Spark Streaming集成Kafka调优

调优

Spark Streaming集成Kafka时，当数据量较小时默认配置一般都能满足我们的需要，但是当数据量大的时候，就需要进行一定的调整和优化。

  1. 合理的批处理时间（batchDuration）
    几乎所有的Spark Streaming调优文档都会提及批处理时间的调整，在StreamingContext初始化的时候，有一个参数便是批处理时间的设定。如果这个值设置的过短，即个batchDuration所产生的Job并不能在这期间完成处理，那么就会造成数据不断堆积，最终导致Spark Streaming发生阻塞。而且，一般对于batchDuration的设置不会小于500ms，因为过小会导致SparkStreaming频繁的提交作业，对整个streaming造成额外的负担。在平时的应用中，根据不同的应用场景和硬件配置，我设在1~10s之间，我们可以根据SparkStreaming的可视化监控界面，观察Total Delay来进行batchDuration的调整，如下图：

    调整批处理时间

  2. 合理的Kafka拉取量（maxRatePerPartition重要）
    对于Spark Streaming消费kafka中数据的应用场景，这个配置是非常关键的，配置参数为：spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition。这个参数默认是没有上线的，即kafka当中有多少数据它就会直接全部拉出。而根据生产者写入Kafka的速率以及消费者本身处理数据的速度，同时这个参数需要结合上面的batchDuration，使得每个partition拉取在每个batchDuration期间拉取的数据能够顺利的处理完毕，做到尽可能高的吞吐量，而这个参数的调整可以参考可视化监控界面中的Input Rate和Processing Time，如下图：

    maxRatePerPartition1
     
    maxRatePerPartition2

    spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition这个参数是控制吞吐量的，一般和spark.streaming.backpressure.enabled=true一起使用。那么应该怎么算这个值呢。

    如例要10分钟的吞吐量控制在5000,0000，kafka分区是10个。

    spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition=8400这个值是怎么算的呢。如下是公式

    spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition的值 * kafka分区数 * (10 *60)(每秒时间)

  3. 缓存反复使用的Dstream（RDD）
    Spark中的RDD和SparkStreaming中的Dstream，如果被反复的使用，最好利用cache()，将该数据流缓存起来，防止过度的调度资源造成的网络开销。可以参考观察Scheduling Delay参数，如下图：

    Dstream
  4. 设置合理的GC
    长期使用Java的小伙伴都知道，JVM中的垃圾回收机制，可以让我们不过多的关注与内存的分配回收，更加专注于业务逻辑，JVM都会为我们搞定。对JVM有些了解的小伙伴应该知道，在Java虚拟机中，将内存分为了初生代（eden generation）、年轻代（young generation）、老年代（old generation）以及永久代（permanent generation），其中每次GC都是需要耗费一定时间的，尤其是老年代的GC回收，需要对内存碎片进行整理，通常采用标记-清楚的做法。同样的在Spark程序中，JVM GC的频率和时间也是影响整个Spark效率的关键因素。在通常的使用中建议： 
    --conf "spark.executor.extraJavaOptions=-XX:+UseConcMarkSweepGC"
  5. 设置合理的CPU资源数
    CPU的core数量，每个executor可以占用一个或多个core，可以通过观察CPU的使用率变化来了解计算资源的使用情况，例如，很常见的一种浪费是一个executor占用了多个core，但是总的CPU使用率却不高（因为一个executor并不总能充分利用多核的能力），这个时候可以考虑让么个executor占用更少的core，同时worker下面增加更多的executor，或者一台host上面增加更多的worker来增加并行执行的executor的数量，从而增加CPU利用率。但是增加executor的时候需要考虑好内存消耗，因为一台机器的内存分配给越多的executor，每个executor的内存就越小，以致出现过多的数据spill over甚至out of memory的情况。
  6. 设置合理的parallelism
    partition和parallelism，partition指的就是数据分片的数量，每一次task只能处理一个partition的数据，这个值太小了会导致每片数据量太大，导致内存压力，或者诸多executor的计算能力无法利用充分；但是如果太大了则会导致分片太多，执行效率降低。在执行action类型操作的时候（比如各种reduce操作），partition的数量会选择parent RDD中最大的那一个。而parallelism则指的是在RDD进行reduce类操作的时候，默认返回数据的paritition数量（而在进行map类操作的时候，partition数量通常取自parent RDD中较大的一个，而且也不会涉及shuffle，因此这个parallelism的参数没有影响）。所以说，这两个概念密切相关，都是涉及到数据分片的，作用方式其实是统一的。通过spark.default.parallelism可以设置默认的分片数量，而很多RDD的操作都可以指定一个partition参数来显式控制具体的分片数量。
    在SparkStreaming+kafka的使用中，我们采用了Direct连接方式，前文阐述过Spark中的partition和Kafka中的Partition是一一对应的，我们一般默认设置为Kafka中Partition的数量。
  7. 使用高性能的算子
    这里参考了美团技术团队的博文，并没有做过具体的性能测试，其建议如下：
  • 使用reduceByKey/aggregateByKey替代groupByKey
  • 使用mapPartitions替代普通map
  • 使用foreachPartitions替代foreach
  • 使用filter之后进行coalesce操作
  • 使用repartitionAndSortWithinPartitions替代repartition与sort类操作
  1. 使用Kryo优化序列化性能
    这个优化原则我本身也没有经过测试，但是好多优化文档有提到，这里也记录下来。
    在Spark中，主要有三个地方涉及到了序列化：

