Spark内核解析-部署模式解析8(六)
1、部署模式解析
1.1部署模式概述
Spark支持的主要的三种分布式部署方式分别是standalone、spark on mesos和 spark on YARN。standalone模式，即独立模式，自带完整的服务，可单独部署到一个集群中，无需依赖任何其他资源管理系统。它是Spark实现的资源调度框架，其主要的节点有Client节点、Master节点和Worker节点。而yarn是统一的资源管理机制，在上面可以运行多套计算框架，如map reduce、storm等根据driver在集群中的位置不同，分为yarn client和yarn cluster。而mesos是一个更强大的分布式资源管理框架，它允许多种不同的框架部署在其上，包括yarn。基本上，Spark的运行模式取决于传递给SparkContext的MASTER环境变量的值，个别模式还需要辅助的程序接口来配合使用，目前支持的Master字符串及URL包括：
用户在提交任务给Spark处理时，以下两个参数共同决定了Spark的运行方式。
· –master MASTER_URL ：决定了Spark任务提交给哪种集群处理。
· –deploy-mode DEPLOY_MODE：决定了Driver的运行方式，可选值为Client或者Cluster。
1.2standalone框架
standalone集群由三个不同级别的节点组成，分别是
1)Master 主控节点，可以类比为董事长或总舵主，在整个集群之中，最多只有一个Master处在Active状态
2)Worker 工作节点 ，这个是manager,是分舵主， 在整个集群中，可以有多个worker，如果worker为零，什么事也做不了
3)Executor 干苦力活的，直接受worker掌控，一个worker可以启动多个executor,启动的个数受限于机器中的cpu核数
这三种不同类型的节点各自运行于自己的JVM进程之中。
Standalone模式下，集群启动时包括Master与Worker，其中Master负责接收客户端提交的作业，管理Worker。根据作业提交的方式不同，分为driver on client 和drvier on worker。如下图7所示，上图为driver on work模式，下图为driver on client模式。两种模式的主要不同点在于driver所在的位置。
在standalone部署模式下又分为client模式和cluster模式，其中client模式下，driver和client运行于同一JVM中，不由worker启动，该JVM进程直到spark application计算完成返回结果后才退出。如下图所示。
而在cluster模式下，driver由worker启动，client在确认spark application成功提交给cluster后直接退出，并不等待spark application运行结果返回。如下图所示
从部署图来进行分析，每个JVM进程在启动时的文件依赖如何得到满足。
1)Master进程最为简单，除了spark jar包之外，不存在第三方库依赖
2)Driver和Executor在运行的时候都有可能存在第三方包依赖，分开来讲
3)Driver比较简单，spark-submit在提交的时候会指定所要依赖的jar文件从哪里读取
4)Executor由worker来启动，worker需要下载Executor启动时所需要的jar文件，那么从哪里下载呢。
Spark Standalone模式，即独立模式，自带完整的服务，可单独部署到一个集群中，无需依赖其他资源管理系统。在该模式下，用户可以通过手动启动Master和Worker来启动一个独立的集群。其中，Master充当了资源管理的角色，Workder充当了计算节点的角色。在该模式下，Spark Driver程序在客户端(Client)运行，而Executor则在Worker节点上运行。
以下是一个运行在Standalone模式下，包含一个Master节点，两个Worker节点的Spark任务调度交互部署架构图。
从上面的Spark任务调度过程可以看到:
1)整个集群分为Master节点和Worker节点，其中Driver程序运行在客户端。Master节点负责为任务分配Worker节点上的计算资源，两者会通过相互通信来同步资源状态，见途中红色双向箭头。
2)客户端启动任务后会运行Driver程序，Driver程序中会完成SparkContext对象的初始化，并向Master进行注册。
3)每个Workder节点上会存在一个或者多个ExecutorBackend进程。每个进程包含一个Executor对象，该对象持有一个线程池，每个线程池可以执行一个任务(task)。ExecutorBackend进程还负责跟客户端节点上的Driver程序进行通信，上报任务状态。
1.2.1Standalone模式下任务运行过程
