大数据计算平台Spark内核全面解读(1)

 

1、Spark介绍

Spark是起源于美国加州大学伯克利分校AMPLab的大数据计算平台，在2010年开源，目前是Apache软件基金会的顶级项目。随着Spark在大数据计算领域的暂露头角，越来越多的企业开始关注和使用。2014年11月，Spark在Daytona Gray Sort 100TB Benchmark竞赛中打破了由Hadoop MapReduce保持的排序记录。Spark利用1/10的节点数，把100TB数据的排序时间从72分钟提高到了23分钟。

Spark在架构上包括内核部分和4个官方子模块--Spark SQL、Spark Streaming、机器学习库MLlib和图计算库GraphX。图1所示为Spark在伯克利的数据分析软件栈BDAS（Berkeley Data Analytics Stack）中的位置。可见Spark专注于数据的计算，而数据的存储在生产环境中往往还是由Hadoop分布式文件系统HDFS承担。

图1 Spark在BDAS中的位置 

Spark被设计成支持多场景的通用大数据计算平台，它可以解决大数据计算中的批处理，交互查询及流式计算等核心问题。Spark可以从多数据源的读取数据，并且拥有不断发展的机器学习库和图计算库供开发者使用。数据和计算在Spark内核及Spark的子模块中是打通的，这就意味着Spark内核和子模块之间成为一个整体。Spark的各个子模块以Spark内核为基础，进一步支持更多的计算场景，例如使用Spark SQL读入的数据可以作为机器学习库MLlib的输入。表1列举了一些在Spark平台上的计算场景。

表1 Spark的应用场景举例

在本文写作是，Spark的最新版本为1.2.0，文中的示例代码也来自于这个版本。

2、Spark内核介绍 

相信大数据工程师都非常了解Hadoop MapReduce一个最大的问题是在很多应用场景中速度非常慢，只适合离线的计算任务。这是由于MapReduce需要将任务划分成map和reduce两个阶段，map阶段产生的中间结果要写回磁盘，而在这两个阶段之间需要进行shuffle操作。Shuffle操作需要从网络中的各个节点进行数据拷贝，使其往往成为最为耗时的步骤，这也是Hadoop MapReduce慢的根本原因之一，大量的时间耗费在网络磁盘IO中而不是用于计算。在一些特定的计算场景中，例如像逻辑回归这样的迭代式的计算，MapReduce的弊端会显得更加明显。

那Spark是如果设计分布式计算的呢？首先我们需要理解Spark中最重要的概念--弹性分布数据集（Resilient Distributed Dataset），也就是RDD。 

 

2.1 弹性分布数据集RDD

RDD是Spark中对数据和计算的抽象，是Spark中最核心的概念，它表示已被分片（partition），不可变的并能够被并行操作的数据集合。对RDD的操作分为两种transformation和action。Transformation操作是通过转换从一个或多个RDD生成新的RDD。Action操作是从RDD生成最后的计算结果。在Spark最新的版本中，提供丰富的transformation和action操作，比起MapReduce计算模型中仅有的两种操作，会大大简化程序开发的难度。

RDD的生成方式只有两种，一是从数据源读入，另一种就是从其它RDD通过transformation操作转换。一个典型的Spark程序就是通过Spark上下文环境（SparkContext）生成一个或多个RDD，在这些RDD上通过一系列的transformation操作生成最终的RDD，最后通过调用最终RDD的action方法输出结果。

每个RDD都可以用下面5个特性来表示，其中后两个为可选的：

• 分片列表（数据块列表）
• 计算每个分片的函数
• 对父RDD的依赖列表
• 对key-value类型的RDD的分片器（Partitioner）（可选）
• 每个数据分片的预定义地址列表（如HDFS上的数据块的地址）（可选）

虽然Spark是基于内存的计算，但RDD不光可以存储在内存中，根据useDisk、useMemory、useOffHeap, deserialized、replication五个参数的组合Spark提供了12种存储级别，在后面介绍RDD的容错机制时，我们会进一步理解。值得注意的是当StorageLevel设置成OFF_HEAP时，RDD实际被保存到Tachyon中。Tachyon是一个基于内存的分布式文件系统，目前正在快速发展，本文不做详细介绍，可以通过其官方网站进一步了解。