在算子函数中使用到外部变量时，该变量会被序列化后进行网络传输（见“原则七：广播大变量”中的讲解）。
将自定义的类型作为RDD的泛型类型时（比如JavaRDD，Student是自定义类型），所有自定义类型对象，都会进行序列化。因此这种情况下，也要求自定义的类必须实现Serializable接口。
使用可序列化的持久化策略时（比如MEMORY_ONLY_SER），Spark会将RDD中的每个partition都序列化成一个大的字节数组。
对于这三种出现序列化的地方，我们都可以通过使用Kryo序列化类库，来优化序列化和反序列化的性能。Spark默认使用的是Java的序列化机制，也就是ObjectOutputStream/ObjectInputStream API来进行序列化和反序列化。但是Spark同时支持使用Kryo序列化库，Kryo序列化类库的性能比Java序列化类库的性能要高很多。官方介绍，Kryo序列化机制比Java序列化机制，性能高10倍左右。Spark之所以默认没有使用Kryo作为序列化类库，是因为Kryo要求最好要注册所有需要进行序列化的自定义类型，因此对于开发者来说，这种方式比较麻烦。

以下是使用Kryo的代码示例，我们只要设置序列化类，再注册要序列化的自定义类型即可（比如算子函数中使用到的外部变量类型、作为RDD泛型类型的自定义类型等）：

// 创建SparkConf对象。
val conf = new SparkConf().setMaster(...).setAppName(...)
// 设置序列化器为KryoSerializer。
conf.set("spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.KryoSerializer")
// 注册要序列化的自定义类型。
conf.registerKryoClasses(Array(classOf[MyClass1], classOf[MyClass2]))

  1. 结果
    经过种种调试优化，我们最终要达到的目的是，Spark Streaming能够实时的拉取Kafka当中的数据，并且能够保持稳定，如下图所示：

     
    结果

    当然不同的应用场景会有不同的图形，这是本文词频统计优化稳定后的监控图，我们可以看到Processing Time这一柱形图中有一Stable的虚线，而大多数Batch都能够在这一虚线下处理完毕，说明整体Spark Streaming是运行稳定的。

附：

使用SparkStreaming集成kafka时有几个比较重要的参数：

（1）spark.streaming.stopGracefullyOnShutdown （true / false）默认fasle

确保在kill任务时，能够处理完最后一批数据，再关闭程序，不会发生强制kill导致数据处理中断，没处理完的数据丢失

（2）spark.streaming.backpressure.enabled （true / false） 默认false

开启后spark自动根据系统负载选择最优消费速率

（3）spark.streaming.backpressure.initialRate （整数） 默认直接读取所有

在（2）开启的情况下，限制第一次批处理应该消费的数据，因为程序冷启动 队列里面有大量积压，防止第一次全部读取，造成系统阻塞

（4）spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition （整数） 默认直接读取所有

限制每秒每个消费线程读取每个kafka分区最大的数据量

注意：

只有（4）激活的时候，每次消费的最大数据量，就是设置的数据量，如果不足这个数，就有多少读多少，如果超过这个数字，就读取这个数字的设置的值

只有（2）+（4）激活的时候，每次消费读取的数量最大会等于（4）设置的值，最小是spark根据系统负载自动推断的值，消费的数据量会在这两个范围之内变化根据系统情况，但第一次启动会有多少读多少数据。此后按（2）+（4）设置规则运行

（2）+（3）+（4）同时激活的时候，跟上一个消费情况基本一样，但第一次消费会得到限制，因为我们设置第一次消费的频率了。

参考：

https://www.jianshu.com/p/2623a145c508

https://blog.csdn.net/u010454030/article/details/54629049

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