Spark存储介绍

记录一下Spark的存储相关内容

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Spark虽说是计算引擎，但存储也是比较重要的一块。

在cache和shuffle等地方用到了存储，存储介质包括有内存和磁盘。

整体架构

Spark存储采用主从模式（Master/Slave）,模块间使用RPC进行通信。

Master负责运行期间数据块元数据的管理和维护。

Slave一方面将本地数据块的状态报告给Master；另一方面接收Master传过来的执行命令，如获取数据块状态、删除RDD/数据块等命令。

Slave之间存在数据传输通道，可以进行远程数据的读取和写入。


存储相关类

在看整体架构之前，先看一下Spark存储模块相关类，以下是类图：
存储模块相关类

可以看到是以BlockManager为核心。

BlockManager：存在于Driver和Executor中，Driver端的BlockManager保存了数据的元数据信息，Executor端的BlockManager根据接收到的消息进行操作。

BlockManagerMaster：Driver端特有的Master类，用来接收处理Executor发送来的请求。

BlockManagerMasterEndpoint：Master的消息终端点，用于与远程Slave进行消息通信。

BlockManagerSlaveEndpoint：Slave的消息终端点，用于与Master进行通信。

BlockTransferService：在远程节点间提供数据传输服务。

BlockManagerInfo：维护了BlockManager的一些信息。

DiskBlockManager：对数据块进行磁盘读写的管理者。

DiskStore：在磁盘上存储BlockManager块。

MemoryStore：将BlockManager存储在内存中。

MapOutputTracker：跟踪shuffle map stage输出位置的类。

ShuffleManager：shuffle的管理器，可以用于获取shuffle读写的组件。


接下来看看Spark存储的消息通信架构：

以下是架构图，

Spark存储的消息通信架构

图中根据数据的生命周期描述了四个步骤：

  1. RegisterBlockManager。应用程序启动时、初始化相关组件。
  2. UpdateBlockInfo。增删改后更新数据块信息。
  3. GetLocations、GetMemoryStatus。查询数据存放的位置，对数据进行读取。
  4. RemoveBlock、RemoveRDD。提供了删除的功能。

依次看看四个步骤的具体过程：

应用启动时

应用程序启动时，SparkContext创建Driver端的SparkEnv，在该SparkEnv中实例化BlockManager和BlockManagerMaster，在BlockManagerMaster内部创建消息通信的BlockManagerMasterEndpoint。

Executor启动时也会创建其SparkEnv，在该SparkEnv中实例化BlockManager和负责网络数据传输服务的BlockTransferService。在BlockManager初始化过程中，一方面会加入BlockManagerMasterEndpoint终端点的引用，另一方面会创建Executor消息通信的BlockManagerSlaveEndpoint终端点，并把终端点的引用注册到Driver中，Driver和Executor相互持有引用，在应用执行过程中就可以进行通信了。

增删改后更新元数据

当写入、更新或删除数据完毕后，发送数据块的最新状态消息UpdateBlockInfo给BlockManagerMasterEndpoint终端点，由其更新数据块的元数据。该终端点的元数据存放BlockManagerMasterEndpoint的3个HashMap中，如下：

// 该HashMap中存放了BlockManagerId与BLockManagerInfo的对应，其中BlockManagerInfo包含了Executor的内存使用情况、数据块的使用情况、已被缓存的数据块和Executor终端点的引用
private val blockManagerInfo = new mutable.HashMap[BlockManagerId, BlockManagerInfo]

// 该HashMap存放了ExecutorId和BlockManagerId的对应
private val blockManagerIdByExecutor = new mutable.HashMap[String, BlockManagerId]

// 该HashMap存放了BlockId和BlockManagerId序列 的对应，原因在于一个数据块可能存储有多个副本，保存在多个Executor中
private val blockLocations = new JHashMap[BlockId, mutable.HashSet[BlockManagerId]]

获取数据存放位置

应用数据存储后，在获取远程节点数据、获取RDD执行的首选位置时需要根据数据块的编号查询数据块所处的位置，通过发送GetLocations或GetLocationsMultipleBlockIds等消息给BlockManagerMasterEndpoint，通过对元数据的查询获取数据块的位置信息。

数据块的删除

当数据需要删除时，提交删除消息给BlockManagerSlaveEndpoint终端点，在该终端店发起删除操作。删除操作一方面需要删除Driver端的元数据信息，另一方面发送消息通知Executor，删除对应的物理数据。

RDD存储调用

RDD和Block的关系：RDD包含了多个Partition，每个Partition对应一个数据块，那么每个RDD中包含一个或多个数据块Block。

我们知道RDD是懒执行的，只有在遇到行动操作的时候，才会提交作业、划分阶段、执行任务，其真正发生数据操作是调用RDD.iterator()时发生的。

我们看看RDD的iterator方法：

final def iterator(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[T] = {
    // 如果存在存储级别，则从尝试从缓存中读取数据，缓存不存在时再进行计算
    if (storageLevel != StorageLevel.NONE) {
        getOrCompute(split, context)
    // 不存在缓存，直接计算或者从checkpoint中读取
    } else {
        computeOrReadCheckpoint(split, context)
    }
}

iterator中，会判断是否存在存储级别(其实就是缓存)，如果存在调用getOrCompute()，如果不存在调用computeOrReadCheckpoint()。

