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外观

1、Spark基本运行原理

约 2394 字大约 8 分钟

2025-09-04

Spark简介

Spark 分布式计算框架由美国加州⼤学伯克利分校的AMP实验室开发。相⽐于Hadoop⾃带的 MapReduce计算框架，Spark优势明显。Spark⼀⽅⾯提供了更加灵活丰富的数据操作⽅式，有些 需要分解成⼏轮MapReduce作业的操作，可以在Spark⾥⼀轮实现;另⼀⽅⾯，每轮的计算结果都 可以分布式地存放在内存中，下⼀轮作业直接从内存中读取数据，节省⼤量磁盘IO开销。

  • DAG
  • 内存计算
  • MRtask->进程级别，sparktask->线程级别

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Spark运行模式

基础概念

  • Yarn: Hadoop资源管理系统，为应⽤提供统⼀的资源管理和调度。

    • ResourceManger：处理客⼾端请求、启动和监控ApplicationMaster、监控NodeManager、 资源的分配与调度
    • NodeManger：管理单个节点上的资源、处理来⾃ResourceManager的命令、处理来⾃ ApplicationMaster的命令
    • ApplicationMaster：为应⽤程序申请资源

  • Spark

    • Application：⽤⼾⾃⼰写的Spark应⽤程序，批处理作业的集合。Application的main⽅法为 应⽤程序的⼊⼝，⽤⼾通过Spark的API，定义了RDD和对RDD的操作 。
    • SparkContext：Spark最重要的API，⽤⼾逻辑与Spark集群主要的交互接⼝。
    • Driver：主控进程。SparkContext运⾏在其中，负责产⽣DAG，提交Job，转化Task。 Executor：负责执⾏Task，并将结果返回给Driver，同时也提供缓存的RDD的功能

提交Job得两种运行模式

Yarn-Client

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Yarn-Cluster

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区别：

  1. yarn-client模式driver端在本地，可以与集群进⾏调度和通讯，进⾏交互式作业。但如果作业很 多则会造成client端压⼒很⼤。
  2. yarn-cluster模式driver运⾏在AM中，client提交完作业就可以关掉了，但⽆法进⾏交互式作业。

⼀个sql语句是如何处理数据的？

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逻辑计划：

  1. 未解析的逻辑算⼦树：仅有数据结构，不包含数据信息。
  2. 解析的逻辑算⼦树：节点中绑定各种信息。
  3. 优化后的逻辑算⼦树：应⽤各种优化规则对⼀些抵消的逻辑计划进⾏转换。

物理计划：

  1. 根据逻辑算⼦树⽣成物理算⼦树的列表（可能1对多）
  2. 从列表中按⼀定的策略选取最优的物理算⼦树。
  3. 对选取的物理算⼦树进⾏提交前的准备⼯作：确保分区操作正确、物理算⼦树节点重⽤、执⾏ 代码⽣成等。

一个例子

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以上步骤都在driver端进⾏，不涉及分布式计算。

RDD（ResilientDistributedDateSet）

⼀种分布式的内存抽象，表⽰⼀个只读的数据分区集合。有丰富的转换操作，通常由其他RDD转换 创建，并记录如何衍⽣的信息。

RDD的⼀些特性：

  1. 容错机制：

    1. Lineage：根据⾎缘关系回溯RDD信息，失败重试参数：
      1. spark.task.maxFailures->4
      2. spark.stage.maxConsecutiveAttempts->4
    2. checkpoint：lineage太⻓、计算代价⼤时，可采⽤更稳健的硬盘持久化。

  2. Partition（分区）： ⼀个RDD在物理上被切分为多个Partition，即数据分区，这些Partition可以分布在不同的节点上；

  3. Dependency（依赖）

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  • NarrowDenpndency：map、filter、union
  • Shuffle Dependency：join、groupByKey、reduceByKey

DAG：DirectedAcyclicGraph

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  • Job：在⼀个Application中，以Action算⼦划分Job，如collect、saveAsTextFile、show
  • Stage：⼀个Job中，⼜以Shuffle为边界划分出的不同阶段，如join、groupByKey、 reduceByKey
  • Task：每个Stage由⼀组并发的Task组成（即TaskSet），task个数由输⼊⽂件的切⽚个数来决定 的。通过算⼦修改了某⼀个rdd的分区数量，task数量也会同步修改。⼀个Stage的总Task的个数 由Stage中最后的⼀个RDD的Partition的个数决定

