【世界播资讯】Spark系列 - (2) Spark核心概念

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【世界播资讯】Spark系列 - (2) Spark核心概念

2023-02-22 22:01:50 来源：博客园

本文主要介绍Spark的核心知识点，

2. Spark 核心概念

主要介绍Spark核心概念RDD以及相应的API。

(资料图片)

2.1 RDD介绍

RDD（Resilient Distributed Dataset）叫做弹性分布式数据集，是Spark中最基本的数据抽象。代码中是一个抽象类，它代表一个弹性的、只读的、可分区的、支持并行计算的分布式数据集合，这个数据集的全部或部分可以缓存在内存中，在多次计算间重用。

数据集：RDD 是数据集合的抽象，是复杂物理介质上存在数据的一种逻辑视图。从外部来看，RDD 的确可以被看待成经过封装，带扩展特性（如容错性）的数据集合。
分布式：RDD的数据可能在物理上存储在多个节点的磁盘或内存中，也就是所谓的多级存储。
弹性：如果数据集的一部分数据丢失，则可以对它进行重建；具有自动容错，位置感知调度和可伸缩性，而容错性是最难实现的。
大部分分布式数据集的容错性有两种：数据检查点（成本高）和记录数据的更新（依赖关系）。

2.2 RDD特点

RDD 表示只读的分区的数据集，对RDD进行改动，只能通过RDD的转换操作，由一个RDD得到一个新的RDD，新的RDD包含了从其他RDD衍生所必需的信息。RDDs之间存在依赖，RDD的执行是按照血缘关系延时计算的。如果血缘关系较长，可以通过持久化RDD来切断血缘关系。

2.2.1 弹性

存储的弹性：内存与磁盘的自动切换；
容错的弹性：数据丢失可以自动恢复；
计算的弹性：计算出错重试机制；
分片的弹性：可根据需要重新分片。

2.2.2 分区

RDD对象实质上是一个元数据结构，存储着Block、Node等映射关系，以及其他元数据信息。一个RDD就是一组分区（Partition），RDD的每个分区Partition对应一个Block， Block可以存储在内存，当内存不够时可以存储到磁盘上。

RDD的数据源也可以存储在HDFS上，数据按照HDFS分布策略进行分区，HDFS中的一个 Block对应Spark RDD的一个Partition。

2.2.3 只读

RDD是只读的，要想改变RDD中的数据，只能在现有的RDD基础上创建新的RDD。由一个RDD转换到另一个RDD，可以通过丰富的操作算子实现，不再像MapReduce那样只能写map和reduce了。

RDD的操作算子包括两类，一类叫做transformations，它是用来将RDD进行转化，构建RDD的血缘关系；另一类叫做actions，它是用来触发RDD的计算，得到RDD的相关计算结果或者将RDD保存到文件系统中。

2.2.4 依赖

RDDs 通过操作算子进行转换，转换得到的新 RDD 包含了从其他 RDDs 衍生所必需的信息，RDDs 之间维护着这种血缘关系，也称之为依赖。如下图所示，依赖包括两种，一种是窄依赖，RDDs 之间分区是一一对应的，另一种是宽依赖，下游 RDD 的每个分区与上游 RDD(也称之为父 RDD)的每个分区都有关，是多对多的关系。

2.2.5 缓存

如果在应用程序中多次使用同一个RDD，可以将该RDD缓存起来，该RDD只有在第一次计算的时候会根据血缘关系得到分区的数据，在后续其他地方用到该RDD的时候，会直接从缓存处取而不用再根据血缘关系计算，这样就加速后期的重用。如下图所示，RDD1经过一系列的转换后得到RDD-n并保存到 HDFS，RDD-1 在这一过程中会有个中间结果，如果将其缓存到内存，那么在随后的 RDD-1 转换到 RDD-m 这一过程中，就不会计算其之前的 RDD-0 了。

2.3 RDD编程及其基本操作

在Spark中，RDD被表示为对象，通过对象上的方法调用来对 RDD 进行转换。经过一系列的 transformations 定义 RDD 之后，就可以调用 actions 触发 RDD 的计算，action 可以是向应用程序返回结果(count, collect 等)，或者是向存储系统保存数据(saveAsTextFile 等)。在 Spark 中，只有遇到 action，才会执行 RDD 的计算(即延迟计算)，这样在运行时可以通过管道的方式传输多个转换。

