MapTask与ReduceTask深入分析与调优

1 Map-side tunning

1.1 MapTask运行内部原理

当map task开始运算，并产生中间数据时，其产生的中间结果并非直接就简单的写入磁盘。这中间的过程比较复杂，并且利用到了内存buffer来进行已经产生的 部分结果的缓存，并在内存buffer中进行一些预排序来优化整个map的性能。如上图所示，每一个map都会对应存在一个内存 buffer（MapOutputBuffer，即上图的buffer in memory），map会将已经产生的部分结果先写入到该buffer中，这个buffer默认是100MB大小，但是这个大小是可以根据job提交时的 参数设定来调整的，该参数即为：io.sort.mb。当map的产生数据非常大时，并且把io.sort.mb调 大，那么map在整个计算过程中spill的次数就势必会降低，map task对磁盘的操作就会变少，如果map tasks的瓶颈在磁盘上，这样调整就会大大提高map的计算性能。map做sort和spill的内存结构如下如所示：

map在运行过程中，不停的向该buffer中写入已有的计算结果，但是该buffer并不一定能将全部的map输出缓存下来，当map输出超出一 定阈值（比如100M），那么map就必须将该buffer中的数据写入到磁盘中去，这个过程在mapreduce中叫做spill。map并不是要等到 将该buffer全部写满时才进行spill，因为如果全部写满了再去写spill，势必会造成map的计算部分等待buffer释放空间的情况。所 以，map其实是当buffer被写满到一定程度（比如80%）时，就开始进行spill。这个阈值也是由一个job的配置参数来控制，即io.sort.spill.percent，默认为0.80或80%。这个参数同样也是影响spill频繁程度，进而影响map task运行周期对磁盘的读写频率的。但非特殊情况下，通常不需要人为的调整。调整io.sort.mb对用户来说更加方便。

当map task的计算部分全部完成后，如果map有输出，就会生成一个或者多个spill文件，这些文件就是map的输出结果。map在正常退出之前，需要将这 些spill合并（merge）成一个，所以map在结束之前还有一个merge的过程。merge的过程中，有一个参数可以调整这个过程的行为，该参数 为：io.sort.factor。该参数默认为10。它表示当merge spill文件时，最多能有多少并行的stream向merge文件中写入。比如如果map产生的数据非常的大，产生的spill文件大于10，而 io.sort.factor使用的是默认的10，那么当map计算完成做merge时，就没有办法一次将所有的spill文件merge成一个，而是会 分多次，每次最多10个stream。这也就是说，当map的中间结果非常大，调大io.sort.factor，有利于减少merge次数，进而减少 map对磁盘的读写频率，有可能达到优化作业的目的。

当job指定了combiner的时候，我们都知道map介绍后会在map端根据combiner定义的函数将map结果进行合并。运行combiner函数的时机有可能会是merge完成之前，或者之后，这个时机可以由一个参数控制，即min.num.spill.for.combine（default 3），当job中设定了combiner，并且spill数最少有3个的时候，那么combiner函数就会在merge产生结果文件之前运行。通过这样 的方式，就可以在spill非常多需要merge，并且很多数据需要做conbine的时候，减少写入到磁盘文件的数据数量，同样是为了减少对磁盘的读写 频率，有可能达到优化作业的目的。

减少中间结果读写进出磁盘的方法不止这些，还有就是压缩。也就是说map的中间，无论是spill的时候，还是最后merge产生的结果文件，都是 可以压缩的。压缩的好处在于，通过压缩减少写入读出磁盘的数据量。对中间结果非常大，磁盘速度成为map执行瓶颈的job，尤其有用。控制map中间结果 是否使用压缩的参数为：mapred.compress.map.output(true/false)。将这个参数 设置为true时，那么map在写中间结果时，就会将数据压缩后再写入磁盘，读结果时也会采用先解压后读取数据。这样做的后果就是：写入磁盘的中间结果数 据量会变少，但是cpu会消耗一些用来压缩和解压。所以这种方式通常适合job中间结果非常大，瓶颈不在cpu，而是在磁盘的读写的情况。说的直白一些就 是用cpu换IO。根据观察，通常大部分的作业cpu都不是瓶颈，除非运算逻辑异常复杂。所以对中间结果采用压缩通常来说是有收益的。以下是一个 wordcount中间结果采用压缩和不采用压缩产生的map中间结果本地磁盘读写的数据量对比：

map中间结果不压缩：

map中间结果压缩：

可以看出，同样的job，同样的数据，在采用压缩的情况下，map中间结果能缩小将近10倍，如果map的瓶颈在磁盘，那么job的性能提升将会非常可观。

当采用map中间结果压缩的情况下，用户还可以选择压缩时采用哪种压缩格式进行压缩，现在hadoop支持的压缩格式 有：GzipCodec，LzoCodec，BZip2Codec，LzmaCodec等压缩格式。通常来说，想要达到比较平衡的cpu和磁盘压缩 比，LzoCodec比较适合。但也要取决于job的具体情况。用户若想要自行选择中间结果的压缩算法，可以设置配置参数：mapred.map.output.compression.codec=org.apache.hadoop.io.compress.DefaultCodec或者其他用户自行选择的压缩方式。

1.2 Map side相关参数调优

选项	类型	默认值	描述
io.sort.mb	int	100	缓存map中间结果的buffer大小(in MB)
io.sort.record.percent	float	0.05	io.sort.mb中用来保存map output记录边界的百分比，其他缓存用来保存数据
io.sort.spill.percent	float	0.80	map开始做spill操作的阈值
io.sort.factor	int	10	做merge操作时同时操作的stream数上限。
min.num.spill.for.combine	int	3	combiner函数运行的最小spill数
mapred.compress.map.output	boolean	false	map中间结果是否采用压缩
mapred.map.output.compression.codec	class name	org.apache.hadoop.io. compress.DefaultCodec	map中间结果的压缩格式

