spark基本概念及入门

spark

spark背景

什么是spark

Spark是一种快速、通用、可扩展的大数据分析引擎，2009年诞生于加州大学伯克利分校AMPLab，2010年开源，2013年6月成为Apache孵化项目，2014年2月成为Apache顶级项目。目前，Spark生态系统已经发展成为一个包含多个子项目的集合，其中包含SparkSQL、Spark Streaming、GraphX、MLlib等子项目，Spark是基于内存计算的大数据并行计算框架。Spark基于内存计算，提高了在大数据环境下数据处理的实时性，同时保证了高容错性和高可伸缩性，允许用户将Spark部署在大量廉价硬件之上，形成集群。

Spark与Hadoop

Spark是一个计算框架,而Hadoop中包含计算框架MapReduce和分布式文件系统HDFS,Hadoop更广泛地说还包括在其生态系统上的其他系统.

为什么使用Spark?

Hadoop的MapReduce计算模型存在问题:

Hadoop的MapReduce的核心是Shuffle(洗牌).在整个Shuffle的过程中,至少产生6次I/O流.基于MapReduce计算引擎通常会将结果输出到次盘上,进行存储和容错.另外,当一些查询(如:hive)翻译到MapReduce任务是,往往会产生多个Stage,而这些Stage有依赖底层文件系统来存储每一个Stage的输出结果,而I/O的效率往往较低,从而影响MapReduce的运行速度.

Spark的特点: 快, 易用, 通用,兼容性

• 快：与Hadoop的MapReduce相比，Spark基于内存的运算要快100倍以上，基于硬盘的运算也要快10倍以上。Spark实现了高效的DAG执行引擎，可以通过基于内存来高效处理数据流。
• 易用：Spark支持Java、Python和Scala的API，还支持超过80种高级算法，使用户可以快速构建不同的应用。而且Spark支持交互式的Python和Scala的shell，可以非常方便地在这些shell中使用Spark集群来验证解决问题的方法。
• 通用：Spark提供了统一的解决方案。Spark可以用于批处理、交互式查询（Spark SQL）、实时流处理（Spark Streaming）、机器学习（Spark MLlib）和图计算（GraphX）。这些不同类型的处理都可以在同一个应用中无缝使用。Spark统一的解决方案非常具有吸引力，毕竟任何公司都想用统一的平台去处理遇到的问题，减少开发和维护的人力成本和部署平台的物力成本。
• 兼容性：Spark 可以非常方便地与其他的开源产品进行融合。比如，Spark 可以使用Hadoop 的 YARN 和 Apache Mesos 作为它的资源管理和调度器.并且可以处理所有 Hadoop 支持的数据，包括 HDFS、HBase 和 Cassandra 等。这对于已经部署Hadoop 集群的用户特别重要，因为不需要做任何数据迁移就可以使用 Spark 的强大处理能力。Spark 也可以不依赖于第三方的资源管理和调度器，它实现了Standalone 作为其内置的资源管理和调度框架，这样进一步降低了 Spark 的使用门槛，使得所有人都可以非常容易地部署和使用 Spark。此外，Spark 还提供了在EC2 上部Standalone 的 Spark 集群的工具。

Spark的生态系统

• 1.Spark Streaming:
  
  Spark Streaming基于微批量方式的计算和处理,可以用于处理实时的流数据.它使用DStream,简单来说是一个弹性分布式数据集(RDD)系列,处理实时数据.数据可以从Kafka,Flume,Kinesis或TCP套接字等众多来源获取,并且可以使用由高级函数（如 map，reduce，join 和 window）开发的复杂算法进行流数据处理。最后，处理后的数据可以被推送到文件系统，数据库和实时仪表板。
• 2.Spark SQL
  
  SPark SQL可以通过JDBC API将Spark数据集暴露出去,而且还可以用传统的BI和可视化工具在Spark数据上执行类似SQL的查询,用户哈可以用Spark SQL对不同格式的数据(如Json, Parque以及数据库等)执行ETl,将其转化,然后暴露特定的查询.
• 3.Spark MLlib
  