2.3.1 RDD创建

在Spark中创建 RDD 的创建方式可以分为三种：从集合中创建 RDD；从外部存储创建RDD；从其他RDD创建。

从集合中创建

从集合中创建 RDD，Spark主要提供了两种函数：parallelize 和 makeRDD。

val rdd = sc.parallelize(Array(1,2,3,4,5,6,7,8))val rdd1 = sc.makeRDD(Array(1,2,3,4,5,6,7,8))

从外部存储系统的数据集创建：包括本地的文件系统，还有所有 Hadoop 支持的数据集，比如 HDFS、Cassandra、HBase 等。
从其他RDD创建：一般通过各种transformation操作，来实现不同RDD之间的转换。

2.3.2 RDD的转换（transformations）

RDD整体上分为Value类型和Key-Value类型。

首先介绍Value类型的操作：

map(func)：返回一个新的RDD，该RDD由每一个输入元素经过func函数转换后组成。
mapPartitions(func)：类似于map，但独立地在RDD的每一个分片上运行，因此在类型为T的RDD上运行时，func的函数类型必须是Iterator[T]=>Iterator[U]。假设有N个元素，有M个分区，那么map函数将被调用N次，而mapPartitions被调用M次，一个函数一次处理所有分区。
mapPartitionsWithIndex(func)：类似于 mapPartitions，但func带有一个整数参数表示分片的索引值，因此在类型为T的RDD上运行时，func的函数类型必须是(Int, Interator[T]) => Iterator[U]；

val rdd = sc.parallelize(Array(1,2,3,4))val indexRdd = rdd.mapPartitionsWithIndex((index,items)=>(items.map((index,_))))indexRdd.collect# res2: Array[(Int, Int)] = Array((0,1), (0,2), (1,3), (1,4))

map()和mapPartition()的区别:map()：每次处理一条数据。mapPartition()：每次处理一个分区的数据，这个分区的数据处理完后，原 RDD 中分区的数据才能释放，可能导致 OOM。

flatMap(func)：类似于map，但是每一个输入元素可以被映射为0或多个输出元素（所以func 应该返回一个序列，而不是单一元素）。多用来将嵌套的数据『打平』。

比如一个包含三行内容的数据文件“README.md”。a b cd经过以下转换过程：val textFile = sc.textFile("README.md")textFile.flatMap(_.split(" ")) 其实就是经历了以下转换：["a b c", "", "d"] => [["a","b","c"],[],["d"]] => ["a","b","c","d"]# 在这个示例中，flatMap就把包含多行数据的RDD，即[“a b c”, “”, “d”] ，转换为了一个包含多个单词的集合。实际上，flatMap相对于map多了的是[[“a”,”b”,”c”],[],[“d”]] => [“a”,”b”,”c”,”d”]这一步。

map(func)函数会对每一条输入进行指定的func操作，然后为每一条输入返回一个对象；而flatMap(func)也会对每一条输入进行执行的func操作，然后每一条输入返回一个相对，但是最后会将所有的对象再合成为一个对象；从返回的结果的数量上来讲，map返回的数据对象的个数和原来的输入数据是相同的，而flatMap返回的个数则是不同的。

glom:将每一个分区形成一个数组，形成新的 RDD 类型时 RDD[Array[T]]。
groupBy(func)：分组，按照传入函数的返回值进行分组。将相同的 key 对应的值放入一个迭代器。
filter(func)：过滤。返回一个新的 RDD，该 RDD 由经过 func 函数计算后返回值为 true 的输入元素组成。
sample(withReplacement, fraction, seed)：以指定的随机种子随机抽样出数量为 fraction 的数据，withReplacement 表示是抽出的数据是否放回，true 为有放回的抽样，false 为无放回的抽样，seed 用于指定随机数生成器种子。
distinct([numTasks]))：对源RDD进行去重后返回一个新的RDD。默认情况下，只有8个并行任务来操作，但是可以传入一个可选的numTasks参数改变它。
coalesce(numPartitions)：缩减分区数，用于大数据集过滤后，提高小数据集的执行效率。
repartition(numPartitions)：根据分区数，重新通过网络随机洗牌所有数据。

coalesce和repartition的区别
coalesce 重新分区，可以选择是否进行 shuffle 过程。由参数 shuffle: Boolean = false/true决定。
repartition 实际上是调用的 coalesce，进行 shuffle。源码如下：
def repartition(numPartitions: Int)(implicit ord: Ordering[T] = null): RDD[T] = withScope {   coalesce(numPartitions, shuffle = true)}

sortBy(func,[ascending], [numTasks])：使用 func 先对数据进行处理，按照处理后的数据比较结果排序，默认为正序。
pipe(command, [envVars])：管道，针对每个分区，都执行一个 shell 脚本，返回输出的 RDD。（注意：脚本需要放在 Worker 节点可以访问到的位置）

