Spark Core-shuffle

码农大腿哥 2021-03-15

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前言：

shuffle作为分布式计算引擎的难点，始终是绕不过去的坎

Spark shuffle和Map Reduce shuffle有着异曲同工之妙，它们作用一致，只是具体的实现细节上略有不同

本篇目标：

1.掌握shuffle的执行过程

2.理解一种shuffle优化机制-bypass

Spark shuffle介绍

我们知道Spark是基于RDD进行计算的，RDD里有分区。一般情况下，前后两个RDD的分区数据是一对一进行变换，也就是发生窄依赖

如果前一个RDD的分区数据被下游RDD多个分区共享，发生宽依赖，这个过程就叫做shuffle

1.ShuffleManager

在Spark中负责shuffle过程的执行、计算和处理的主要组件是ShuffleManager，即shuffle管理器

Spark曾经有两种shuffle机制，也就是有两个ShuffleManager的实现类：

hashShuffleManager
sortShuffleManager

主要区别是前者在shuffle的过程中会生成大量溢写文件，小文件过多会影响性能

而sortShuffleManager溢写后会将所有溢写文件合并成一个磁盘文件，这样下游的Task读取文件时，只要读取一个文件就可以了

由于hashShuffleManager已经被淘汰了，就不详细说了。本篇主要介绍sortShuffleManager模式的shuffle执行机制

2.sortShuffleManager

sortShuffleManager中有个方法getWriter()，该方法中会通过匹配创建不同的Writer写对象

UnsafeShuffleWriter
BypassMergeSortShuffleWriter
SortShuffleWriter

在不同的情况下，会创建不同的Writer

1）UnsafeShuffleWriter

不能使用有预聚合功能的算子；

序列化规则支持重定位操作（KRYO支持）;

shuffle下游的分区数量小于或等于16777216；

2）BypassMergeSortShuffleWriter

不能使用有预聚合功能的算子；

shuffle下游的分区数量小于等于200（可配）；

3）SortShuffleWriter

其它情况下创建SortShuffleWriter

本篇主要介绍使用SortShuffleWriter写数据的机制

shuffle过程

Spark的过程可以分成两个部分，shuffle write和shuffle read。也就是前一个Shuffle Map Task写数据和后一个Result Task读数据的过程

1.shuffle Write

1）数据写入内存

数据先读取到内存中，根据shuffle算子种类的不同，采用不同的数据结构

聚合类算子：如reduceByKey，这种情况会采用Map数据结构，一边聚合一边写内存

普通算子：如join，这种情况会采用ArrayList结构，数据直接写入内存

2）排序-溢写磁盘

发生shuffle后，后一个分区要等前一个分区数据处理完毕后才能执行。那么前一个RDD的结果就要保存下来，如果数据都放在内存，内存肯定不够使

所以内存中的数据要落盘，并且shuffle的数据一定会落盘。Spark写入磁盘文件是存放在本地磁盘的，而不是HDFS

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

每写入一条数据就会判断是否达到临界值，达到了就将内存中的数据溢到磁盘，最后清空内存数据

3）排序-合并磁盘文件

溢写到磁盘的临时文件会有多个，溢写完成后，每个Task会将所有磁盘文件合并在一起（如果内存够，就不会产生临时磁盘文件，直接将内存中的数据进行合并）

同时，生成一个index文件，记录了每个分区的索引、start offset和end offset

合并数据时对数据进行排序，采用的是归并排序算法

最终的结果是每个Executor产生一个磁盘文件，下游的Task根据index文件读取相应的分区数据

2.shuffle read

SortShuffleWriter中有个getWriter()方法，获取到BlockStoreShuffleReader读对象执行read()方法开始读取数据

1）获取磁盘位置信息

Map task 执行完毕后会将计算状态以及磁盘小文件位置等信息封装到MapStatus对象中，然后发送给Driver进程

Result Task通过请求 Driver 端的 MapOutputTrackerMaster 询问输出的数据位置

当所有的Map task执行完毕后，Result Task就掌握了所有的磁盘小文件的位置信息

2）拉取数据

当所有ShuffleMapTasks结束后开始拉取数据，Result Task默认启动5个子线程去拉取数据

刚获取来的FileSegment存放在softBuffer内存缓冲区，由于缓冲区默认48MB，所以一次拉取的数据量不能太大

如果内存空间不足时，将 records 进行 sort 后 spill（溢出）到磁盘上，等到需要它们的时候再进行归并

3）aggregate

数据可以一边拉取一边进行聚合处理，因为Spark shuffle不需要全局有序

Spark采用的是Map数据结构，每次拉取出来的数据就直接放入HashMap里。如果已经存在响应的Key，那么就可以直接进行aggregate

等到所有的records都进入Map结构，就得到最后的结果

BypassSortShuffle

bypass是Spark的一种优化机制，其优化的主要原理是：不会进行排序

bypass运行机制的触发条件如下：

shuffle Result Task的数量小于默认值200
不是聚合类的shuffle算子

在bypass机制下，数据从内存溢写出来后也是要写入临时磁盘文件

但是数据是按每个分区创建一个文件，然后将所有分区文件合并，创建一个单独的索引文件

在上面的shuffle write过程中，没有进行排序操作，也就节省了这部分的性能开销

你学废了吗？

— END —

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