Spark06-RDD分区、缓存与Checkpoint讲解

在上篇讲解完常用的RDD算子的具体使用后，我们本节来理解RDD的特性，包括三个方面：

1、RDD 的分区和Shuffle过程

2、RDD 缓存

3、RDD 的 CheckPoint

RDD的Shuffle和分区

分区的作用

（1）RDD经常需要通过读取外部系统的数据来创建，外部存储系统往往是支持分片，RDD需要支持分区，来和外部系统的分片一 一对应

（2）RDD的分区是一个并行计算的实现手段

分区和Shuffle的关系

分区的主要作用是用来实现并行计算,本质上和Shuffle没什么关系，但是往往在进行数据处理的时候，例如reduceByKey 或 groupByKey 等聚合操作，需要把 Key 相同的 Value 拉取到一起进行计算，这个时候因为这些 Key 相同的 Value 可能会坐落于不同的分区，于是理解分区才能理解Shuffle的根本原理。

Spark中Shuffle操作的特点

  • 只有Key-Value 型的RDD才会有Shuffle操作，例如 RDD[ (K,V) ]，但是有一个特例，就是 repartition 算子可以对任何数据类型进行 Shuffle。
  • 早期版本Spark的 Shuffle算法是 Hash base shuffle，后来改为Sort base shuffle，更适合大吞吐量的场景。

1、RDD的分区操作

我们在Spark的bin目录下，执行启动spark的代码：spark-shell --master local[6]

我们观察可得很多有用的信息：

  • spark 自动为我们创建一个 web UI界面，端口号4040
  • SparkContext对象可用，并表示为sc，所以可以直接使用。

当我们使用Action算子启动一个job进程时，我们可以在4040查看

 最后一个实际就是分区数，可以看到与 master 指定的 local 数一致。

还可以通过命令 rdd.partitions.size查看分区数。

通过算子重分区

rdd.coalesce(numPartions, Shuffle) : 两个参数，第一个指定分区数，第二个是否 shuffle （默认为false）

若不指定第二个参数，则coalesce只能减少分区数，不能增加，第二个参数为 true 才可既增加又减少

rdd.repartition()，可增可减，其实该方法就是调用的 shuffle 参数为 true 的 coalesce 函数

除了这两个指定分区数的函数，spark的 shuffle 函数对分区数也可以操作，主要是之前介绍的 KV 操作的函数等。 

2、RDD 的 shuffle

 shuffle 分为两端：mapper 和 reducer。

reducer一般通过拉去文件获取数据，mapper 的任务就是把发给 reducer 数据放到文件中。

我们以之前的一个 shuffle 算子 reduceByKey 为例，简单说明。

 

reduceByKey这个算子本质上就是先按照Key分组，后对每一组数据进行reduce，所面临的挑战就是 Key 相同的所有数据可能分布在不同的 Partition 分区中，甚至可能在不同的节点中，但是它们必须被共同计算。
为了让来自相同Key 的所有数据都在 reduceByKey 的同一个 reduce 中处理，需要执行一个all-to-all 的操作，需要在不同的节点(不同的分区)之间拷贝数据，必须跨分区聚集相同 Key 的所有数据，这个过程叫做Shuffle.

 RDD 的缓存

 先给出一段获取文件中 IP 访问次数最多 和 最少代码。

  /**
   * 创建 sc
   * 读取文件、取出 IP，赋予初始频率
   * 过滤清洗
   * 统计 IP 出现的次数，得到IP出现次数最多、最少的IP
   */
    @Test
  def prepare(): Unit ={
    val conf = new SparkConf().setAppName("cache_prepare").setMaster("local[6]")
    val sc = new SparkContext(conf)
    val source = sc.textFile("dataset/access_log_sample.txt")
    val countRDD = source.map( item => (item.split(" ")(0), 1) )
    val cleanRDD = countRDD.filter(item => StringUtils.isNotEmpty(item._1))
    val aggRDD = cleanRDD.reduceByKey( (curr, agg) => curr + agg )

    val lessIP = aggRDD.sortBy(item => item._2, ascending = true).first()
    val moreIP = aggRDD.sortBy( item => item._2, ascending = false).first()
    println((lessIP, moreIP))
  }

其中reduceByKey就是shuffle操作，会在集群内进行数据拷贝，并且两次调用 aggRDD，读取两次，较消耗资源，使用缓存来解决该问题。

缓存的意义

减少指定算子的执行，缓存算子生成的结果。

 缓存API

有两个API，一个是cache()，一个是persist()。

其中persist有两个重载方法，分别是不带参数的，和一个带表示缓存级别的参数的方法。

其实对于不带参数的persist()，和cache()一模一样，调用方法非常简单，在需要缓存的rdd后面跟上方法即可，例如

    val aggRDD = aggRDD.cache()
    val aggRDD = aggRDD.persist()

对于带参数的persist(newLevel StorageLevel)，参数表示缓存级别。

缓存级别

其实如何缓存是一个技术活,有很多细节需要思考,如下

  • 是否使用磁盘缓存?
  • ·是否使用内存缓存?
  • 是否使用堆外内存?
  • 缓存前是否先序列化?
  • 是否需要有副本?

