Spark-Shuffle原理

前言

Spark Shuffle是大众讨论的比较多的话题了。它是Spark任务执行过程中最为重要的过程之一。那么什么是Shuffle呢？
Shuffle一般被翻译成数据混洗，是类MapReduce分布式计算框架独有的机制，也是这类分布式计算框架最重要的执行机制。接下来会按照两个层面来谈谈Shuffle机制。分别为：

• 逻辑层面
• 物理层面

逻辑层面主要是从RDD的血缘出发，从DAG的角度来讲解Shuffle，另外也会说明Spark容错机制。物理层面是从执行角度来剖析Shuffle是如何发生的

1. RDD血缘与Spark容错

从血缘角度出发就需先了解DAG，DAG被称之为有向无环图。在DAG中，最初的RDD被成为基础RDD，在基础RDD之上使用算子的过程中后续生成RDD被成为一个个子RDD，它们之间存在依赖关系。无论哪个RDD出现问题，都可以由这种依赖关系重新计算而成。这种依赖关系就被成为RDD血缘。血缘的表现方式主要分为宽依赖与窄依赖。

1.1 窄依赖与宽依赖

窄依赖的标准定义是：子RDD中的分区与父RDD中的分区只存在一对一的映射关系。
宽依赖的标准定义是：子RDD中分区与父RDD中分区存在一对多的映射关系。

从实际算子来说，map，filter，union等就是窄依赖，而groupByKey，reduceByKey就是典型的宽依赖。

宽依赖还有个名字，叫shuffle依赖，也就是说宽依赖必然会发生在shuffle操作，shuffle也是划分stage的重要依据。而窄依赖由于不需要发生shuffle，所有计算都是在分区所在节点完成，类似于MR中的ChainMapper。所以说，在如果在程序中选取的算子形成了宽依赖，那么就必然会触发shuffle。
所以当RDD在shuffle过程中某个分区出现了故障，只需要找到当前对应的Stage，而这个Stage必然是某个shuffle算子所进行划分的，找到了这个算子，就离定位错误原因越来越近了。

如上图所示，如果P1_0分区发生故障，那么按照依赖关系，则需要P0_0与P0_1的分区重算，P0_0与P0_1没有持久化，就会不断回溯，直到找到存在的父分区为止。至于为什么要持久化，原因就是当计算逻辑复杂时，就会引发依赖链过长，如果其中的某个RDD发生了问题。若没有进行持久化，Spark则会根据RDD血缘关系进行重头开始计算。重算显然对我们是代价极高的，所以用户可以在计算过程中，适当的调用RDD的checkpoint方法，保存好当前算好的中间结果，这样依赖关系链就会大大的缩短。因为checkpoint其实是会切断血缘的。这就是RDD的血缘机制即RDD的容错机制。

而Spark的容错机制则是主要分为资源管理平台的容错和Spark应用的容错。

1.2 Spark的容错机制

Spark的应用是基于资源管理平台运行的，所以资源管理平台的容错也是Spark容错的一部分，如Yarn的ResourceManager HA机制。在Spark应用执行的过程中，可能会遇到以下几种失败情况：

• Driver出错
• Executor出错
• Task出错

Dirver执行失败是Spark应用最严重的一种情况，因为它标记着整个作业的执行失败，需要开发人员手动重启Driver。而Executor报错通常是所在的Worker出错，这时Driver就会将执行失败的Task调度到另一个Executor继续执行，重新执行的Task会根据RDD的依赖关系继续计算，并将报错的Executor从可用的Executor列表中移除。Spark会对执行失败的Task进行重试，重试3次后若依然出错，则整个作业就会失败。而在这个过程中，数据恢复和重试都依赖于RDD血缘机制。

2. Spark Shuffle

很多算子都会引起RDD中的数据进行重分区，新的分区被创建，旧的分区被合并或者打碎，在重分区过程中，如果数据发生了跨节点移动，就被称为Shuffle。 Spark对Shuffle的实现方式有两种：Hash Shuffle与Sort-based Shuffle，这其实是一个优化的过程。在较老的版本中，Spark Shuffle的方式可以通过spark.shuffle.manager配置项进行配置，而在最新的版本中，已经移除了该配置项，统一称为Sort-based Shuffle。

2.1 Hash Shuffle

在Spark 1.6.3之前，Hash Shuffle都是Spark Shuffle的解决方案之一。Shuffle的过程一般分为两个部分：Shuffle Write和Shuffle Fetch，前者是Map任务划分分区，输出中间结果，而后者则是Reduce任务获取到的这些中间结果。Hash Shuffle的过程如图下所示：

图中，Shuffle Write发生在一个节点上，执行shuffle任务的CPU核数为1，可以同时执行两个任务，每个任务输出的分区数与Reducer数相同，即为3。每个分区都有一个缓冲区（bucket）用来接收结果，每个缓冲区的大小由配置spark.shuffle.file.buffer.kb决定。这样每个缓冲区写满后，就会输出到一个文件段中。而Reducer就会去相应的节点拉取文件。

这样设计起来其实是不复杂的。但问题也很明显，主要有两个：

• 生成的文件个数太大。理论上，每个Shuffle任务输出会产生R个文件（由Reduce个数决定），而Shuffle任务的个数往往是由Map任务个数M决定的，所以总共会生成M * R个中间结果文件，而在大型作业中，若是M和R都是很大的数字的话，就会出现文件句柄数突破操作系统的限制。
• 缓冲区占用内存空间过大。 单节点在执行Shuffle任务时缓存区大小消耗(spark.shuffle.file.buffer.kb) × m × R , m为该节点运行的shuffle个数，如果一个核可以执行一个任务，那么m就与cpu核数相等。这对于有32，64核的服务器来说都是不小的内存开销。所有为了解决第一个问题，Spark引入了Flie Consolidation机制，指通过共同输出文件以降低文件数，如下图所示：

每当Shuffle输出时，同一个CPU核心处理的Map任务的中间结果会输出到同分区的一个文件中，然后Reducer只需要一次性将整个文件拿到即可。这样，Shuffle产生的文件数为C（CPU核数）* R。Spark的FileConsolidation机制默认开启，可以通过spark.shuffle.consolidateFiles配置项进行配置。

2.2 Sort-based Shuffle

即便是引入了FlieConsolidation后，还是无法根本解决中间文件数太大的问题，这时候Sort-based Shuffle才算是真正的引入进来。如图所示：

• 每个Map任务会最后只输出两个文件（其中一个是索引文件），其中间过程采用MapReduce一样的归并排序，但是会用索引文件记录每个分区的偏移量，输出完成后，Reducer会根据索引文件得到属于自己的分区，这种情况下，shuffle产生的中间结果文件为2 * M（M为Map任务数）。
• 在基于排序的 Shuffle 中， Spark 还提供了一种折中方案——Bypass Sort-based Shuffle，当 Reduce 任务小于 spark.shuffle.sort.bypassMergeThreshold 配置（默认 200）时，Spark Shuffle 开始按照 Hash Shuffle 的方式处理数据，而不用进行归并排序，只是在 Shuffle Write 步骤的最后，将其合并为 1 个文件，并生成索引文件。这样实际上还是会生成大量的中间文件，只是最后合并为 1 个文件并省去排序所带来的开销，该方案的准确说法是 Hash Shuffle 的Shuffle Fetch 优化版。

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