上面的过程反映了Spark在standalone模式下，整体上客户端、Master和Workder节点之间的交互。对于一个任务的具体运行过程需要更细致的分解，分解运行过程见图中的小字。
1.用户通过bin/spark-submit部署工具或者bin/spark-class启动应用程序的Driver进程，Driver进程会初始化SparkContext对象，并向Master节点进行注册。
1.Master节点接受Driver程序的注册，检查它所管理的Worker节点，为该Driver程序分配需要的计算资源Executor。Worker节点完成Executor的分配后，向Master报告Executor的状态。
2.Worker节点上的ExecutorBackend进程启动后，向Driver进程注册。
2.Driver进程内部通过DAG Schaduler，Stage Schaduler，Task Schaduler等过程完成任务的划分后，向Worker节点上的ExecutorBackend分配TASK。
1.ExecutorBackend进行TASK计算，并向Driver报告TASK状态，直至结束。
2.Driver进程在所有TASK都处理完成后，向Master注销。
1.2.2总结
Spark能够以standalone模式运行，这是Spark自身提供的运行模式，用户可以通过手动启动master和worker进程来启动一个独立的集群，也可以在一台机器上运行这些守护进程进行测试。standalone模式可以用在生产环境，它有效的降低了用户学习、测试Spark框架的成本。
standalone模式目前只支持跨应用程序的简单FIFO调度。然而，为了允许多个并发用户，你可以控制每个应用使用的资源的最大数。默认情况下，它会请求使用集群的全部CUP内核。
缺省情况下，standalone任务调度允许worker的失败（在这种情况下它可以将失败的任务转移给其他的worker）。但是，调度器使用master来做调度，这会产生一个单点问题：如果master崩溃，新的应用不会被创建。为了解决这个问题，可以zookeeper的选举机制在集群中启动多个master，也可以使用本地文件实现单节点恢复。
1.3yarn集群模式
Apache yarn是apache Hadoop开源项目的一部分。设计之初是为了解决mapreduce计算框架资源管理的问题。到haodoop 2.0使用yarn将mapreduce的分布式计算和资源管理区分开来。它的引入使得Hadoop分布式计算系统进入了平台化时代，即各种计算框架可以运行在一个集群中，由资源管理系统YRAN进行统一的管理和调度，从而共享整个集群资源、提高资源利用率。
YARN总体上也Master/slave架构——ResourceManager/NodeManager。前者(RM)负责对各个NodeManager(NM)上的资源进行统一管理和调度。而container是资源分配和调度的基本单位，其中封装了机器资源，如内存、CPU、磁盘和网络等，每个任务会被分配一个Container，该任务只能在该Container中执行，并使用该Container封装的资源。NodeManager的作用则是负责接收并启动应用的container、而向RM回报本节点上的应用Container运行状态和资源使用情况。ApplicationMaster与具体的Application相关，主要负责同ResourceManager协商以获取合适的Container，并跟踪这些Container的状态和监控其进度。如下图所示为yarn集群的一般模型。
Spark在yarn集群上的部署方式分为两种，yarn client（driver运行在客户端）和yarn cluster（driver运行在master上），driver on master如下图所示。
(1) Spark Yarn Client向YARN中提交应用程序，包括Application Master程序、启动Application Master的命令、需要在Executor中运行的程序等；
(2) Resource manager收到请求后，在其中一个node manager中为应用程序分配一个container，要求它在container中启动应用程序的Application Master，Application master初始化sparkContext以及创建DAG Scheduler和Task Scheduler。
(3) Application master根据sparkContext中的配置，向resource manager申请container，同时，Application master向Resource manager注册，这样用户可通过Resource manager查看应用程序的运行状态
(4) Resource manager 在集群中寻找符合条件的node manager，在node manager启动container，要求container启动executor，
(5) Executor启动后向Application master注册，并接收Application master分配的task