除了单Value的类型，还有很多情况下需要进行双Value的操作：

union(otherDataset)：对源RDD和参数RDD求并集后返回一个新的RDD。
subtract (otherDataset)：计算差的一种函数，去除两个RDD中相同的元素，不同的 RDD将保留下来。
intersection(otherDataset)：对源RDD和参数RDD求交集后返回一个新的RDD。
cartesian(otherDataset)：笛卡尔积（尽量避免使用），两个RDD中每个元素间相互组合，产生新的RDD。
zip(otherDataset):将两个 RDD 组合成 Key/Value 形式的 RDD,这里默认两个 RDD 的 partition 数量以及元素数量都相同，否则会抛出异常。

接下来介绍Key-Value类型的操作：

partitionBy：对pairRDD进行分区操作，如果原有的partionRDD和现有的partionRDD是一致的话就不进行分区，否则会生成ShuffleRDD，即会产生shuffle过程。
reduceByKey(func, [numTasks])：在一个(K,V)的 RDD 上调用，返回一个(K,V)的 RDD，使用指定的 reduce 函数，将相同 key 的值聚合到一起，reduce 任务的个数可以通过第二个可选的参数来设置。
groupByKey：groupByKey也是对每个key进行操作，但只生成一个seq。

reduceByKey、groupByKey区别：
reduceByKey：按照key进行聚合，在shuffle之前有combine（预聚合）操作，返回结果是 RDD[k,v]。下图可以看到，在数据对被搬移前，同一机器上同样的key先进行预聚合，然后在每个分区上被再次调用来将所有值reduce成最终结果。因此reduceByKey函数更适合使用在大数据集上。
groupByKey：按照key进行分组，直接进行shuffle。当调用 groupByKey时，所有的键值对(key-value pair) 都会被移动,在网络上传输这些数据非常没必要，因此避免使用 GroupByKey。

aggregateByKey：(zeroValue:U,[partitioner: Partitioner]) (seqOp: (U, V) => U,combOp: (U, U) => U)：在kv对的RDD中，按key将value进行分组合并，合并时，将每个value和初始值作为seq函数的参数，进行计算，返回的结果作为一个新的kv对，然后再将结果按照key进行合并，最后将每个分组的value传递给combine函数进行计算（先将前两个value进行计算，将返回结果和下一个value传给combine函数，以此类推），将key与计算结果作为一个新的kv对输出。

（1）zeroValue：给每一个分区中的每一个 key 一个初始值；（2）seqOp：函数用于在每一个分区中用初始值逐步迭代 value；（3）combOp：函数用于合并每个分区中的结果。

下面是一个具体例子：

foldByKey，参数(zeroValue: V)(func: (V, V) => V): RDD[(K, V)]

aggregateByKey的简化操作，seqop和combop相同。

combineByKey，参数(createCombiner: V => C, mergeValue: (C, V) => C, mergeCombiners: (C, C) => C)，作用是针对相同K，将V合并成一个集合。

（1）createCombiner: combineByKey() 会遍历分区中的所有元素，因此每个元素的键要么还没有遇到过，要么就和之前的某个元素的键相同。如果这是一个新的元素,combineByKey()会使用一个叫作 createCombiner()的函数来创建那个键对应的累加器的初始值。
（2）mergeValue: 如果这是一个在处理当前分区之前已经遇到的键，它会使用 mergeValue()方法将该键的累加器对应的当前值与这个新的值进行合并。
（3）mergeCombiners: 由于每个分区都是独立处理的，因此对于同一个键可以有多个累加器。如果有两个或者更多的分区都有对应同一个键的累加器，就需要使用用户提供的 mergeCombiners() 方法将各个分区的结果进行合并。

具体例子如下：

sortByKey([ascending], [numTasks])：在一个(K,V)的 RDD 上调用，K 必须实现 Ordered接口，返回一个按照key进行排序的(K,V)的RDD。
mapValues：针对于(K,V)形式的类型只对V进行操作。
join(otherDataset, [numTasks])：在类型为(K,V)和(K,W)的 RDD 上调用，返回一个相同 key 对应的所有元素对在一起的(K,(V,W))的 RDD。
cogroup(otherDataset, [numTasks])：在类型为(K,V)和(K,W)的 RDD 上调用，返回一个(K,(Iterable,Iterable))类型的 RDD。和join的不同点在于返回的是迭代器。

