Spark学习四：Spark架构设计和RDD的stage划分

文章目录

架构设计
Spark运行基本流程
RDD之间的依赖关系
stage的划分
RDD运行过程
参考网址

架构设计

学习完Spark学习二：spark基础理论知识，我们可以对Spark的一些组件和术语应该有了基本的认识，下面介绍Spark的架构设计。本节内容主要参考厦门大学林子雨老师的Spark课程。非常感谢林子雨老师！

如下图所示。
Spark运行架构包括集群资源管理器（Cluster Manager）、运行作业任务的工作节点（Worker Node）、每个应用的任务控制节点（driver program）和每个工作节点上负责具体任务的执行进程（Executor）。其中，集群资源管理器可以是Spark自带的资源管理器，也可以是YARN或Mesos等资源管理框架。

与Hadoop MapReduce计算框架相比，Spark所采用的Executor有两个优点：一是利用多线程来执行具体的任务（Hadoop MapReduce采用的是进程模型）（Spark和MapReduce的运行模式在Spark学习二：spark基础理论知识里也详细说明过），减少任务的启动开销；二是Executor中有一个BlockManager存储模块，会将内存和磁盘共同作为存储设备，当需要多轮迭代计算时，可以将中间结果存储到这个存储模块里，下次需要时，就可以直接读该存储模块里的数据，而不需要读写到HDFS等文件系统里，因而有效减少了IO开销；或者在交互式查询场景下，预先将表缓存到该存储系统上，从而可以提高读写IO性能。
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如下图所示，在Spark中，一个应用（Application）由一个任务控制节点（Driver）和若干个作业（Job）构成，一个作业由多个阶段（Stage）构成，一个阶段由多个任务（Task）组成。当执行一个应用时，任务控制节点会向集群管理器（Cluster Manager）申请资源，启动Executor，并向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。
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Spark运行基本流程

如下图所示，Spark的基本运行流程如下：
（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（Driver）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、任务的分配和监控等。SparkContext会向资源管理器注册并申请运行Executor的资源；
（2）资源管理器为Executor分配资源，并启动Executor进程，Executor运行情况将随着“心跳”发送到资源管理器上；
（3）SparkContext根据RDD的依赖关系构建DAG图，DAG图提交给DAG调度器（DAGScheduler）进行解析，将DAG图分解成多个“阶段”（每个阶段都是一个任务集），并且计算出各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（TaskScheduler）进行处理；Executor向SparkContext申请任务，任务调度器将任务分发给Executor运行，同时，SparkContext将应用程序代码发放给Executor；
（4）任务在Executor上运行，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。
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总体而言，Spark运行架构具有以下特点：
（1）每个应用都有自己专属的Executor进程，并且该进程在应用运行期间一直驻留。Executor进程以多线程的方式运行任务，减少了多进程任务频繁的启动开销，使得任务执行变得非常高效和可靠；
（2）Spark运行过程与资源管理器无关，只要能够获取Executor进程并保持通信即可；
（3）Executor上有一个BlockManager存储模块，类似于键值存储系统（把内存和磁盘共同作为存储设备），在处理迭代计算任务时，不需要把中间结果写入到HDFS等文件系统，而是直接放在这个存储系统上，后续有需要时就可以直接读取；在交互式查询场景下，也可以把表提前缓存到这个存储系统上，提高读写IO性能；
（4）任务采用了数据本地性和推测执行等优化机制。数据本地性是尽量将计算移到数据所在的节点上进行，即“计算向数据靠拢”，因为移动计算比移动数据所占的网络资源要少得多。而且，Spark采用了延时调度机制，可以在更大的程度上实现执行过程优化。比如，拥有数据的节点当前正被其他的任务占用，那么，在这种情况下是否需要将数据移动到其他的空闲节点呢？答案是不一定。因为，如果经过预测发现当前节点结束当前任务的时间要比移动数据的时间还要少，那么，调度就会等待，直到当前节点可用。

RDD之间的依赖关系

RDD中不同的操作会使得不同RDD中的分区会产生不同的依赖。RDD中的依赖关系分为窄依赖（Narrow Dependency）与宽依赖（Wide Dependency），下图展示了两种依赖之间的区别。
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窄依赖，表现为一个父RDD的分区对应于一个子RDD的分区，或多个父RDD的分区对应于一个子RDD的分区；比如上图中，RDD1是RDD2的父RDD，RDD2是子RDD，RDD1的分区1，对应于RDD2的一个分区（即分区4）；再比如，RDD6和RDD7都是RDD8的父RDD，RDD6中的分区（分区15）和RDD7中的分区（分区18），两者都对应于RDD8中的一个分区（分区21）。简记为窄依赖一对一，父RDD的一个分区对应子RDD的一个分区。
宽依赖，则表现为存在一个父RDD的一个分区对应一个子RDD的多个分区。比如上图中，RDD9是RDD12的父RDD，RDD9中的分区24对应了RDD12中的两个分区（即分区27和分区28）。间记为宽依赖一对多，父RDD的一个分区对应子RDD的多个分区

总体而言，如果父RDD的一个分区只被一个子RDD的一个分区所使用就是窄依赖，否则就是宽依赖。窄依赖典型的操作包括map、filter、union等，宽依赖典型的操作包括groupByKey、sortByKey等。对于连接（join）操作，可以分为两种情况。

（1）对输入进行协同划分，属于窄依赖（如图所示）。所谓协同划分（co-partitioned）是指多个父RDD的某一分区的所有“键（key）”，落在子RDD的同一个分区内，不会产生同一个父RDD的某一分区，落在子RDD的两个分区的情况。
（2）对输入做非协同划分，属于宽依赖，如图所示。

对于窄依赖的RDD，可以以流水线的方式计算所有父分区，不会造成网络之间的数据混合。对于宽依赖的RDD，则通常伴随着Shuffle操作，即首先需要计算好所有父分区数据，然后在节点之间进行Shuffle。

stage的划分

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（具体的阶段划分算法请参见AMP实验室发表的论文《Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing》）。

例如，如下图所示，假设从HDFS中读入数据生成3个不同的RDD（即A、C和E），通过一系列转换操作后再将计算结果保存回HDFS。对DAG进行解析时，在依赖图中进行反向解析，由于从RDD A到RDD B的转换以及从RDD B和F到RDD G的转换，都属于宽依赖，因此，在宽依赖处断开后可以得到三个阶段，即阶段1、阶段2和阶段3。可以看出，在阶段2中，从map到union都是窄依赖，这两步操作可以形成一个流水线操作，比如，分区7通过map操作生成的分区9，可以不用等待分区8到分区9这个转换操作的计算结束，而是继续进行union操作，转换得到分区13，这样流水线执行大大提高了计算的效率。
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