(6) 应用程序运行完成后，Application Master向Resource Manager申请注销并关闭自己。
Driver on client如下图所示：
(1) Spark Yarn Client向YARN的Resource Manager申请启动Application Master。同时在SparkContent初始化中将创建DAG Scheduler和TASK Scheduler等
(2) ResourceManager收到请求后，在集群中选择一个NodeManager，为该应用程序分配第一个Container，要求它在这个Container中启动应用程序的ApplicationMaster，与YARN-Cluster区别的是在该ApplicationMaster不运行SparkContext，只与SparkContext进行联系进行资源的分派
(3) Client中的SparkContext初始化完毕后，与Application Master建立通讯，向Resource Manager注册，根据任务信息向Resource Manager申请资源(Container)
(4) 当application master申请到资源后，便与node manager通信，要求它启动container
(5) Container启动后向driver中的sparkContext注册，并申请task
(6) 应用程序运行完成后，Client的SparkContext向ResourceManager申请注销并关闭自己。
从下图11：Yarn-client和Yarn cluster模式对比可以看出，在Yarn-client（Driver on client）中，Application Master仅仅从Yarn中申请资源给Executor，之后client会跟container通信进行作业的调度。如果client离集群距离较远，建议不要采用此方式，不过此方式有利于交互式的作业。
Spark能够以集群的形式运行，可用的集群管理系统有Yarn，Mesos等。集群管理器的核心功能是资源管理和任务调度。以Yarn为例，Yarn以Master/Slave模式工作，在Master节点运行的是Resource Manager(RM)，负责管理整个集群的资源和资源分配。在Slave节点运行的Node Manager(NM)，是集群中实际拥有资源的工作节点。我们提交Job以后，会将组成Job的多个Task调度到对应的Node Manager上进行执行。另外，在Node Manager上将资源以Container的形式进行抽象，Container包括两种资源内存和CPU。
以下是一个运行在Yarn集群上，包含一个Resource Manager节点，三个Node Manager节点(其中，两个是Worker节点，一个Master节点)的Spark任务调度交换部署架构图。
从上面的Spark任务调度过程图可以看到:
1)整个集群分为Master节点和Worker节点，它们都存在于Node Manager节点上，在客户端提交任务时由Resource Manager统一分配，运行Driver程序的节点被称为Master节点，执行具体任务的节点被称为Worder节点。Node Manager节点上资源的变化都需要及时更新给Resource Manager，见图中红色双向箭头。
2)Master节点上常驻Master守护进程 —— Driver程序，Driver程序中会创建SparkContext对象，并负责跟各个Worker节点上的ExecutorBackend进程进行通信，管理Worker节点上的任务，同步任务进度。实际上，在Yarn中Node Manager之间的关系是平等的，因此Driver程序会被调度到任何一个Node Manager节点。
3)每个Worker节点上会存在一个或者多个ExecutorBackend进程。每个进程包含一个Executor对象，该对象持有一个线程池，每个线程池可以执行一个任务(task)。ExecutorBackend进程还负责跟Master节点上的Driver程序进行通信，上报任务状态。
1.3.1集群下任务运行过程
上面的过程反映出了Spark在集群模式下，整体上Resource Manager和Node Manager节点间的交互，Master和Worker之间的交互。对于一个任务的具体运行过程需要更细致的分解，分解运行过程见图中的小字。
1)用户通过bin/spark-submit部署工具或者bin/spark-class向Yarn集群提交应用程序。
2)Yarn集群的Resource Manager为提交的应用程序选择一个Node Manager节点并分配第一个container，并在该节点的container上启动SparkContext对象。
3)SparkContext对象向Yarn集群的Resource Manager申请资源以运行Executor。