2.3.3 RDD的Action操作

reduce(func)：通过 func 函数聚集 RDD 中的所有元素，先聚合分区内数据，再聚合分区间数据。
collect（）：在驱动程序中，以数组的形式返回数据集的所有元素。
count()：返回RDD中元素的个数。
first（）返回RDD中的第一个元素。
take（n）：返回一个由 RDD 的前 n 个元素组成的数组。
takeOrdered(n)：返回该 RDD 排序后的前 n 个元素组成的数组。
aggregate，参数：(zeroValue: U)(seqOp: (U, T) ⇒ U, combOp: (U, U) ⇒ U)，aggregate 函数将每个分区里面的元素通过 seqOp 和初始值进行聚合，然后用 combine 函数将每个分区的结果和初始值(zeroValue)进行 combine 操作。这个函数最终返回的类型不需要和 RDD 中元素类型一致。
fold(num)(func)：折叠操作，aggregate的简化操作，seqop和combop一样。
saveAsTextFile(path)：将数据集的元素以 textfile 的形式保存到 HDFS 文件系统或者其他支持的文件系统，对于每个元素，Spark 将会调用 toString 方法，将它装换为文件中的文本。
saveAsSequenceFile(path):将数据集中的元素以 Hadoop sequencefile 的格式保存到指定的目录下，可以使 HDFS 或者其他 Hadoop 支持的文件系统。
saveAsObjectFile(path)：用于将 RDD 中的元素序列化成对象，存储到文件中。
countByKey():针对(K,V)类型的 RDD，返回一个(K,Int)的 map，表示每一个 key 对应的元素个数。
foreach(func):在数据集的每一个元素上，运行函数 func 进行更新。

2.4 RDD依赖关系

2.4.1 宽窄依赖

RDD只支持粗粒度转换，即在大量记录上执行的单个操作。将创建 RDD 的一系列 Lineage（血统）记录下来，以便恢复丢失的分区。RDD 的 Lineage 会记录 RDD 的元数据信息和转换行为，当该 RDD 的部分分区数据丢失时，它可以根据这些信息来重新运算和恢复丢失的数据分区。

RDD 和它依赖的父 RDD（s）的关系有两种不同的类型，即窄依赖（narrow dependency）和宽依赖（wide dependency）。

窄依赖指的是每一个父 RDD 的 Partition 最多被子 RDD 的一个 Partition 使用,窄依赖我们形象的比喻为独生子女：

宽依赖指的是多个子 RDD 的 Partition 会依赖同一个父 RDD 的 Partition，会引起 shuffle,总结：宽依赖我们形象的比喻为超生：

2.4.2 DAG以及任务划分

DAG(Directed Acyclic Graph)叫做有向无环图，原始的 RDD 通过一系列的转换就就形成了 DAG，根据 RDD 之间的依赖关系的不同将 DAG 划分成不同的 Stage，对于窄依赖，partition 的转换处理在 Stage 中完成计算。对于宽依赖，由于有 Shuffle 的存在，只能在 parent RDD 处理完成后，才能开始接下来的计算，因此宽依赖是划分 Stage 的依据。

任务划分

RDD 任务切分中间分为：Application、Job、Stage 和 Task

1）Application：初始化一个 SparkContext 即生成一个 Application

2）Job：一个 Action 算子就会生成一个 Job

3）Stage：根据 RDD 之间的依赖关系的不同将 Job 划分成不同的 Stage，遇到一个宽依赖则划分一个 Stage。

4）Task：Stage 是一个 TaskSet，将 Stage 划分的结果发送到不同的 Executor 执行即为一个 Task。

注意：Application->Job->Stage->Task 每一层都是1对n的关系。

2.4.3 缓存

RDD 通过 persist 方法或 cache 方法可以将前面的计算结果缓存，默认情况下 persist() 会把数据以序列化的形式缓存在 JVM 的堆空间中。但是并不是这两个方法被调用时立即缓存，而是触发后面的 action 时，该 RDD 将会被缓存在计算节点的内存中，并供后面重用。

通过查看源码发现cache最终也是调用了persist方法，默认的存储级别都是仅在内存存储一份，Spark 的存储级别还有好多种，存储级别在object StorageLevel中定义的。

在存储级别的末尾加上“_2”来把持久化数据存为两份

缓存有可能丢失，或者存储存储于内存的数据由于内存不足而被删除，RDD 的缓存容错机制保证了即使缓存丢失也能保证计算的正确执行。通过基于 RDD 的一系列转换，丢失的数据会被重算，由于 RDD 的各个 Partition 是相对独立的，因此只需要计算丢失的部分即可，并不需要重算全部 Partition。

