spark-shuffle分析
前言
shuffle是分布式计算系统中最重要的一部分,spark和mapreduce的shuffle的大体思路类似,在实现上有一些区分。Spark提供了插件式的接口,使用者可以通过继承ShuffleManager来自定义,并通过`spark.shuffle.manager`来声明自定义的ShuffleManager。
shuffle-write
shuffle-write在shuffle中是最重要的,数据存储包括内存和磁盘两部分,数据文件包括数据实体文件和索引文件。整体思路为数据优先存储在内存,如果数据量过大,那么spill到磁盘。spill到磁盘采用了单文件的方式,在一个文件里分为多个段,一个task的shuffle数据输出到文件的一个段,另外再写一个index文件,记录段在文件中的位置信息,所以spark的shuffle过程中在map阶段只会产出两个文件。参考图1,大致描绘出了文件的样子,整个流程可以拆解成3个步骤来看,下面结合代码进行详细分析。
图1
接收shuffle数据
首先shuffleWrite的入口是SortShuffleWriter,这是spark默认的ShuffleWriter实例。每个spark的task都会调用write()方法将shuffle数据传入,其内部再通过委托的方式,代理给ExternalSorter进行真正的处理,这里需要注意的是每次调用都会创建一个新的ExternalSort对象,也就是说ExternalSort这个类在task层面来说是无状态的,所有的状态都存储在文件中,再通过ExternalSort.insertAll()方法将数据记录起来,这其中分为两步,1.首先将数据缓存在内存里;2.检查是否需要将内存中的数据spill到磁盘,这是通过继承Spillable类,调用maybeSpill()方法,思路是比较内存中的数据大小和还能申请到的内存大小。。
如果检查发现需要spill,那么就调用spillMemoryIteratorToDisk()方法,生成一个UUID作为该spill数据的blockId,再通过DiskBlockObjectWriter类将数据写到磁盘。这里对DiskBlockObjectWriter类做下分析,因为这个类很重要,所有spill的数据都是通过这个类落盘的。首先DiskBlockObjectWriter通过实现一套事务的机制来保证写数据没有问题,原理如下,1.定义3个position,分别追踪已经commit成功的数据position,已经度量过的数据position(这个重点是用于统计信息)和正在写的数据position。并通过FileChannel特性来进行position回滚,当写数据出现问题,就truncate到上一次commit成功的position。在落盘之前,spark还会对数据进行排序(如果需要的话),最后通过遍历所有的partition,将每个partition通过DiskBlockObjectWriter写入磁盘,返回一个FileSegment,包含了数据在文件中的position以及长度,partition和FileSegment是一一对应的。
如果不需要spill,那么数据会被临时缓存在内存中,下面分析一下在内存中的数据结构, spark采用了两个容器来分别对待是否需要在map端做合并的数据,如果需要在map端合并,那么使用类`PartitionedAppendOnlyMap`,如果不需要在map端合并,那么使用类`PartitionedPairBuffer`。PartitionedAppendOnlyMap和PartitionedPairBuffer底层都使用了hash表的概念,但是没有用java或者scala的map库,而是自己基于数组实现了一个简易的hash表,通过对key的hash(key由partition+数据的key组成)来决定在数组中的位置,合并后的value存储在key的后一位。这个两个容器的区别在于,需要在map端shuffle合并的value会经常发生更新,而key是固定不变的,这也是为什么没有复用代码的原因,通用的工具在效率上肯定是没有专用的高的。
到这里,SortShuffleWriter.write()中ExternalSorter.insertAll()分析结束。
写shuffle数据到磁盘
下一个重要的方法是SortShuffleWriter.write()中的ExternalSorter.writePartitionedFile(),如果之前有spill的文件,那么会进行合并,合并的对象是spill文件以及在内存中的数据,如果之前没有spill的文件,那么直接将内存中的数据写到文件,这样保证了一个exectuor永远只需要委会一份spill文件。数据文件名格式为shuffleId+MapId+reduceId。注意,这里除了合并数据之外,还会对需要aggregate的数据进行聚合,对需要排序的数据进行排序。合并过程是通过为每个partition生成一个迭代器,然后遍历所有与迭代器,写到新的spill文件中。
写index文件到磁盘
最后一步就是写index文件,参考类`IndexShuffleBlockResolver`,将每个partition的数据长度依次写到index临时文件中,然后进行校验,检查数据文件和index文件中的数据长度是否一致(这里涉及到一个多线程的问题,由于一个executor只维护一份index文件,所以可能有多个task操作同一个index文件,这里采用了synchronized,也就是独占锁)。如果校验成功,那么说明index文件已经被成功更新,那么放弃此次更新,如果不成功,那么说明这是第一次更新成功,把index的临时文件名改为正式的index文件名。临时文件名是在正式文件名加上.uuid后缀。
shuffle-read
说完了shuffle write过程,下面分析一下shuffle read过程。shuffle read从整体看可以分为2大部分,下面基于类`BlockStoreShuffleReader`详细分析。
数据拉取
数据拉取分为两个部分,一个是本地数据拉取,也就是shuffle spill的文件正好和读取的executor位于同一个节点,另一个是远程数据拉取,基于netty获取远程数据。整个过程也是优先内存,然后spill到磁盘的方式。参考`ShuffleBlockFecherIterator`,大致思路是,在初始化的时候先尝试拉一批数据,这样在迭代器遍历的时候(next操作)可以直接返回,如果数据遍历完了,那么再尝试拉一批数据,这种思路可以看做是lazy load的方式。
数据处理
这步的数据输入是上一步拉取到的数据,也就是说数据存在于内存和磁盘。然后和shuffle-write中的接收数据类似,spark通过实现一个容器`ExternalAppendOnlyMap`来缓存拉取到的数据,过程中会对聚合等操作做处理,如果内存空间不足也会spill到磁盘。所以在大数据量的情况下这里真的是瓶颈,需要两个磁盘IO。数据处理完后再通过`ExternalAppendOnlyMap.ExternalIterator`对外提供整合内存和磁盘数据的迭代器,让上层对数据的存储介质不敏感。
配置
key |
默认 |
解释 |
spark.reducer.maxSizeInFlight |
48m |
shuffle-read每次进行数据拉取的数据量上限,如果executor内存充足,可以调大 |
spark.reducer.maxReqsInFlight |
Int.MaxValue |
迭代器中触发next后最多可以请求的次数。一般不做限制 |
spark.reducer.maxBlocksInFlightPerAddress |
Long.MaxValue |
shuffle-read每次请求一个地址时获取最多的block数量。如果block数据很多,可能会导致提供block的exxcutor压力过大 |
spark.shuffle.file.buffer |
32k |
shuffle中所有涉及写文件时指定的outputStream中的buffer大小 |
总结
shuffle是分布式计算引擎的核心技术,也是最大的性能瓶颈。SortShuffle 相比HashShuffle极大的减少了中间文件的产生,但还是避免不了数据大量的写磁盘操作。了解了原理后,在用spark框架的时候需要尽量减少shuffle的数据量,优先做一些在map端的聚合。
参考资料
// spark 2.1.0代码
// 很详细的基于代码的分析
https://blog.csdn.net/duan_zhihua/article/details/71190682
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