4)Yarn集群的Resource Manager分配container给SparkContext对象，SparkContext和相关的Node Manager通讯，在获得的container上启动ExecutorBackend守护进程，ExecutorBackend启动后开始向SparkContext注册并申请Task。
5)SparkContext分配Task给ExecutorBackend执行。
6)ExecutorBackend开始执行Task，并及时向SparkContext汇报运行状况。
Task运行完毕，SparkContext归还资源给Node Manager，并注销退。
1.4mesos集群模式
Mesos是apache下的开源分布式资源管理框架。起源于加州大学伯克利分校，后被twitter推广使用。Mesos上可以部署多种分布式框架，Mesos的架构图如下图12所示，其中Framework是指外部的计算框架，如Hadoop，Mesos等，这些计算框架可通过注册的方式接入mesos，以便mesos进行统一管理和资源分配。
图12 mesos一般部署图
在 Mesos 上运行的 framework 由两部分组成：一个是 scheduler ，通过注册到master 来获取集群资源。另一个是在 slave 节点上运行的executor进程，它可以执行 framework 的 task 。 Master 决定为每个framework 提供多少资源，framework 的 scheduler来选择其中提供的资源。当 framework同意了提供的资源，它通过master将 task发送到提供资源的slaves 上运行。Mesos的资源分配图如下图13。
图13 mesos资源分配图
(1) Slave1 向 Master 报告，有4个CPU和4 GB内存可用
(2) Master 发送一个 Resource Offer 给 Framework1 来描述 Slave1 有多少可用资源
(3) FrameWork1 中的 FW Scheduler会答复 Master，我有两个 Task 需要运行在 Slave1，一个 Task 需要<2个CPU，1 GB内存=“”>，另外一个Task需要<1个CPU，2 GB内存=“”>
(4) 最后，Master 发送这些 Tasks 给 Slave1。然后，Slave1还有1个CPU和1 GB内存没有使用，所以分配模块可以把这些资源提供给 Framework2
Spark可作为其中一个分布式框架部署在mesos上，部署图与mesos的一般框架部署图类似，如下图14，这里不再重述。
1.5spark 三种部署模式的区别
在这三种部署模式中，standalone作为spark自带的分布式部署模式，是最简单也是最基本的spark应用程序部署模式，这里就不再赘述。这里就讲一下yarn和mesos的区别：
(1) 就两种框架本身而言，mesos上可部署yarn框架。而yarn是更通用的一种部署框架，而且技术较成熟。
(2) mesos双层调度机制，能支持多种调度模式，而Yarn通过Resource Mananger管理集群资源，只能使用一种调度模式。Mesos 的双层调度机制为：mesos可接入如yarn一般的分布式部署框架，但Mesos要求可接入的框架必须有一个调度器模块，该调度器负责框架内部的任务调度。当一个framework想要接入mesos时，需要修改自己的调度器，以便向mesos注册，并获取mesos分配给自己的资源， 这样再由自己的调度器将这些资源分配给框架中的任务，也就是说，整个mesos系统采用了双层调度框架：第一层，由mesos将资源分配给框架；第二层，框架自己的调度器将资源分配给自己内部的任务。
(3) mesos可实现粗、细粒度资源调度，可动态分配资源，而Yarn只能实现静态资源分配。其中粗粒度和细粒度调度定义如下：
粗粒度模式（Coarse-grained Mode）：程序运行之前就要把所需要的各种资源（每个executor占用多少资源，内部可运行多少个executor）申请好，运行过程中不能改变。
细粒度模式（Fine-grained Mode）：为了防止资源浪费，对资源进行按需分配。与粗粒度模式一样，应用程序启动时，先会启动executor，但每个executor占用资源仅仅是自己运行所需的资源，不需要考虑将来要运行的任务，之后，mesos会为每个executor动态分配资源，每分配一些，便可以运行一个新任务，单个Task运行完之后可以马上释放对应的资源。每个Task会汇报状态给Mesos slave和Mesos Master，便于更加细粒度管理和容错，这种调度模式类似于MapReduce调度模式，每个Task完全独立，优点是便于资源控制和隔离，但缺点也很明显，短作业运行延迟大。
从yarn和mesos的区别可看出，它们各自有优缺点。因此实际使用中，选择哪种框架，要根据本公司的实际需要而定，可考虑现有的大数据生态环境。如我司采用yarn部署spark，原因是，我司早已有较成熟的hadoop的框架，考虑到使用的方便性，采用了yarn模式的部署。