2 Reduce side tuning参数

2.1 ReduceTask运行内部原理

reduce的运行是分成三个阶段的。分别为copy->sort->reduce。由于job的每一个map都会根据 reduce(n)数将数据分成map 输出结果分成n个partition，所以map的中间结果中是有可能包含每一个reduce需要处理的部分数据的。所以，为了优化reduce的执行时 间，hadoop中是等job的第一个map结束后，所有的reduce就开始尝试从完成的map中下载该reduce对应的partition部分数 据。这个过程就是通常所说的shuffle，也就是copy过程。

Reduce task在做shuffle时，实际上就是从不同的已经完成的map上去下载属于自己这个reduce的部分数据，由于map通常有许多个，所以对一个reduce来说，下载也可以是并行的从多个map下载，这个并行度是可以调整的，调整参数为：mapred.reduce.parallel.copies（default 5）。默认情况下，每个只会有5个并行的下载线程在从map下数据，如果一个时间段内job完成的map有100个或者更多，那么reduce也最多只能 同时下载5个map的数据，所以这个参数比较适合map很多并且完成的比较快的job的情况下调大，有利于reduce更快的获取属于自己部分的数据。

reduce的每一个下载线程在下载某个map数据的时候，有可能因为那个map中间结果所在机器发生错误，或者中间结果的文件丢失，或者网络瞬断 等等情况，这样reduce的下载就有可能失败，所以reduce的下载线程并不会无休止的等待下去，当一定时间后下载仍然失败，那么下载线程就会放弃这 次下载，并在随后尝试从另外的地方下载（因为这段时间map可能重跑）。所以reduce下载线程的这个最大的下载时间段是可以调整的，调整参数为：mapred.reduce.copy.backoff（default 300秒）。如果集群环境的网络本身是瓶颈，那么用户可以通过调大这个参数来避免reduce下载线程被误判为失败的情况。不过在网络环境比较好的情况下，没有必要调整。通常来说专业的集群网络不应该有太大问题，所以这个参数需要调整的情况不多。

Reduce将map结果下载到本地时，同样也是需要进行merge的，所以io.sort.factor的配置选项同样会影响reduce进行 merge时的行为，该参数的详细介绍上文已经提到，当发现reduce在shuffle阶段iowait非常的高的时候，就有可能通过调大这个参数来加 大一次merge时的并发吞吐，优化reduce效率。

Reduce在shuffle阶段对下载来的map数据，并不是立刻就写入磁盘的，而是会先缓存在内存中，然后当使用内存达到一定量的时候才刷入磁盘。这个内存大小的控制就不像map一样可以通过io.sort.mb来设定了，而是通过另外一个参数来设置：mapred.job.shuffle.input.buffer.percent（default 0.7），这个参数其实是一个百分比，意思是说，shuffile在reduce内存中的数据最多使用内存量为：0.7 × maxHeap of reduce task。也就是说，如果该reduce task的最大heap使用量（通常通过mapred.child.java.opts来设置，比如设置为-Xmx1024m）的一定比例用来缓存数据。 默认情况下，reduce会使用其heapsize的70%来在内存中缓存数据。如果reduce的heap由于业务原因调整的比较大，相应的缓存大小也 会变大，这也是为什么reduce用来做缓存的参数是一个百分比，而不是一个固定的值了。

假设mapred.job.shuffle.input.buffer.percent为0.7，reduce task的max heapsize为1G，那么用来做下载数据缓存的内存就为大概700MB左右，这700M的内存，跟map端一样，也不是要等到全部写满才会往磁盘刷 的，而是当这700M中被使用到了一定的限度（通常是一个百分比），就会开始往磁盘刷。这个限度阈值也是可以通过job参数来设定的，设定参数为：mapred.job.shuffle.merge.percent（default 0.66）。如果下载速度很快，很容易就把内存缓存撑大，那么调整一下这个参数有可能会对reduce的性能有所帮助。

当reduce将所有的map上对应自己partition的数据下载完成后，就会开始真正的reduce计算阶段（中间有个sort阶段通常时间 非常短，几秒钟就完成了，因为整个下载阶段就已经是边下载边sort，然后边merge的）。当reduce task真正进入reduce函数的计算阶段的时候，有一个参数也是可以调整reduce的计算行为。也就是：mapred.job.reduce.input.buffer.percent（default 0.0）。由于reduce计算时肯定也是需要消耗内存的，而在读取reduce需要的数据时，同样是需要内存作为buffer，这个参数是控制，需要多 少的内存百分比来作为reduce读已经sort好的数据的buffer百分比。默认情况下为0，也就是说，默认情况下，reduce是全部从磁盘开始读 处理数据。如果这个参数大于0，那么就会有一定量的数据被缓存在内存并输送给reduce，当reduce计算逻辑消耗内存很小时，可以分一部分内存用来 缓存数据，反正reduce的内存闲着也是闲着。

2.2 Reduce side相关参数调优

选项	类型	默认值	描述
mapred.reduce.parallel.copies	int	5	每个reduce并行下载map结果的最大线程数
mapred.reduce.copy.backoff	int	300	reduce下载线程最大等待时间（in sec）
io.sort.factor	int	10	同上
mapred.job.shuffle.input.buffer.percent	float	0.7	用来缓存shuffle数据的reduce task heap百分比
mapred.job.shuffle.merge.percent	float	0.66	缓存的内存中多少百分比后开始做merge操作
mapred.job.reduce.input.buffer.percent	float	0.0	sort完成后reduce计算阶段用来缓存数据的百分比