1. classStorageLevelprivate(
2.     privatevar _useDisk:Boolean,
3.     privatevar _useMemory:Boolean,
4.     privatevar _useOffHeap:Boolean,
5.     privatevar _deserialized:Boolean
6.     privatevar _replication:Int=1)
7.   extendsExternalizable{//… }
8.  
9. val NONE =newStorageLevel(false,false,false,false)
10.   val DISK_ONLY =newStorageLevel(true,false,false,false)
11.   val DISK_ONLY_2 =newStorageLevel(true,false,false,false,2)
12.   val MEMORY_ONLY =newStorageLevel(false,true,false,true)
13.   val MEMORY_ONLY_2 =newStorageLevel(false,true,false,true,2)
14.   val MEMORY_ONLY_SER =newStorageLevel(false,true,false,false)
15.   val MEMORY_ONLY_SER_2 =newStorageLevel(false,true,false,false,2)
16.   val MEMORY_AND_DISK =newStorageLevel(true,true,false,true)
17.   val MEMORY_AND_DISK_2 =newStorageLevel(true,true,false,true,2)
18.   val MEMORY_AND_DISK_SER =newStorageLevel(true,true,false,false)
19.   val MEMORY_AND_DISK_SER_2 =newStorageLevel(true,true,false,false,2)
20.   val OFF_HEAP =newStorageLevel(false,false,true,false)

 

2.2 DAG、Stage与任务的生成

Spark的计算发生在RDD的action操作，而对action之前的所有transformation，Spark只是记录下RDD生成的轨迹，而不会触发真正的计算。

Spark内核会在需要计算发生的时刻绘制一张关于计算路径的有向无环图，也就是DAG。举个例子，在图2中，从输入中逻辑上生成A和C两个RDD，经过一系列transformation操作，逻辑上生成了F，注意，我们说的是逻辑上，因为这时候计算没有发生，Spark内核做的事情只是记录了RDD的生成和依赖关系。当F要进行输出时，也就是F进行了action操作，Spark会根据RDD的依赖生成DAG，并从起点开始真正的计算。

图2 逻辑上的计算过程：DAG 

有了计算的DAG图，Spark内核下一步的任务就是根据DAG图将计算划分成任务集，也就是Stage，这样可以将任务提交到计算节点进行真正的计算。Spark计算的中间结果默认是保存在内存中的，Spark在划分Stage的时候会充分考虑在分布式计算中可流水线计算（pipeline）的部分来提高计算的效率，而在这个过程中，主要的根据就是RDD的依赖类型。根据不同的transformation操作，RDD的依赖可以分为窄依赖（Narrow Dependency）和宽依赖（Wide Dependency，在代码中为ShuffleDependency）两种类型。窄依赖指的是生成的RDD中每个partition只依赖于父RDD(s) 固定的partition。宽依赖指的是生成的RDD的每一个partition都依赖于父 RDD(s) 所有partition。窄依赖典型的操作有map, filter, union等，宽依赖典型的操作有groupByKey, sortByKey等。可以看到，宽依赖往往意味着shuffle操作，这也是Spark划分stage的主要边界。对于窄依赖，Spark会将其尽量划分在同一个stage中，因为它们可以进行流水线计算。

图3 RDD的宽依赖和窄依赖

我们再通过图4详细解释一下Spark中的Stage划分。我们从HDFS中读入数据生成3个不同的RDD，通过一系列transformation操作后再将计算结果保存回HDFS。可以看到这幅DAG中只有join操作是一个宽依赖，Spark内核会以此为边界将其前后划分成不同的Stage. 同时我们可以注意到，在图中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，通过map操作生成的partition可以不用等待整个RDD计算结束，而是继续进行union操作，这样大大提高了计算的效率。

图4 Spark中的Stage划分 

 

 

http://developer.51cto.com/art/201502/464742.htm