Guangjing Wang Assistant Professor @ USF

Notes for Spark (1)

2017-07-10
Data Analysis

Spark is a unified analytics engine for large-scale data processing. It achieves high performance for both batch and streaming data, using a state-of-the-art DAG(Directed Acyclic Graph) scheduler, a query optimizer, and a physical execution engine.

Basics

  1. RDD(Resilient Distributed Dataset),弹性分布式数据集，是分布式内存的一个抽象概念，提供一个高度受限的共享内存模型;

  2. Executor是运行在工作节点上的一个进程，负责运行任务，并为应用程序储存数据;

  3. Cluster Manager是集群资源管理器，可以是spark自带的，也可以是YARN或Mesos等资源管理框架;

  4. 与Map-Reduce相比，Spark采用的Executor有两个优点，一是利用多线程来执行具体的任务，减少任务启动开销，而Map-Reduce采用的进程模型；第二，Executor中有一个是BlockManager存储模块，会将内存和磁盘作为共同的存储设备，当需要多轮迭代计算时，可以将中间结果存储到这个中间模块，而不需要读写到HDFS等文件系统里, 有效减少IO开销;

  5. 一个应用由一个任务控制节点和若干个作业构成，一个作业由多个阶段构成，一个阶段由多个任务组成．当执行一个应用时，任务控制节点会向集群管理器申请资源，启动Executor,向Executor发送应用程序代码和文件，然后在Executor上执行任务，运行结束后，执行结果会返回给任务控制节点，或者写到HDFS或者其他数据库中．

Workflow

  1. 当一个Spark应用被提交时，首先需要为这个应用构建起基本的运行环境，即由任务控制节点创建一个SparkContext，由SparkContext负责和资源管理器(Cluster Manager)的通信以及进行资源的申请，任务的分配和监控．SparkContext会向资源管理器注册并运行Executor资源；

  2. 资源管理器会为Executor分配资源，并启动Executor进行，Executor运行情况会随着”心跳”发送到资源管理器;

  3. SparkContext会根据RDD的依赖关系构建DAG图，DAG图提交给DAG调度器进行解析，将DAG图分解成多个阶段，并且计算出每个阶段之间的依赖关系，然后把一个个”任务集”提交给底层的任务调度器进行处理，Executor向SparkContext申请任务，任务调度器将任务发送给Executor运行，同时，SparkContext将应用程序代码发放给Executor;

  4. 任务放在Executor运行，把执行结果反馈给任务调度器，然后反馈给DAG调度器，运行完毕后写入数据并释放所有资源．

RDD

RDD(Resilient Distributed Datasets)提供了一种通用的抽象数据架构，用户不必考虑底层数据的分布式特性，只需要将具体的应用逻辑表达为一系列转换处理，不同RDD之间的转化操作形成依赖关系，可以实现管道化，从而避免了中间结果的存储，大大降低了数据复制，磁盘IO和序列化开销；

RDD是个分布式对象集合，一个RDD可以分成多个分区，每个分区是一个数据集片段，一个RDD的不同分区可以被保存到集群中的不同节点上．RDD是只读的记录分区的集合，不能直接修改，只能基于稳定的物理存储中的数据来创建RDD，或者通过在其他RDD上执行确定的转换操作(map,join, groupBy等)而创建新的RDD．RDD提供了一组丰富的操作以支持常见的数据运算，分为“行动”（Action）和“转换”（Transformation）两种类型，前者用于执行计算并指定输出的形式，后者指定RDD之间的相互依赖关系。两类操作的主要区别是，转换操作（比如map、filter、groupBy、join等）接受RDD并返回RDD，而行动操作（比如count、collect等）接受RDD但是返回非RDD（即输出一个值或结果）。RDD提供的转换接口都非常简单，都是类似map、filter、groupBy、join等粗粒度的数据转换操作，而不是针对某个数据项的细粒度修改。因此，RDD比较适合对于数据集中元素执行相同操作的批处理式应用，而不适合用于需要异步、细粒度状态的应用，比如Web应用系统、增量式的网页爬虫等。

Spark通过分析各个RDD的依赖关系生成了DAG，再通过分析各个RDD中的分区之间的依赖关系来决定如何划分阶段，具体划分方法是：在DAG中进行反向解析，遇到宽依赖就断开，遇到窄依赖就把当前的RDD加入到当前的阶段中；将窄依赖尽量划分在同一个阶段中，可以实现流水线计算。把一个DAG图划分成多个“阶段”以后，每个阶段都代表了一组关联的、相互之间没有Shuffle依赖关系的任务组成的任务集合。每个任务集合会被提交给任务调度器（TaskScheduler）进行处理，由任务调度器将任务分发给Executor运行.