Shuffle

经典的MapReduce

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  1. shuffle的map端：
    1. 在maptask执⾏时，它的输⼊数据来源于HDFS的block，MapReduce中叫split，spark中叫 partition. split与block⼀般是⼀对⼀.。
    2. mapper运⾏后，数据变为key/value的形式，通过partition函数，将数据进⾏分区，它的作 ⽤就是根据key或value以及reduce的数量来决定数据最终应该由那个reducetask处理。这⾥ 默认使⽤hashpartition，就是对key进⾏hash后再与reducetask的数量取模。
    3. 接下来，需要将数据写⼊内存缓冲区中,它的作⽤是批量收集map的结果，以减少磁盘的IO影 响。我们的key/value对以及Partition的结果都会被写⼊缓冲区。在写⼊之前，key/value值都 会被序列化成字节数组.
    4. 这个内存缓冲区默认为100MB，当maptask的输出结果达到80%的时候开始磁盘溢写，也就 是spill。这个溢写是由单独线程来完成的，不影响Map结果往缓冲区写的过程.
    5. 当溢写线程启动后，就会对这80MB的数据做排序(sort)，这⾥的排序是对序列化的字节做排 序。⽽且这个sort和咱们逻辑上做排序操作没任何关系，它是为了reduce端在处理数据时，不 ⽤把所有的数据全部加载到内存处理，⽽是通过归并排序的⽅式从磁盘按顺序加载数据。这样 会⼤⼤减轻reduce端的压⼒。
    6. 每次溢写会在磁盘上⽣成⼀个溢写⽂件，如果map的输出结果很⼤，那就会有多个溢写⽂件存 在。当maptask真正完成时，会将这些⽂件合并成⼀个，这个过程就叫做Merge。
    7. 在⼀些情况下，我们可以在这⾥加⼀个combine操作，⽐如wordcount的求和，相当于在 map端做了⼀次reduce，这样可以减少map端数据，并给reduce端减少压⼒。
  2. shuffle的reduce端：
    1. reduce进程会启动⼀些copy线程，然后将⽂件从map端fetch数据回来并保存在本地磁盘中。
    2. 将不同map端数据进⾏merge，shuffle结束。
    3. Reducer进⾏处理，最后把结果放到HDFS上。

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每个MapTask产⽣两个⽂件，每个节点只有2*M个⽂件。

问题：

数据倾斜会在哪⼀个环节出现？为什么?

数据倾斜会在shuffle阶段出现，因为涉及到了数据打散，如果某个值的数据异常多，则会导致这个值全部分布在一个partition中，造成数据倾斜。在sql中join和group by会产生shuffle操作，group by一般会有预处理步骤，不用太关注；join操作是发生数据倾斜的最主要场景。

举⼀个⾃⼰业务会出现倾斜的场景 shuffle过程会消耗那些资源？哪些会成为瓶颈？

内存、cpu、网络io、磁盘io。shuffle中涉及到了数据的shuffle write、shuffle read，数据的序列化，网络传输。在我们可控制的内存、cpu资源来看，最主要的瓶颈是shuffle read阶段会因为数据量的过大而导致内存溢出，因此需要合理的调整每个partition的数据量并均匀的分散数据。

为什么 join操作⼀定发⽣shuffle吗？·

不一定。如果其中一张表的数据量非常小，可以采取broadcast join来避免shuffle操作，大大缩短任务时间。在RDD api中可以自由控制每个shuffle的并行度，在两个RDD已由相同分区函数分区并partition数相同的情况下，join不会发生shuffle操作。

以下哪个sql会发⽣shuffle?(多选)

  1. select col1,col2 from table where col1 = 'hello' 错误。过滤不会产生shuffle
  2. select table1.a from table1 join table2 on table1.a = table2.a 正确。join是shuffle最主要的场景
  3. select col1,count(1) as ct from table group by col1 正确。聚合也会产生shuffle
  4. select col1, col2, row_number() over(partition by col1,sort by col2 desc) as rn from table 正确。窗口函数中有分区操作，也产生来shuffle

根据你对shuffle过程的理解，以下哪种⽅式可能会优化shuffle性能？(多选)

  1. 增加Executor个数 正确。增加资源不仅对shuffle性能好，对任何计算操作都有很大帮助
  2. 增加并行度 正确。增加task数量，相当于减少每个task处理的数据量。在task处理的数据量巨大的情况下是很有帮助的
  3. 合并输入小文件 正确。初始task由输入文件的个数决定，如果小文件过多，会导致每个task处理数据量小且task数过多。适当的合并输入小文件可以提升性能
  4. 先join，再过滤 错误。应该先过滤，在join。这样会减少shuffle中产生的数据量，提升shuffle效率

并⾏度越⼤越好吗？为什么？

并不是。在每个task处理的数据量过多时，可以适当增加并行度来减少每个task处理的数据量，以此增加速度。但当task处理的数据量非常小时，可以适当的减小并行度来减少task个数，因为driver在生成、分配、监视task时需要消耗时间，executor在切换处理task时也需要消耗时间。这些额外的消耗积少成多，增加了任务总时长。

Driver的功能是什么，有什么作用？

Driver主控进程，负责产生DAG和提交job，解析sql的逻辑和物理执行计划，不涉及具体的计算。而Executor负责具体的数据计算和缓存RDD等，执行具体的task任务。

贡献者

codingLab

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