Task创建后，Driver会向Executor发送Task
- Executor在接收到Task后，会下载Task运行时候的依赖，在准备好Task的执行环境后，开始执行Task并将Task的运行状态汇报给Driver
- Driver会根据收到的Task状态来处理不同的状态更新。Task分为两种：一种是shuffle map task，实现数据的重新洗牌，洗牌的结果保存到Executor所在节点的文件系统中；另外一种是result Task，负责生成结果数据。
- Driver会不断的调用Task，重复2~4的过程，将Task发送到Executor执行，在所有的Task都正常执行或超过执行次数的限制仍然没有执行成功时停止。
2、Spark基本概念
2.1 RDD弹性分布式数据集
RDD是弹性分布式数据集，是Spark中数据处理的最基本抽象，可以被并行操作的元素集合。RDD在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，从而可以在集群的不同节点上进行并行计算。
RDD提供了一种高端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。Spark中可以通过一系列的算子对RDD进行操作，主要分为Transformation和Action两种操作。
- Transformation(转换)：是对已有的RDD进行换行生成新的RDD，对于转换过程采用惰性计算机制，不会立即计算出结果。常用的方法有map，filter，flatmap等。
- Action(执行)：对已有对RDD对数据执行计算产生结果，并将结果返回Driver或者写入到外部存储中。常用到方法有reduce，collect，saveAsTextFile等。
RDD具有自动容错、位置感知性调度和可伸缩性的特点，每个RDD主要有以下属性：
- 分片Partition：数据集的基本组成单位，对于RDD来说，每个分片都会被一个计算任务处理，并决定并行计算的粒度。用户可以在创建RDD时指定分片的个数，默认为分配的CPU core数目
- 计算每个分区的函数：Spark中RDD的计算是以分片为单位的，每个RDD都会实现compute函数，compute函数会对迭代器进行汇总，不需要保存每次的计算结果
- RDD之间的依赖关系：RDD每次转换都会生成新的RDD，所以RDD之间会形成类似流水线一样的前后依赖关系。在部分分区数据丢失时，Spark可以通过这个依赖关系重新计算丢失的分区数据，而不需要对RDD的所有分区进行重新计算
- RDD的分片函数Partitioner：Spark中实现两种类型的分片函数，基于哈希函数HashPartitioner和基于分区函数RangePartitioner。Partitioner函数决定了RDD本身的分片数量，也决定了RDD Shuffle输出时的分片数量
- 存储每个分片的优先位置的列表：对于HDFS文件，这个列表保存了每个partition所在块的位置。Spark在进行任务调度的时候，会尽可能的将计算任务分配到其所要处理的数据块的存储位置。
2.2 DAG有向无环图
Spark会根据用户提交的逻辑中的RDD操作生成RDD之间的依赖关系，同时这个计算链生成了逻辑上的DAG。在Spark中DAG主要分为DAGScheduler和TaskScheduler：
- DAGScheduler是面向stage的高层级的调度器，DAG Scheduler把DAG拆分为多个Task，每组Task都是一个stage，解析时是以shuffle为边界进行反向构建的，每当遇见一个shuffle，spark就会产生一个新的stage，接着以TaskSet的形式提交给底层的调度器（task scheduler），每个stage封装成一个TaskSet。DAG Scheduler需要记录RDD被存入磁盘物化等动作，同时会需要Task寻找最优等调度逻辑，以及监控因shuffle跨节点输出导致的失败。
- TaskScheduler负责每一个具体任务的执行，包括任务集的调度管理、状态结果跟踪、物理资源调度管理、任务执行和获取结果。TaskScheduler维护所有TaskSet，当Executor向Driver发生心跳时，TaskScheduler会根据资源剩余情况分配相应的Task。
3、Spark运行模式及运行流程
3.1 Spark的运行模式
Spark的运行模式主要有以下几种：
| 运行模式 | 运行类型 | 说明 |
|---|---|---|
| local | 本地模式 | 常用于本地开发测试，分为local单线程和local-cluster多线程模式 |
| standalone | 集群模式 | 独立模式，在spark自己的资源调度管理框架上运行，该框架采用master/salve结构 |
| yarn | 集群模式 | 在yarn资源管理器框架上运行，由yarn负责资源管理，spark负责任务调度和计算 |
| mesos | 集群模式 | 在mesos资源管理器框架上运行，由mesos负责资源管理，spark负责任务调度和计算 |
| k8s | 集群模式 | 在k8s上运行 |
3.2 Spark程序在YARN上执行流程
Spark on YARN分为两种模式yarn-client模式和yarn-cluster模式，一般采用的是yarn-cluster模式。yarn-cluster和yarn-client的区别在于yarn appMaster，yarn-cluster中ApplicationMaster不仅负责申请资源，并负责监控Task的运行状况，因此可以关掉client；yarn-client中ApplicationMaster仅负责申请资源，由client中的driver来监控调度Task的运行，因此不能关掉client。
3.2.1 YARN-client模式
- ResourceManager接到请求后在集群中选择一个NodeManager分配Container资源为AppMaster作准备
- 在Container中启动ApplicationMaster进程；driver进程运行在client中，并初始化sparkContext；
- sparkContext初始化完后与ApplicationMaster通讯，通过ApplicationMaster向ResourceManager申请Container，ApplicationMaster通知NodeManager在获得的Container中启动excutor进程；
1.sparkContext分配Task给excutor，excutor发送运行状态给driver。
3.2.2 YARN-cluster模式
- client 向yarn提交应用程序，包含ApplicationMaster程序、启动ApplicationMaster的命令、需要在Executor中运行的程序等。
- ApplicationMaster程序启动ApplicationMaster的命令、需要在Executor中运行的程序等。
- ApplicationMaster向ResourceManager注册申请Container资源，这样用户可以直接通过ResourceManage查看应用程序的运行状态。
- ApplicationMaster申请到资源（也就是Container）后，便与对应的NodeManager通信，启动excutor进程。
- Task向ApplicationMaster汇报运行的状态和进度，以让ApplicationMaster随时掌握各个任务的运行状态，从而可以在任务失败时重新启动任务。
- 应用程序运行完成后，ApplicationMaster向ResourceManager申请注销并关闭自己。
4、总结
Spark技术体系相当复杂，本文简要介绍了Spark中的基本架构和基本概念RDD和执行流程，以及Spark on YARN两种模式。Spark有关的开发在之前的大数据系列中有所涉及，这里不再赘述。
参考资料：
- 《Spark技术内部：深入解析Spark内核架构设计与技术原理》，张安站著
- https://spark.apache.org/docs/latest/index.html
- https://blog.csdn.net/weixin_45366499/article/details/110010589
- https://blog.csdn.net/zxc123e/article/details/79912343
- https://blog.csdn.net/crazybean_lwb/article/details/106316513
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