  MLlib是一个可扩展的Spark机器学习库，由通用的学习算法和工具组成，包括二元分类、线性回归、聚类、协同过滤、梯度下降以及底层优化原语。
• 4.Spark Graphx:
  
  GraphX是用于图计算和并行图计算的新的（alpha）Spark API。通过引入弹性分布式属性图（Resilient Distributed Property Graph），一种顶点和边都带有属性的有向多重图，扩展了Spark RDD。为了支持图计算，GraphX暴露了一个基础操作符集合（如subgraph，joinVertices和aggregateMessages）和一个经过优化的Pregel API变体。此外，GraphX还包括一个持续增长的用于简化图分析任务的图算法和构建器集合。
• 5.Tachyon
  
  Tachyon是一个以内存为中心的分布式文件系统,能够提供内存级别速度的跨集群框架(如Spark和mapReduce)的可信文件共享.它将工作集文件缓存在内存中,从而避免到磁盘中加载需要经常读取的数据集,通过这一机制,不同的作业/查询和框架可以内存级的速度访问缓存文件.
  
  此外，还有一些用于与其他产品集成的适配器，如Cassandra（Spark Cassandra 连接器）和R（SparkR）。Cassandra Connector可用于访问存储在Cassandra数据库中的数据并在这些数据上执行数据分析。
• 6.Mesos
  
  Mesos是一个资源管理框架
  
  提供类似于YARN的功能
  
  用户可以在其中插件式地运行Spark,MapReduce,Tez等计算框架任务
  
  Mesos对资源和任务进行隔离,并实现高效的资源任务调度
• 7.BlinkDB
  
  BlinkDB是一个用于在海量数据上进行交互式SQL的近似查询引擎
  
  允许用户通过查询准确性和查询时间之间做出权衡,完成近似查询
  
  核心思想:通过一个自适应优化框架,随着时间的推移,从原始数据建立并维护一组多维样本,通过一个动态样本选择策略,选择一个适当大小的示例,然后基于查询的准确性和响应时间满足用户查询需求

除了这些库意外,还有一些其他的库,如Blink和Tachyon.

BlinkDB是一个近似查询 引擎,用于海量数据执行交互式SQL查询.BlinkDB可以通过牺牲数据精度来提升查询响应时间.通过在数据样本上执行查询并展示包含有意义的错误线注解的结果,操作大数据集合.

Spark架构采用了分布式计算中的Master-Slave模型。Master是对应集群中的含有Master进程的节点，Slave是集群中含有Worker进程的节点。Master作为整个集群的控制器，负责整个集群的正常运行；Worker相当于是计算节点，接收主节点命令与进行状态汇报；Executor负责任务的执行；Client作为用户的客户端负责提交应用，Driver负责控制一个应用的执行.

Spark集群部署后,需要在主节点和从节点分别启动master进程和Worker进程,对整个集群进行控制.在一个Spark应用的执行程序中.Driver和Worker是两个重要的角色.Driver程序是应用逻辑执行的起点，负责作业的调度,即Task任务的发布,而多个Worker用来管理计算节点和创建Executor并行处理任务.在执行阶段,Driver会将Task和Task所依赖的file和jar序列化后传递给对应的Worker机器.同时Executor对相应数据分区的任务进行处理.

Sparkde架构中的基本组件:

