双倍提升Apache Spark排序性能
摘要: 区别常见的Embarrassingly Parallel系统，类似MapReduce和Apache Spark（Apache Hadoop的下一代数据处理引擎）这样的计算引擎主要区别在于对“all-to-all” 操作的支持上。和许多分布式引擎一样，MapReduce和Spark的 ...| Cloudera和英特尔公司的工程师们正在通力合作，旨在使Spark shuffle阶段具有更高的可扩展性和稳定性。本文对相关方法的设计进行了详细描述。 区别常见的Embarrassingly Parallel系统，类似MapReduce和Apache Spark（Apache Hadoop的下一代数据处理引擎）这样的计算引擎主要区别在于对“all-to-all” 操作的支持上。和许多分布式引擎一样，MapReduce和Spark的操作通常针对的是被分片数据集的子分片，很多操作每次只处理单个数据节点，同时这些操作所涉及到的数据往往都只存在于这个数据片内。all-to-all操作必须将数据集看作一个整体，而每个输出结果都可以总结自不同分片上的记录。Spark的groupByKey、sortByKey，还有reduceByKey这些shuffle功能都属于这方面常见的操作。 在这些分布式计算引擎中，shuffle指的是在一个all-to-all操作中将数据再分割和聚合的操作。显而易见，在实践生产中，我们在Spark部署时所发现的大多性能、可扩展性及稳定性问题都是在shuffle过程中产生的。 Cloudera和英特尔的工程师们正通力合作以扩展Spark的shuffle，使得shuffle可以更加快速与稳定地处理大量的数据集。Spark在很多方面相较MapReduce有更多优势，同时又在稳定性与可扩展性上相差无几。在此，我们从久经考验的MapReduce shuffle部署中吸取经验，以提高排序数据输出的shuffle性能。 在本文中，我们将会逐层解析——介绍目前Spark shuffle的运作实现模式，提出修改建议，并对性能的提高方式进行分析。更多的工作进展可以于正在进行中的SPARK-2926发现。 Spark目前的运作实现模式一个shuffle包含两组任务：1. 产生shuffle数据的阶段；2.使用shuffle数据的阶段。鉴于历史原因，写入数据的任务被称做“map task”，而读取数据的任务被称做“reduce tasks”，但是以上角色分配只局限于单个job的某个具体shuffle过程中。在一个shuffle中扮演reduce的task，在另一个shuffle中可能就是map了，因为它在前者里面执行的是读取操作，而在后者中执行的是数据写入任务，并在随后的阶段中被消费。 MapReduce和Spark的shuffle都使用到了“pull”模式。在每个map任务中，数据被写入本地磁盘，然后在reduce任务中会远程请求读取这些数据。由于shuffle使用的是all-to-all模式，任何map任务输出的记录组都可能用于任意reduce。一个job在map时的shuffle操作基于以下原则：所有用于同一个reduce操作的结果都会被写入到相邻的组别中，以便获取数据时更为简单。 Spark默认的shuffle实现（即hash-based shuffle）是map阶段为每个reduce任务单独打开一个文件，这种操作胜在简单，但实际中却有一些问题，比如说实现时Spark必须维持大量的内存消耗，或者造成大量的随机磁盘I/O。此外，如果M和R分别代表着一个shuffle操作中的map和reduce数量，则hash-based shuffle需要产生总共M*R个数量的临时文件，Shuffle consolidation将这个数量减至C*R个（这里的C代表的是同时能够运行的map任务数量），但即便是经过这样的修改之后，在运行的reducer数量过多时还是经常会出现“文件打开过多”的限制。
Hash-based shuffle中单个map任务 Sort-based shuffle中单个map任务 为了进一步提高shuffle的稳定性与性能，从1.1版本开始，Spark引入了“sort-based shuffle”实现，其功能与MapReduce使用的map方式十分类似。在部署时，每个任务的map输出结果都会被储存在内存里（直到可用内存耗尽），然后在reduce任务中进行排序，之后再spill到一个单独的文件。如果在单个任务中该操作发生了多次，那么这个任务的输出将被合并。 在reduced的过程中，一组线程负责抓取远程的map输出blocks。当数据进入后，它们会被反序列化，再转化成一个适用于执行all-to-all操作的数据结构。在类似groupByKey、reduceByKey，还有aggregateByKey之类的聚合操作中，其结果会变成一个ExternalAppendOnlyMap（本质上是一个内存溢出时会spill到硬盘的哈希map）。在类似sortByKey的排序操作中，输出结果会变成一个ExternalSorter（将结果分类后可能会spill到硬盘，并在对结果进行排序后返回一个迭代程序）。 |