先看一下不存在缓存的时候，调用的computeOrReadCheckpoint()：

// 如果RDD存在检查点，则从检查点读取它。不存在，则计算
private[spark] def computeOrReadCheckpoint(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[T] =
{	
    if (isCheckpointedAndMaterialized) {
    	// 存在时，调用父RDD的iterator读取数据   
        firstParent[T].iterator(split, context)
    } else {
        // 不存在时，直接调用compute方法对数据进行计算
        compute(split, context)
    }
}

computeOrReadCheckpoint()会从checkpoint中读取数据或重新计算数据，进行返回。

再看一下存在缓存时，调用的getOrCompute()：

private[spark] def getOrCompute(partition: Partition, context: TaskContext): Iterator[T] = {
    // 通过RDD的编号和Partition序号获取数据块Block的编号
    val blockId = RDDBlockId(id, partition.index)
    var readCachedBlock = true
    // 根据数据块编号先读取数据，然后再更新数据，这里是读写数据的入口
    SparkEnv.get.blockManager.getOrElseUpdate(blockId, storageLevel, elementClassTag, () => {
        readCachedBlock = false
        // 如果缓存中不存在数据块，则尝试调用computeOrReadCheckpoint()从检查点读取或重新计算
        computeOrReadCheckpoint(partition, context)
    }) match {
        // 对返回结果进行处理，该结果表示处理成功
        case Left(blockResult) =>
        if (readCachedBlock) {
            val existingMetrics = context.taskMetrics().inputMetrics
            existingMetrics.incBytesRead(blockResult.bytes)
            new InterruptibleIterator[T](context, blockResult.data.asInstanceOf[Iterator[T]]) {
                override def next(): T = {
                    existingMetrics.incRecordsRead(1)
                    delegate.next()
                }
            }
        } else {
            new InterruptibleIterator(context, blockResult.data.asInstanceOf[Iterator[T]])
        }
        // 处理失败把结果返回调用者
        case Right(iter) =>
        new InterruptibleIterator(context, iter.asInstanceOf[Iterator[T]])
    }
}

// 从缓存中获取数据；如果缓存中不存在，重新计算并写入缓存
def getOrElseUpdate[T](
    blockId: BlockId,
    level: StorageLevel,
    classTag: ClassTag[T],
    makeIterator: () => Iterator[T]): Either[BlockResult, Iterator[T]] = {
    // 读数据的入口，尝试从本地或远程读取数据
    get[T](blockId)(classTag) match {
        case Some(block) =>
        	return Left(block)
        case _ =>
    }
    // 写数据入口
    doPutIterator(blockId, makeIterator, level, classTag, keepReadLock = true) match {
        case None =>
            val blockResult = getLocalValues(blockId).getOrElse {
                releaseLock(blockId)
            }
            releaseLock(blockId)
            Left(blockResult)
        case Some(iter) =>
        	Right(iter)
    }
}

getOrCompute()中会调用getOrElseUpdate()方法从缓存中读取数据；如果缓存中不存在数据则重新计算，并写入缓存。


RDD的计算就是基于对Iterator中数据的不断转换，只有需要存储的时候，才会做对应的存储操作。

数据读取

BlockManager的get方法时读数据的入口。

读数据时分为本地读取和远程节点读取。

本地读取时使用getLocalValues方法，在该方法中根据不同的存储级别调用不同的实现。

远程读取时使用getRemoteValues方法，最终调用BlockTransferService的fetchBlockSync进行处理，使用Netty的fetchBlocks方法获取数据。数据读取调用图如下：
数据读取调用图

数据写入

BlockManager的doPutIterator方法是写数据的入口点。

在该方法中，根据数据是否缓存到内存中进行处理。

如果不缓存到内存中，调用BlockManager的putIterator方法直接存储磁盘；如果缓存到内存中，先判断数据是否进行了反序列化。

如果设置反序列化，说明数据为值类型，调用putIteratorAsValues把数据存入内存；如果没有设置反序列化，说明数据为字节类型，调用putIteratorAsBytes把数据写入内存。

在把数据存入内存过程中，需要判断在内存中展开该数据是否足够，当足够时调用BlockManager的putArray方法写入内存，否则把数据写入磁盘。


写入完成后，一方面把数据块的元数据发送给Driver端的BlockManagerMasterEndpoint终端点，请求其更新数据元数据；另一方面判断是否需要创建副本，如果需要则调用replicate方法，把数据写到远程节点上。

写入调用图如下：
数据读取调用图

cache & checkpoint

cache：将RDD的数据缓存到内存或磁盘中。

checkpoint：将计算过程中重要的中间数据建立检查点，类似于快照。

cache的应用主要是对一个RDD的进行复用，避免重复计算。

相对于cache而言，checkpoint将切断与该RDD之前的依赖关系。设置检查点对包含宽依赖的长血统RDD是非常重要的，可以避免失败时重新计算的高成本。

贴两个缓存和检查点讲的比较清晰的链接：

https://github.com/JerryLead/SparkInternals/blob/master/markdown/6-CacheAndCheckpoint.md

https://blog.csdn.net/qq_20641565/article/details/76223002


end. 以上内容来自看书和自己的理解，如果偏差，欢迎指正。

Reference

《图解Spark核心技术与案例实践》


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原文地址：https://www.cnblogs.com/upupfeng/p/12373038.html