1.6异常场景分析
上面说明的是正常情况下，各节点的消息分发细节。那么如果在运行中，集群中的某些节点出现了问题，整个集群是否还能够正常处理Application中的任务呢？
1.6.1异常分析1： worker异常退出
在Spark运行过程中，经常碰到的问题就是worker异常退出，当worker退出时，整个集群会有哪些故事发生呢? 请看下面的具体描述
1)worker异常退出，比如说有意识的通过kill指令将worker杀死
2)worker在退出之前，会将自己所管控的所有小弟executor全干掉
3)worker需要定期向master改善心跳消息的，现在worker进程都已经玩完了，哪有心跳消息，所以Master会在超时处理中意识到有一个“分舵”离开了
4)Master非常伤心，伤心的Master将情况汇报给了相应的Driver
5)Driver通过两方面确认分配给自己的Executor不幸离开了，一是Master发送过来的通知，二是Driver没有在规定时间内收到Executor的StatusUpdate，于是Driver会将注册的Executor移除
1.6.1.1 后果分析
worker异常退出会带来哪些影响
1)executor退出导致提交的task无法正常结束，会被再一次提交运行
2)如果所有的worker都异常退出，则整个集群不可用
3)需要有相应的程序来重启worker进程，比如使用supervisord或runit
1.6.1.2 测试步骤
1)启动Master
2)启动worker
3)启动spark-shell
4)手工kill掉worker进程
5)用jps或ps -ef|grep -i java来查看启动着的java进程
1.6.1.3 异常退出的代码处理
定义于ExecutorRunner.scala的start函数
def start() {
workerThread = new Thread("ExecutorRunner for " + fullId) {
override def run() { fetchAndRunExecutor() }
}
workerThread.start()
// Shutdown hook that kills actors on shutdown.
shutdownHook = new Thread() {
override def run() {
killProcess(Some("Worker shutting down"))
}
}
Runtime.getRuntime.addShutdownHook(shutdownHook)
}
killProcess的过程就是停止相应CoarseGrainedExecutorBackend的过程。
worker停止的时候，一定要先将自己启动的Executor停止掉。
1.6.1.4 小结
需要特别指出的是，当worker在启动Executor的时候，是通过ExecutorRunner来完成的，ExecutorRunner是一个独立的线程，和Executor是一对一的关系，这很重要。Executor作为一个独立的进程在运行，但会受到ExecutorRunner的严密监控。
1.6.2异常分析2： executor异常退出
Executor作为Standalone集群部署方式下的最底层员工，一旦异常退出，其后果会是什么呢？
executor异常退出，ExecutorRunner注意到异常，将情况通过ExecutorStateChanged汇报给Master
Master收到通知之后，非常不高兴，尽然有小弟要跑路，那还了得，要求Executor所属的worker再次启动
Worker收到LaunchExecutor指令，再次启动executor
1.6.2.1 测试步骤
1)启动Master
2)启动Worker
3)启动spark-shell
4)手工kill掉CoarseGrainedExecutorBackend
1.6.2.2 fetchAndRunExecutor
fetchAndRunExecutor负责启动具体的Executor，并监控其运行状态，具体代码逻辑如下所示
def fetchAndRunExecutor() {
try {
// Create the executor's working directory
val executorDir = new File(workDir, appId + "/" + execId)
if (!executorDir.mkdirs()) {
throw new IOException("Failed to create directory " + executorDir)
}
// Launch the process
val command = getCommandSeq
logInfo("Launch command: " + command.mkString("\"", "\" \"", "\""))
