Spark核心原理初探

一、运行架构概览

Spark架构是主从模型，分为两层，一层管理集群资源，另一层管理具体的作业，两层是解耦的。第一层可以使用yarn等实现。

Master是管理者进程，Worker是被管理者进程，每个Worker节点启动一个Worker进程，了解每台机器的资源有多少，并将这些信息汇报各Master进程。

每个提交的作业程序对应一个Driver和多个Executor，每个Executor执行具体的任务。

图 Spark基本运行架构

二、运行模式

• Local
• 伪分布式
• Standalone
• Yarn/K8S

三、作业执行流程

1.提交Spark应用到机器上

程序jar包提交到机器上，程序在服务器上叫Application

通过Spark-submit执行提交的Application

Application提交到公用的集群上，有两种资源分配方式：

• FIFO，先提交的先执行，后提交的等待
• FAIR，提交的作业都分配一些资源

2. 提交后会在本地客户端启动Driver进程

standalonde会通过反射的方式，创建和构造一个DriverActor进程出来

Driver进程会执行我们的Application应用程序，也就是我们编写的代码。

3.构造SparkContext

代码首先构造SparkConf，再构造SparkContext

1)SparkContext初始化

SpakrContext初始化时，最重要的两件事是构造出DAGSchedule和TaskSchedule。

2)TaskScheduler会通过对应的后台进程去连接Master

TaskScheduler有自己的后台进程

会向Master注册Application

3)Master接收到Application的注册请求后，会使用自己的资源调度算法，在Spark集群的Worker上，为这个Application启动多个Executor

4)Worker会为Application启动Executor

5)Executor启动之后会自己反向注册到TaskScheduler上去

所有Executor都反向注册到Driver上之后，Driver结束Context初始化，会继续执行我们自己编写的代码。

4.每执行一个action就会创建一个Job，Job会提交给DAGScheduler

5.DAGScheduler会将Job划分为多个stage，然后每个stage创建TaskSet

stage划分算法非常重要

6.TaskScheduler会把TaskSet每一个task提交到Executor上执行

task分配算法非常重要

7.Executor每接收一个task，都会用TaskRunner来封装task，然后从线程池里取出一个线程，执行这个task

8.TaskRunner将我们编写的代码，也就是要执行的算子以及函数，拷贝，反序列化，然后执行Task

Task有两种，ShuffleMapTask和ResultTask，只有最后一个stage是ResultTask，之前的stage，都是ShuffleMapTask。

所以，最后整个Spark应用程序的执行，就是stage划分批次为TaskSet，提交到executor执行，每个task针对RDD的一个partition，执行我们定义的算子和函数。以此类推，直到所有操作都执行完为止。

四、作业流程再探讨

简单来说，是将spark程序翻译成spark core可执行的Task的过程

1.BSP(Bulk synchronous parallel)并行模型

比如，wordcount程序，首先是并行的本地的过滤操作，将字符串转为单词，该过程可以拆成多个同质的Task，这些Task之间没有依赖

单词聚合的时候，就产生了依赖，会等待前一个阶段所有任务都执行完，屏障同步

分布式环境中，前后阶段可能在不同节点上，会产生通信

同步体现在上一阶段任务全执行完，下一阶段任务才可以执行

异步模型，上一阶段有些任务没执行完，有些任务执行完，下一阶段就可以启动

2.Word Count

提交作业后，作业会像master请求一些资源，master会帮忙启动driver进程和Executor进程，服务于word count程序，这个程序打包为jar包，分发到driver上，driver会启动二进制打好的包，包启动之后，会将作业编译解析成细粒度的Task。Task执行顺序，由driver决定，编译成一个个stage，每个stage有具体的Task，这样一步步按顺序并行执行，直到最后顺利完成job，将作业状态汇报给管理者，可以通过日志等查询。

创建逻辑查询计划

创建物理查询计划

flatMap、map的操作只是将单条记录，将输入是一行的字符串转成了(String, int)类型，这一过程完全可以在本地运算，和集群上其他节点是没有关联的，可以通过操作符的合并将前三步合并为一个stage，不能合并的聚合操作成为了另一个stage

宽窄依赖是划分stage的依据

这就是创建物理查询计划，防止出现大量的RDD，减少任务的调度开销

在同一个stage内，根据数据划分规则，或数据块的数量等拆分成多个并行的任务，下面拆分成了四个并行的任务，每个Task都按顺序执行了textFile、flatMap、map

因此，同一个stage是同质同样的Task的集合

只有当前一个stage所有任务完成后，下一个stage才执行

Driver中的TaskScheduler会调度Task，根据executor汇报的资源情况和stage中Task的执行情况，调度到executor上执行，executor会具体分配线程执行Task，执行完后会将Task执行正确完成状态分发返回给driver，driver再根据情况去调度，直到该stage所有Task执行完毕，才执行下一个stage的Task

DAGScheduler和TaskScheduler

DAGScheduler将逻辑查询计划转为物理查询计划，切分为stage，stage内部会产生TaskSet

TaskScheduler调度TaskSet中具体的Task

Executor上由Block manager管理它能对应执行的数据块，即相应的partition，分配给Task，分配线程执行具体任务，执行过程组件会汇报状态给相应调度器

Spark作业层级

• job : A job is triggered by an action, like count() or saveAsTextFile(). Click on a job to see information about the stages of tasks inside it. 所谓一个 job，就是由一个 rdd 的 action 触发的动作，可以简单的理解为，当你需要执行一个 rdd 的 action 的时候，会生成一个 job。
• stage : stage 是一个 job 的组成单位，就是说，一个 job 会被切分成 1 个或 1 个以上的 stage，然后各个 stage 会按照执行顺序依次执行。
• task : A unit of work within a stage, corresponding to one RDD partition。即 stage 下的一个任务执行单元，一般来说，一个 rdd 有多少个 partition，就会有多少个 task，因为每一个 task 只是处理一个 partition 上的数据。

Driver阶段Spark作业翻译为可执行的任务

Executor会执行任务

阶段一： 创建逻辑查询计划，将程序翻译为一步步的RDD的操作

阶段二：根据宽窄依赖创建物理查询计划，切分出stage合并操作符

阶段三：将stage切分为同质的任务，变成可调度任务，将任务调度到空闲的资源上

阶段四：根据Executor空闲资源执行Task

五、Shuffle

根据宽窄依赖切分stage

stage和stage之间，宽依赖，由于两个stage的Task可能不在同一节点上，会在各节点间产生通信

节点间的拷贝需要Shuffle机制的支持

Spark的Shuffle经过了几次的演变

最原始的

MapTask1执行之后，才执行MapTask2

蓝色Map是一个stage

黄色Reduce是另一stage

MapTask都会输出三个文件，因为有三个ReduceTask

文件保存到磁盘，因为中间文件太多，内存无法保存；保存到磁盘，出错也容易恢复

会产生MapTask数量*ReduceTask数量的文件，文件太多了

优化

MapTask2执行完，再执行MapTask3

这是只要将MapTask3的执行结果追加到MapTask2

只要生成core数量*ReduceTask数量的文件

还是会随着ReduceTask增加而性性增加

再次优化

根据partitionkey做排序，属于哪个ReduceTask，排序好之后，生成相应的文件，并根据partitionkey对文件生成索引，MapTask3也会缓存相应结果，进行排序之后，会和之前MapTask2生成的文件做mergesort，合并成一个文件，更新索引

只产生两个文件

计算开销加大了些