• ClusterManager:在standlone模式中即为Master(主节点),控制整个集群.监控Worker.在Yarn模式中为资源管理器.
• Worker:从节点,负责控制计算节点,启动Ex而粗投入或Driver
• NodeManager:负责计算节点的控制。
• Driver:运行Application的main() 函数并创建SparkContext
• Executor: 执行器,在worker node上执行任务组件,用于启动线程执行任务.每个Application拥有独立的一组Executors
• SparkContext: 整个应用的上下文,监控应用的生命周期
• RDD:弹性分布式集合,spark的基本计算单元，一组RDD可形成执行的有向无环图RDD Graph
• DAG Scheduler: 根据作业(Job)构建基于Stage的DAG,并交给Stage给TaskScheduler
• TaskScheduler：将任务（Task）分发给Executor执行
• SparkEnv：线程级别的上下文，存储运行时的重要组件的引用。SparkEnv内创建并包含如下一些重要组件的引用。
• MapOutPutTracker：负责Shuffle元信息的存储。
• BroadcastManager：负责广播变量的控制与元信息的存储。
• BlockManager：负责存储管理、创建和查找块。
• MetricsSystem：监控运行时性能指标信息。
• SparkConf：负责存储配置信息。
• Spark的整体流程:client提交应用,Master找到一个Worker启动Driver,Driver向Master或者向资源管理器申请资源,之后将应用转化为RDD Graph，再由DAGScheduler将RDD Graph转化为Stage的有向无环图提交给TaskScheduler，由TaskScheduler提交任务给Executor执行。在任务执行的过程中，其他组件协同工作，确保整个应用顺利执行。

搭建spark集群

安装java环境,spark自动会把scala SDK打包到spark中无需安装scala环境

配置spark

$ cp $SPARK_HOME/conf/spark-env.sh.template spark-env.sh
$ vim $SPARK_HOME/conf/spark-env.sh

添加
export JAVA_HOME=/usr/java/jdk1.8.0_191

#export SPARK_MASTER_IP=node-1
#export SPARK_MASTER_PORT=7077

$ cp $SPARK_HOME/conf/slaves.template slaves

$ vi slaves
# 在该文件中添加子节点所在的位置（Worker节点）
node-2
node-3
node-4

启动spark集群

$SPARK_HOME/sbin/start-master.sh

$SPARK_HOME/sbin/start-slaves.sh

启动后执行jps命令，主节点上有Master进程，其他子节点上有Work进行，登录Spark管理界面查看集群状态（主节点）：http://node-1:8080/

到此为止，Spark集群安装完毕，但是有一个很大的问题，那就是Master节点存在单点故障，要解决此问题，就要借助zookeeper，并且启动至少两个Master节点来实现高可靠，配置方式比较简单：

Spark集群规划：node-1，node-2是Master；node-3，node-4，node-5是Worker

安装配置zk集群，并启动zk集群

停止spark所有服务，修改配置文件spark-env.sh，在该配置文件中删掉SPARK_MASTER_IP并添加如下配置

export SPARK_DAEMON_JAVA_OPTS="-Dspark.deploy.recoveryMode=ZOOKEEPER -Dspark.deploy.zookeeper.url=zk1,zk2,zk3 -Dspark.deploy.zookeeper.dir=/spark"

1.在node1节点上修改slaves配置文件内容指定worker节点

2.在node1上执行$SPARK_HOME/sbin/start-all.sh，然后在node2上执行$SPARK_HOME/sbin/start-master.sh启动第二个Master

执行第一个spark程序

$SPARK_HOME/bin/spark-submit --class org.apache.spark.examples.SparkPi --master spark://localhost:7077 --executor-memory 1G --total-executor-cores 1 $SPARK_HOME/examples/jars/spark-examples_2.11-2.2.2.jar 100

spark Shell

spark-shell是Spark自带的交互式Shell程序，方便用户进行交互式编程，用户可以在该命令行下用scala编写spark程序。

$SPARK_HOME/bin/spark-shell \

--master spark://localhost:7077 \

--executor-memory 2g \

--total-executor-cores 2

参数说明：

--master spark://localhost:7077 指定Master的地址

--executor-memory 2g 指定每个worker可用内存为2G

--total-executor-cores 2 指定整个集群使用的cup核数为2个

注意：

如果启动spark shell时没有指定master地址，但是也可以正常启动spark shell和执行spark shell中的程序，其实是启动了spark的local模式，该模式仅在本机启动一个进程，没有与集群建立联系。Spark Shell中已经默认将SparkContext类初始化为对象sc。用户代码如果需要用到，则直接应用sc即可

spark shell中编写WordCount

在spark shell中用scala语言编写spark程序

sc.textFile("file:///root/tmp/words.dta").flatMap(_.split(" ")).map((_,1)).reduceByKey(_+_).saveAsTextFile("file:///root/tmp/out")