创建RDD的两种方式:

  1. 从文件系统中加载数据创建RDD;

  2. 通过并行集合(数组)创建RDD; RDD被创建好后, 后续使用过程一般发生两种操作: transformation, 基于现有的数据集创建一个新的数据集，action,在现有数据集上进行运算，返回计算值．

Programming

from pyspark import SparkContext
sc = SparkContext( 'local', 'test')
logFile = "file:///usr/local/spark/README.md"
logData = sc.textFile(logFile, 2).cache() 


sc.textFile(文件路径+文件名) 是一个transform
sc.saveAsTextFile(要保存文件的路径) 是一个action

def textFile(path: String, minSplits: Int = defaultMinSplits): RDD[String]
# read a text file from HDFS, a local file system or any hadoop-supported filie system URI, and return it as an RDD of Strings.

本地文件系统，常见文件格式(文本文件，JSON, SequenceFile);分布式文件系统HDFS, RDD, Amazon S3的地址;数据库(如MySQL, Hbase, Hive等); 在使用Spark读取文件时，　如果使用了本地文件系统的路径，那么，必须要保证在所有的worker节点上，也都能够采用相同的路径访问到该文件，比如，可以把该文件拷贝到每个worker节点上，或者也可以使用网络挂载共享文件系统。

textFile.flatMap(lambda line: line.split(" ")).map(lambda word: (word,1)).reduceByKey(lambda a, b : a + b)
# flatMap()操作相当于把多个集合拍扁得到一个大的集合;map遍历集合中的每个单词，执行lambda表达式，对每个单词构建形成一个tuple．

Function

常见的转换操作：
filter(func):筛选出满足函数func的元素，并返回一个新的数据集；
map(func):将每个元素传递到函数func中，并将结果返回为一个新的数据集；
flatMap(func):与map()相似，但每个元素都可以映射到0或多个输出结果；
groupByKey():应用于(K,V)键值对的数据集时，返回一个新的(K,Iterable)形式的数据集
reduceByKey(func):应用于(K,V)键值对数据集时，返回一个新的(K,V)形式的数据集，其中的每个值是将每个key传递到函数func中进行聚合．

例如: 键值对RDD: 从文件中加载，lines.flatMap(lambda line : line.split(" ")).map(lambda word : (word,1))

常用的键值对转换操作:
reduceByKey(), 使用func函数合并具有相同键的值
groupByKey(), 对具有相同键的值进行分组．
keys()把键值对RDD中的key返回形成一个新的RDD, 不去重
values()把键值对RDD中的value返回形成一个新的RDD,不去重
sortByKey(),排序
mapValues(func)对键值对RDD中的每个value都应用一个函数，但是key不会发生变化； 
join()　表示内连接，对于给定的两个输入数据集(K,V1)和(K,V2)只有在两个数据集中都存在的key才会被输出，最终得到一个(K,(V1,V2))类型的数据集；

例如: pairRDD1是一个键值对集合{(“spark”,1)、(“spark”,2)、(“hadoop”,3)和(“hadoop”,5)}，pairRDD2是一个键值对集合{(“spark”,”fast”)}，那么，pairRDD1.join(pairRDD2)的结果就是一个新的RDD，这个新的RDD是键值对集合{(“spark”,1,”fast”),(“spark”,2,”fast”)}。

行动操作：
count()返回数据集中的元素个数
collect()以数组的形式返回数据集中的所有元素，当我们要实时查看一个RDD中的元素内容时，就可以调用collect()函数．
first()返回数据集中的第一个元素
take(n)以数组的形式返回数据集中的前n个元素
reduce(func)通过函数func(输入两个参数返回一个值)聚合数据集中的元素
foreach(func) 将数据集中的每个元素传递到函数func中运行

例如: 打印元素，rdd.foreach(print)或者rdd.map(print), 对于用集群模式执行时，rdd.collect().foreach(print), rdd.take(100).foreach(print)

Persistence

每次调用行动操作，都会触发一次从头开始的计算，对于迭代计算而言，代价是很大的，迭代计算经常需要多次重复使用同一组数据；可以通过持久化(缓存)避免这种重复计算的开销．persist()方法对一个RDD进行标记持久化，出现persist()语句的地方，并不会马上生成RDD并把它持久化，而是等到遇到第一个行动操作触发真正计算以后，才会把计算结果进行持久化．持久化的RDD将会保存在计算节点的内存中被后面的行动操作重复使用．一般使用cache()方法时，会调用persist(MEMORY_ONLY) [表示将RDD作为反序列化的对象存储于JVM中，如果内存不足，就要按照LRU原则替换缓存中的内容]缓存RDD.LRU全称是Least Recently Used,即最近最久未使用.

共享变量: 广播变量把变量在所有节点的内存之间进行共享，累加器支持在所有不同节点之间进行累加计算（比如计数或者求和）．显式地创建广播变量只有在下面的情形中是有用的：当跨越多个阶段的那些任务需要相同的数据，或者当以反序列化方式对数据进行缓存是非常重要的。可以通过调用SparkContext.broadcast(v)从一个普通变量ｖ创建一个广播变量，这个广播变量就是对普通变量v的一个包装器．通过调用value方法可以获得这个广播变量的值．

累加器: 一个数值型的累加器可以调用SparkContext.accumulator().运行在集群中的任务，可以使用add方法来把数值累加到累加器上，但是这些任务只能做累加操作，不能读取累加器的值，只有任务控制节点可以使用value方法读取累加器的值．

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