2.4.4 RDD CheckPoint

Spark 中对于数据的保存除了持久化操作之外，还提供了一种检查点的机制，检查点（本质是通过将 RDD 写入 Disk 做检查点）是为了通过 lineage 做容错的辅助，lineage 过长会造成容错成本过高，这样就不如在中间阶段做检查点容错，如果之后有节点出现问题而丢失分区，从做检查点的 RDD 开始重做 Lineage，就会减少开销。检查点通过将数据写入到 HDFS 文件系统实现了 RDD 的检查点功能。

为当前RDD设置检查点。该函数将会创建一个二进制的文件，并存储到checkpoint目录中，该目录是用Context.setCheckpointDir()设置的。在 checkpoint的过程中，该RDD的所有依赖于父RDD中的信息将全部被移除。对RDD进行checkpoint操作并不会马上被执行，必须执行Action操作才能触发。

2.5 键值对的RDD分区

Spark 目前支持 Hash 分区和 Range 分区，用户也可以自定义分区，Hash 分区为当前的默认分区，Spark 中分区器直接决定了 RDD 中分区的个数、RDD 中每条数据经过 Shuffle 过程属于哪个分区和 Reduce 的个数

注意：(1)只有 Key-Value 类型的 RDD 才有分区的，非 Key-Value 类型的 RDD 分区的值是 None(2)每个 RDD 的分区 ID 范围：0~numPartitions-1，决定这个值是属于那个分区的。

可以通过使用 RDD 的 partitioner 属性来获取 RDD 的分区方式。它会返回一个 scala.Option 对象，通过 get 方法获取其中的值。

2.5.1 Hash分区

HashPartitioner 分区的原理：对于给定的key，计算其hashCode，并除以分区的个数取余，如果余数小于0，则用余数+分区的个数（否则加 0），最后返回的值就是这个key所属的分区ID。

2.5.2 Ranger分区

HashPartitioner 分区弊端：可能导致每个分区中数据量的不均匀，极端情况下会导致某些分区拥有 RDD 的全部数据。

RangePartitioner 作用：将一定范围内的数映射到某一个分区内，尽量保证每个分区中数据量的均匀，而且分区与分区之间是有序的，一个分区中的元素肯定都是比另一个分区内的元素小或者大，但是分区内的元素是不能保证顺序的。简单的说就是将一定范围内的数映射到某一个分区内。实现过程为：

第一步：先重整个 RDD 中抽取出样本数据，将样本数据排序，计算出每个分区的最大 key 值，形成一个 Array[KEY]类型的数组变量 rangeBounds；

第二步：判断 key 在 rangeBounds 中所处的范围，给出该 key 值在下一个 RDD 中的分区 id 下标；该分区器要求 RDD 中的 KEY 类型必须是可以排序的。

2.5.3 自定义分区

要实现自定义的分区器，你需要继承 org.apache.spark.Partitioner 类并实现下面三个方法。

（1）numPartitions: Int:返回创建出来的分区数。

（2）getPartition(key: Any): Int:返回给定键的分区编号(0 到 numPartitions-1)。

（3）equals():Java 判断相等性的标准方法。这个方法的实现非常重要，Spark 需要用这个方法来检查你的分区器对象是否和其他分区器实例相同，这样 Spark 才可以判断两个 RDD 的分区方式是否相同。

2.6 文件数据读取与保存

2.6.1 Text文件

数据读取: textFile(String)数据保存：saveAsTextFile(String)

2.6.2 Json文件

如果 JSON 文件中每一行就是一个 JSON 记录，那么可以通过将 JSON 文件当做文本文件来读取，然后利用相关的 JSON 库对每一条数据进行 JSON 解析。

注意：使用 RDD 读取 JSON 文件处理很复杂，同时 SparkSQL 集成了很好的处理 JSON 文件的方式，所以应用中多是采用 SparkSQL 处理 JSON 文件。

2.6.3 Sequence文件

SequenceFile 文件是用来存储二进制形式的 key-value 对而设计的一种平面文件(Flat File)。Spark 有专门用来读取 SequenceFile 的接口。在 SparkContext 中，可以调用 sequenceFile [ keyClass, valueClass] (path)。

注意：SequenceFile 文件只针对 PairRDD

2.6.4 对象文件

对象文件是将对象序列化后保存的文件，采用 Java 的序列化机制。可以通过 objectFilek,v 函数接收一个路径，读取对象文件，返回对应的 RDD，也可以通过调用 saveAsObjectFile() 实现对对象文件的输出。因为是序列化所以要指定类型。

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关键词：一个新的文件系统