说明：

sc是SparkContext对象，该对象时提交spark程序的入口

textFile("file:///root/tmp/words.dta") 从本地文件中读取数据

flatMap(_.split(" ")) 先map在压平

map((_,1)) 将单词和1构成元组

reduceByKey(+) 按照key进行reduce，并将value累加

saveAsTextFile("file:///root/tmp/out") 将结果写入到指定位置

spark RDD

RDD概述

什么是RDD

RDD（Resilient Distributed Dataset）叫做分布式数据集，是Spark中最基本的数据抽象，它代表一个不可变、可分区、里面的元素可并行计算的集合。RDD具有数据流模型的特点：自动容错、位置感知性调度和可伸缩性。RDD允许用户在执行多个查询时显式地将工作集缓存在内存中，后续的查询能够重用工作集，这极大地提升了查询速度。

RDD的属性

• 一组分片（Partition），即数据集的基本组成单位。对于RDD来说，每个分片都会被一个计算任务处理，并决定并行计算的粒度。用户可以在创建RDD时指定RDD的分片个数，如果没有指定，那么就会采用默认值。默认值就是程序所分配到的CPU Core的数目。

• 一个计算每个分区的函数。Spark中RDD的计算是以分片为单位的，每个RDD都会实现compute函数以达到这个目的。compute函数会对迭代器进行复合，不需要保存每次计算的结果。

• RDD之间的依赖关系。RDD的每次转换都会生成一个新的RDD，所以RDD之间就会形成类似于流水线一样的前后依赖关系。在部分分区数据丢失时，Spark可以通过这个依赖关系重新计算丢失的分区数据，而不是对RDD的所有分区进行重新计算。

• 一个Partitioner，即RDD的分片函数。当前Spark中实现了两种类型的分片函数，一个是基于哈希的HashPartitioner，另外一个是基于范围的RangePartitioner。只有对于于key-value的RDD，才会有Partitioner，非key-value的RDD的Parititioner的值是None。Partitioner函数不但决定了RDD本身的分片数量，也决定了parent RDD Shuffle输出时的分片数量。

• 一个列表，存储存取每个Partition的优先位置（preferred location）。对于一个HDFS文件来说，这个列表保存的就是每个Partition所在的块的位置。按照“移动数据不如移动计算”的理念，Spark在进行任务调度的时候，会尽可能地将计算任务分配到其所要处理数据块的存储位置。

创建RDD

• 由一个已经存在的Scala集合创建。

val rdd1 = sc.parallelize(Array(1,2,3,4,5,6,7,8))

• 由外部存储系统的数据集创建，包括本地的文件系统，还有所有Hadoop支持的数据集，比如HDFS、Cassandra、HBase等

val rdd2 = sc.textFile("hdfs://localhost:9000/wc/words.txt")

RDD编程模型

Transformation

RDD中的所有转换都是延迟加载的，也就是说，它们并不会直接计算结果。相反的，它们只是记住这些应用到基础数据集（例如一个文件）上的转换动作。只有当发生一个要求返回结果给Driver的动作时，这些转换才会真正运行。这种设计让Spark更加有效率地运行。