缓存级别表

使用举例：

val aggRDD = aggRDD.persist(StorageLevel.MEMORY_ONLY)

如何选择分区级别？

Spark的存储级别的选择，核心问题是在memory内存使用率和CPU效率之间进行权衡。建议按下面的过程进行存储级别的选择：

如果您的RDD适合于默认存储级别（MEMORY_ONLY），leave them that way。这是CPU效率最高的选项，允许RDD 上的操作尽可能快地运行。

如果不是，试着使用MEMORY_ONLY_SER 和 selecting a fast serialization library 以使对象更加节省空间，但仍然能够快速访问。(Java和Scala)

不要溢出到磁盘，除非计算您的数据集的函数是昂贵的，或者它们过滤大量的数据。否则，重新计算分区可能与从磁盘读取分区一样快.

如果需要快速故障恢复，请使用复制的存储级别（例如，如果使用Spark来服务来自网络应用程序的请求)。All存储级别通过重新计算丢失的数据来提供完整的容错能力，但复制的数据可让您继续在RDD上运行任务，而无需等待重新计算一个丢失的分区.

RDD 的CheckPoint

Checkpoint 的作用

Checkpoint 的主要作用是斩断 RDD 的依赖链，并且将数据存储在可靠的存储引擎中，例如支持分布式存储和副本机制的 HDFS

checkpoint的方式

  • 可靠的将数据存储在可靠的存储引擎中,例如 HDFS
  • 本地的将数据存储在本地

什么是斩断依赖链？

斩断依赖链是一个非常重要的操作，接下来以HDFS的 NameNode 的原理来举例说明

HDFS的 NameNode 中主要职责就是维护两个文件，一个叫做 edits，另外一个叫做 fsimage 。edits中主要存放 EditLog，FsImage 保存了当前系统中所有目录和文件的信息。这个 FsImage其实就是一个Checkpoint 。

HDFS 的 NameNode 维护这两个文件的主要过程是：首先，会由 fsimage文件记录当前系统某个时间点的完整数据，自此之后的数据并不是时刻写入fsimage ，而是将操作记录存储在 edits 文件中。其次，在一定的触发条件下， edits 会将自身合并进入 fsimage。最后生成新的 fsimage 文件， edits重置，重新记录这次 fsimage 以后的操作日志。

如果不合并 edits 进入 fsimage 会怎样？会导致 edits 中记录的日志过长，容易出错。

所以当 Spark 的一个 Job 执行流程过长的时候，也需要这样的一个斩断依赖链的过程，使得接下来的计算轻装上阵。

CheckPoint 和 Cache 的区别

Cache 可以把 RDD 计算出来然后放在内存中，但是 RDD 的依赖链(相当于 NameNode 中的 Edits 日志)是不能丢掉的，因为这种缓存是不可靠的，如果出现了一些错误(例如 Executor 宕机)，这个 RDD 的容错就只能通过回溯依赖链，重放计算出来。

但是 Checkpoint 把结果保存在 HDFS 这类存储中，就是可靠的了，所以可以斩断依赖，如果出错了，则通过复制HDFS中的文件来实现容错。
所以他们的区别主要在以下两点

  • checkpoint 可以保存数据到 HDFS 这类可靠的存储上， Persist 和 Cache 只能保存在本地的磁盘和内存中。Checkpoint 可以斩断 RDD 的依赖链，而 Persist 和 Cache 不行
  • 因为 CheckpointRDD没有向上的依赖链，所以程序结束后依然存在，不会被删除。而 Cache 和 Persist 会在程序结束后立刻被清除。

CheckPioint 的使用

使用方法简单，两行代码搞定。

// 设置 checkpoint的目录，也可以设置为 hdfs 上的目录
sc.setCheckpointDir("checkPoint")
// checkpoint 的使用
rdd.checkpoint()

具体案例代码如下：

package rdd

import org.apache.commons.lang3.StringUtils
import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}
import org.junit.Test

class CheckPointOp {
  val conf = new SparkConf().setAppName("cache_prepare").setMaster("local[6]")
  val sc = new SparkContext(conf)
  // 设置 checkpoint的目录，也可以设置为 hdfs 上的目录
  sc.setCheckpointDir("checkPoint")

  @Test
  def prepare(): Unit ={

    val source = sc.textFile("dataset/access_log_sample.txt")
    val countRDD = source.map( item => (item.split(" ")(0), 1) )
    val cleanRDD = countRDD.filter(item => StringUtils.isNotEmpty(item._1))
    val aggRDD = cleanRDD.reduceByKey( (curr, agg) => curr + agg )

    // checkpoint 的使用，也可以理解为 checkpoint 为 action 操作
    // 也就是说，如果调用 checkpoint，则会重新计算RDD，然后存储结果到本地或hdfs
    // 所以，应该在 checkpoint 之前，进行一次 cache
    aggRDD.cache()
    aggRDD.checkpoint()

    val lessIP = aggRDD.sortBy(item => item._2, ascending = true).first()
    val moreIP = aggRDD.sortBy( item => item._2, ascending = false).first()
    println((lessIP, moreIP))
  }
}
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