Spark Streaming反压机制

反压(Back Pressure)机制主要用来解决流处理系统中，处理速度比摄入速度慢的情况。是控制流处理中批次流量过载的有效手段。

1 反压机制原理

Spark Streaming中的反压机制是Spark 1.5.0推出的新特性，可以根据处理效率动态调整摄入速率。

1.1 反压定义

当批处理时间(Batch Processing Time)大于批次间隔(Batch Interval，即 BatchDuration)时,说明处理数据的速度小于数据摄入的速度，持续时间过长或源头数据暴增，容易造成数据在内存中堆积，最终导致Executor OOM或任务奔溃。

1.2 反压的数据源方式及限流处理

spark streaming的数据源方式有两种：

1. 若是基于Receiver的数据源，可以通过设置spark.streaming.receiver.maxRate来控制最大输入速率；
2. 若是基于Direct的数据源(如Kafka Direct Stream)，则可以通过设置spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition来控制最大输入速率。

当然，在事先经过压测，且流量高峰不会超过预期的情况下，设置这些参数一般没什么问题。但最大值，不代表是最优值，最好还能根据每个批次处理情况来动态预估下个批次最优速率。

在Spark 1.5.0以上，就可通过背压机制来实现。开启反压机制，即设置spark.streaming.backpressure.enabled为true，Spark Streaming会自动根据处理能力来调整输入速率，从而在流量高峰时仍能保证最大的吞吐和性能。

1.3 反压的实现原理

Spark Streaming的反压机制中，有以下几个重要的组件：

• RateController
• RateEstimator
• RateLimiter

主要是通过RateController组件来实现。RateController继承自接口StreamingListener,并实现了onBatchCompleted方法。每一个Batch处理完成后都会调用此方法,具体如下:

 override def onBatchCompleted(batchCompleted: StreamingListenerBatchCompleted) {
    val elements = batchCompleted.batchInfo.streamIdToInputInfo

    for {
      // 处理结束时间
      processingEnd <- batchCompleted.batchInfo.processingEndTime
      // 处理时间,即`processingEndTime` - `processingStartTime`
      workDelay <- batchCompleted.batchInfo.processingDelay
      // 在调度队列中的等待时间,即`processingStartTime` - `submissionTime`
      waitDelay <- batchCompleted.batchInfo.schedulingDelay
      // 当前批次处理的记录数
      elems <- elements.get(streamUID).map(_.numRecords)
    } computeAndPublish(processingEnd, elems, workDelay, waitDelay)
  }

可以看到，接着又调用的是computeAndPublish方法，如下:

private def computeAndPublish(time: Long, elems: Long, workDelay: Long, waitDelay: Long): Unit =
    Future[Unit] {
      // 根据处理时间、调度时间、当前Batch记录数，预估新速率
      val newRate = rateEstimator.compute(time, elems, workDelay, waitDelay)
      newRate.foreach { s =>
      // 设置新速率
        rateLimit.set(s.toLong)
      // 发布新速率
        publish(getLatestRate())
      }
    }

更深一层，具体调用的是rateEstimator.compute方法来预估新速率，

def compute(
      time: Long,
      elements: Long,
      processingDelay: Long,
      schedulingDelay: Long): Option[Double]

RateEstimator是速率估算器，主要用来估算最大处理速率，默认的在2.2之前版本中只支持PIDRateEstimator，在以后的版本可能会支持使用其他插件，其源码如下：

  def create(conf: SparkConf, batchInterval: Duration): RateEstimator =
    conf.get("spark.streaming.backpressure.rateEstimator", "pid") match {
      case "pid" =>
        val proportional = conf.getDouble("spark.streaming.backpressure.pid.proportional", 1.0)
        val integral = conf.getDouble("spark.streaming.backpressure.pid.integral", 0.2)
        val derived = conf.getDouble("spark.streaming.backpressure.pid.derived", 0.0)
        val minRate = conf.getDouble("spark.streaming.backpressure.pid.minRate", 100)
        new PIDRateEstimator(batchInterval.milliseconds, proportional, integral, derived, minRate)
    //默认的只支持pid，其他的配置抛出异常
      case estimator =>
        throw new IllegalArgumentException(s"Unknown rate estimator: $estimator")
    }