常用的Transformation：

转换	含义
map(func)	返回一个新的RDD，该RDD由每一个输入元素经过func函数转换后组成
filter(func)	返回一个新的RDD，该RDD由经过func函数计算后返回值为true的输入元素组成
flatMap(func)	类似于map，但是每一个输入元素可以被映射为0或多个输出元素（所以func应该返回一个序列，而不是单一元素）
mapPartitions(func)	类似于map，但独立地在RDD的每一个分片上运行，因此在类型为T的RDD上运行时，func的函数类型必须是Iterator[T] => Iterator[U]
mapPartitionsWithIndex(func)	类似于mapPartitions，但func带有一个整数参数表示分片的索引值，因此在类型为T的RDD上运行时，func的函数类型必须是 (Int, Interator[T]) => Iterator[U]
sample(withReplacement, fraction, seed)	根据fraction指定的比例对数据进行采样，可以选择是否使用随机数进行替换，seed用于指定随机数生成器种子
union(otherDataset)	对源RDD和参数RDD求并集后返回一个新的RDD
intersection(otherDataset)	对源RDD和参数RDD求交集后返回一个新的RDD
distinct([numTasks]))	对源RDD进行去重后返回一个新的RDD
groupByKey([numTasks])	在一个(K,V)的RDD上调用，返回一个(K, Iterator[V])的RDD
reduceByKey(func, [numTasks])	在一个(K,V)的RDD上调用，返回一个(K,V)的RDD，使用指定的reduce函数，将相同key的值聚合到一起，与groupByKey类似，reduce任务的个数可以通过第二个可选的参数来设置
aggregateByKey(zeroValue)(seqOp, combOp, [numTasks])
sortByKey([ascending], [numTasks])	在一个(K,V)的RDD上调用，K必须实现Ordered接口，返回一个按照key进行排序的(K,V)的RDD
sortBy(func,[ascending], [numTasks])	与sortByKey类似，但是更灵活
join(otherDataset, [numTasks])	在类型为(K,V)和(K,W)的RDD上调用，返回一个相同key对应的所有元素对在一起的(K,(V,W))的RDD
cogroup(otherDataset, [numTasks])	在类型为(K,V)和(K,W)的RDD上调用，返回一个(K,(Iterable,Iterable))类型的RDD
cartesian(otherDataset)	笛卡尔积
pipe(command, [envVars])
coalesce(numPartitions)
repartition(numPartitions)
repartitionAndSortWithinPartitions(partitioner)

Action

动作	含义
reduce(func)	通过func函数聚集RDD中的所有元素，这个功能必须是课交换且可并联的
collect()	在驱动程序中，以数组的形式返回数据集的所有元素
count()	返回RDD的元素个数
first()	返回RDD的第一个元素（类似于take(1)）
take(n)	返回一个由数据集的前n个元素组成的数组
takeSample(withReplacement,num, [seed])	返回一个数组，该数组由从数据集中随机采样的num个元素组成，可以选择是否用随机数替换不足的部分，seed用于指定随机数生成器种子
takeOrdered(n, [ordering])
saveAsTextFile(path)	将数据集的元素以textfile的形式保存到HDFS文件系统或者其他支持的文件系统，对于每个元素，Spark将会调用toString方法，将它装换为文件中的文本
saveAsSequenceFile(path)	将数据集中的元素以Hadoop sequencefile的格式保存到指定的目录下，可以使HDFS或者其他Hadoop支持的文件系统。
saveAsObjectFile(path)
countByKey()	针对(K,V)类型的RDD，返回一个(K,Int)的map，表示每一个key对应的元素个数。
foreach(func)	在数据集的每一个元素上，运行函数func进行更新。

RDD的依赖关系

RDD和它依赖的父RDD（s）的关系有两种不同的类型，即窄依赖（narrow dependency）和宽依赖（wide dependency）。

shuffle重要的依据：父RDD的一个分区的数据，要给子RDD的多个分区

窄依赖

窄依赖指的是每一个父RDD的Partition最多被子RDD的一个Partition使用

总结：窄依赖我们形象的比喻为独生子女

宽依赖

宽依赖指的是多个子RDD的Partition会依赖同一个父RDD的Partition

总结：窄依赖我们形象的比喻为超生

Lineage

RDD只支持粗粒度转换，即在大量记录上执行的单个操作。将创建RDD的一系列Lineage（即血统）记录下来，以便恢复丢失的分区。RDD的Lineage会记录RDD的元数据信息和转换行为，当该RDD的部分分区数据丢失时，它可以根据这些信息来重新运算和恢复丢失的数据分区。

RDD的缓存

RDD通过persist方法或cache方法可以将前面的计算结果缓存，但是并不是这两个方法被调用时立即缓存，而是触发后面的action时，该RDD将会被缓存在计算节点的内存中，并供后面重用。

cache最终也是调用了persist方法，默认的存储级别都是仅在内存存储一份，Spark的存储级别还有好多种，存储级别在object StorageLevel中定义的。