val builder = new ProcessBuilder(command: _*).directory(executorDir)
val env = builder.environment()
for ((key, value) {
logInfo("Runner thread for executor " + fullId + " interrupted")
state = ExecutorState.KILLED
killProcess(None)
}
case e: Exception => {
logError("Error running executor", e)
state = ExecutorState.FAILED
killProcess(Some(e.toString))
}
}
}
1.6.3异常分析3： master 异常退出
worker和executor异常退出的场景都讲到了，我们剩下最后一种情况了，master挂掉了怎么办？
带头大哥如果不在了，会是什么后果呢？
1)worker没有汇报的对象了，也就是如果executor再次跑飞，worker是不会将executor启动起来的，大哥没给指令
2)无法向集群提交新的任务
3)老的任务即便结束了，占用的资源也无法清除，因为资源清除的指令是Master发出的
2、wordcount程序运行原理窥探
2.1spark之scala实现wordcount
在spark中使用scala来实现wordcount（统计单词出现次数模型）更加简单，相对java代码上更加简洁，其函数式编程的思维逻辑也更加直观。
package com.spark.firstApp
import org.apache.spark.{SparkContext, SparkConf}
/**
* Created by atguigu,scala实现wordcount
*/
object WordCount1 {
def main(args: Array[String]) {
if (args.length == 0) {
System.err.println("Usage: WordCount1 " )
System.exit(1)
}
/**
* 1、实例化SparkConf；
* 2、构建SparkContext,SparkContext是spark应用程序的唯一入口
* 3. 通过SparkContext的textFile方法读取文本文件
*/
val conf = new SparkConf().setAppName("WordCount1").setMaster("local")
val sc = new SparkContext(conf)
/**
* 4、通过flatMap对文本中每一行的单词进行拆分（分割符号为空格），并利用map进行函数转换形成(K,V)形式，再进行reduceByKey，打印输出10个结果
* 函数式编程更加直观的反映思维逻辑
*/
sc.textFile(args(0)).flatMap(_.split(" ")).map(x => (x, 1)).reduceByKey(_ + _).take(10).foreach(println)
sc.stop()
}
}
2.2原理
在spark集群中运行wordcount程序其主要业务逻辑比较简单，涵盖一下3个过程：
1)读取存储介质上的文本文件（一般存储在hdfs上）；
2)对文本文件内容进行解析，按照单词进行分组统计汇总；
3)将过程2的分组结果保存到存储介质上。（一般存储在hdfs或者RMDB上）
虽然wordcount的业务逻辑非常简单，但其应用程序在spark中的运行过程却巧妙得体现了spark的核心精髓——分布式弹性数据集、内存迭代以及函数式编程等特点。下图对spark集群中wordcount的运行过程进行剖析，加深对spark技术原理窥探。
该图横向分割下面给出了wordcount的scala核心程序实现，该程序在spark集群的运行过程涉及几个核心的RDD，主要有textFileRDD、flatMapRDD、mapToPairRDD、shuffleRDD（reduceByKey）等。
应用程序通过textFile方法读取hdfs上的文本文件，数据分片的形式以RDD为统一模式将数据加载到不同的物理节点上，如上图所示的节点1、节点2到节点n；并通过一系列的数据转换，如利用flatMap将文本文件中对应每行数据进行拆分（文本文件中单词以空格为分割符号），形成一个以每个单词为核心新的数据集合RDD；之后通过MapRDD继续转换形成形成（K,V）数据形式，以便进一步使用reduceByKey方法，该方法会触发shuffle行为，促使不同的单词到对应的节点上进行汇聚统计（实际上在夸节点进行数据shuffle之前会在本地先对相同单词进行合并累加），形成wordcount的统计结果；最终通过saveAsTextFile方法将数据保存到hdfs上。具体的运行逻辑原理以及过程上图给出了详细的示意说明。