以上这两个组件都是在Driver端用于更新最大速度的，而RateLimiter是用于接收到Driver的更新通知之后更新Executor的最大处理速率的组件。RateLimiter是一个抽象类，它并不是Spark本身实现的，而是借助了第三方Google的GuavaRateLimiter来产生的。

它实质上是一个限流器，也可以叫做令牌，如果Executor中task每秒计算的速度大于该值则阻塞，如果小于该值则通过，将流数据加入缓存中进行计算。这种机制也可以叫做令牌桶机制，图示如下：

接收到的newRate进行比较，取两者中的最小值来作为最大处理速率，如果没有设置，直接设置为newRate。源码如下：

private[receiver] def updateRate(newRate: Long): Unit =
    if (newRate > 0) {
      if (maxRateLimit > 0) {
        //如果设置了maxRateLimit则取两者中的最小值
        rateLimiter.setRate(newRate.min(maxRateLimit))
      } else {
        rateLimiter.setRate(newRate)
      }
    }

spark 1.5引入的反压机制架构图如下：

2. 反压机制相关参数

参数名称	默认值	说明
spark.streaming.backpressure.enabled	false	是否启用反压机制
spark.streaming.backpressure.initialRate	无	初始最大接收速率。只适用于Receiver Stream，不适用于Direct Stream。
spark.streaming.backpressure.rateEstimator	pid	速率控制器,Spark 默认只支持此控制器，可自定义。
spark.streaming.backpressure.pid.proportional	1.0	只能为非负值。当前速率与最后一批速率之间的差值对总控制信号贡献的权重。用默认值即可。
spark.streaming.backpressure.pid.integral	0.2	只能为非负值。比例误差累积对总控制信号贡献的权重。用默认值即可
spark.streaming.backpressure.pid.derived	0	只能为非负值。比例误差变化对总控制信号贡献的权重。用默认值即可
spark.streaming.backpressure.pid.minRate	100	只能为正数，最小速率

3. 反压机制的使用

//启用反压
conf.set("spark.streaming.backpressure.enabled","true")
//最小摄入条数控制
conf.set("spark.streaming.backpressure.pid.minRate","1")
//最大摄入条数控制
conf.set("spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition","12")

注意:

1. 反压机制真正起作用时需要至少处理一个批：由于反压机制需要根据当前批的速率，预估新批的速率，所以反压机制真正起作用前，应至少保证处理一个批。
2. 如何保证反压机制真正起作用前应用不会崩溃：要保证反压机制真正起作用前应用不会崩溃,需要控制每个批次最大摄入速率。若为Direct Stream，如Kafka Direct Stream,则可以通过spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition参数来控制。此参数代表了 每秒每个分区最大摄入的数据条数。假设BatchDuration为10秒,spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition为12条,kafka topic 分区数为3个，则一个批(Batch)最大读取的数据条数为360条(3*12*10=360)。同时，需要注意，该参数也代表了整个应用生命周期中的最大速率，即使是背压调整的最大值也不会超过该参数。

4. 查看日志

创建速率控制器

INFO PIDRateEstimator: Created PIDRateEstimator with proportional = 1.0, integral = 0.2, derivative = 0.0, min rate = 1.0

计算当前批次速率

// records 记录数(对应WebUI: Input Size)
// processing time 处理时间,毫秒(对应WebUI: Processing Time)
// scheduling delay 调度时间,毫秒(对应WebUI: Scheduling Delay)
TRACE PIDRateEstimator:
time = , # records = , processing time = , scheduling delay = 

预估新批次速率

TRACE PIDRateEstimator:
 latestRate = -1.0, error = -2.344305035033404
 latestError = -1.0, historicalError = 0.0010754440280267231
 delaySinceUpdate = 1.558888897225E9, dError = -8.623482003280801E-10

第一次计算跳过速率估计

TRACE PIDRateEstimator: First run, rate estimation skipped

当前批次没有记录或没有延迟则跳过速率估计

TRACE PIDRateEstimator: Rate estimation skipped

以新的预估速率运行

TRACE PIDRateEstimator: New rate = 1.0

WebUI

可以看到,开启反压后，摄入速率Input Rate可以根据处理时间Processing Time来调整，从而保证应用的稳定性。