Spark（三）RDD与广播变量、累加器

一、RDD的概述

1.1 什么是RDD

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，它代表一个不可变、可分区、里面的元素可并行计算的集合。RDD具有数据流模型的特点：自动容错、位置感知性调度和可伸缩性。RDD允许用户在执行多个查询时显式地将工作集缓存在内存中，后续的查询能够重用工作集，这极大地提升了查询速度。

1.2 RDD的属性

（1）一组分片（Partition），即数据集的基本组成单位。对于RDD来说，每个分片都会被一个计算任务处理，并决定并行计算的粒度。用户可以在创建RDD时指定RDD的分片个数，如果没有指定，那么就会采用默认值。默认值就是程序所分配到的CPU Core的数目。

（2）一个计算每个分区的函数。Spark中RDD的计算是以分片为单位的，每个RDD都会实现compute函数以达到这个目的。compute函数会对迭代器进行复合，不需要保存每次计算的结果。

（3）RDD之间的依赖关系。RDD的每次转换都会生成一个新的RDD，所以RDD之间就会形成类似于流水线一样的前后依赖关系。在部分分区数据丢失时，Spark可以通过这个依赖关系重新计算丢失的分区数据，而不是对RDD的所有分区进行重新计算。

（4）一个Partitioner，即RDD的分片函数。当前Spark中实现了两种类型的分片函数，一个是基于哈希的HashPartitioner，另外一个是基于范围的RangePartitioner。只有对于于key-value的RDD，才会有Partitioner，非key-value的RDD的Parititioner的值是None。Partitioner函数不但决定了RDD本身的分片数量，也决定了parent RDD Shuffle输出时的分片数量。

（5）一个列表，存储存取每个Partition的优先位置（preferred location）。对于一个HDFS文件来说，这个列表保存的就是每个Partition所在的块的位置。按照“移动数据不如移动计算”的理念，Spark在进行任务调度的时候，会尽可能地将计算任务分配到其所要处理数据块的存储位置。

1.3 WordCount粗图解RDD

其中hello.txt

二、RDD的创建方式

2.1 读取文件生成

可以从Hadoop支持的任何存储源创建分布式数据集，包括本地文件系统，HDFS，Cassandra，HBase等

scala> val file = sc.textFile("/spark/hello.txt")

2.2 并行化方式创建RDD

由一个已经存在的Scala集合创建。

scala> val array = Array(,,,,)
array: Array[Int] = Array(, , , , )

scala> val rdd = sc.parallelize(array)
rdd: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = ParallelCollectionRDD[] at parallelize at <console>:

scala> 

2.3 其他方式

读取数据库等等其他的操作。也可以生成RDD。

RDD可以通过其他的RDD转换而来的。

三、RDD编程API

Spark支持两个类型（算子）操作：Transformation和Action

3.1 Transformation

主要做的是就是将一个已有的RDD生成另外一个RDD。Transformation具有lazy特性(延迟加载)。Transformation算子的代码不会真正被执行。只有当我们的程序里面遇到一个action算子的时候，代码才会真正的被执行。这种设计让Spark更加有效率地运行。

常用的Transformation：

转换	含义
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
filter(func)	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
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）
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]
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]
sample(withReplacement, fraction, seed)	根据fraction指定的比例对数据进行采样，可以选择是否使用随机数进行替换，seed用于指定随机数生成器种子
union(otherDataset)	对源RDD和参数RDD求并集后返回一个新的RDD
intersection(otherDataset)	对源RDD和参数RDD求交集后返回一个新的RDD（交集）
distinct([numTasks]))	对源RDD进行去重后返回一个新的RDD
groupByKey([numTasks])	在一个(K,V)的RDD上调用，返回一个(K, Iterator[V])的RDD
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，与groupByKey类似，reduce任务的个数可以通过第二个可选的参数来设置
aggregateByKey(zeroValue)(seqOp, combOp, [numTasks])	先按分区聚合 再总的聚合   每次要跟初始值交流 例如：aggregateByKey(0)(_+_,_+_) 对k/y的RDD进行操作
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
sortBy(func,[ascending], [numTasks])	与sortByKey类似，但是更灵活 第一个参数是根据什么排序  第二个是怎么排序 false倒序   第三个排序后分区数  默认与原RDD一样
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  相当于内连接（求交集）
cogroup(otherDataset, [numTasks])	在类型为(K,V)和(K,W)的RDD上调用，返回一个(K,(Iterable<V>,Iterable<W>))类型的RDD
cartesian(otherDataset)	两个RDD的笛卡尔积  的成很多个K/V
pipe(command, [envVars])	调用外部程序
coalesce(numPartitions)	重新分区 第一个参数是要分多少区，第二个参数是否shuffle 默认false  少分区变多分区 true   多分区变少分区 false
repartition(numPartitions)	重新分区 必须shuffle  参数是要分多少区  少变多
repartitionAndSortWithinPartitions(partitioner)	重新分区+排序  比先分区再排序效率高  对K/V的RDD进行操作
foldByKey(zeroValue)(seqOp)	该函数用于K/V做折叠，合并处理 ，与aggregate类似   第一个括号的参数应用于每个V值  第二括号函数是聚合例如：_+_
combineByKey	合并相同的key的值 rdd1.combineByKey(x => x, (a: Int, b: Int) => a + b, (m: Int, n: Int) => m + n)
partitionBy（partitioner）	对RDD进行分区  partitioner是分区器 例如new HashPartition(2
cache	RDD缓存，可以避免重复计算从而减少时间，区别：cache内部调用了persist算子，cache默认就一个缓存级别MEMORY-ONLY ，而persist则可以选择缓存级别
persist
Subtract（rdd）	返回前rdd元素不在后rdd的rdd（差集）
leftOuterJoin	leftOuterJoin类似于SQL中的左外关联left outer join，返回结果以前面的RDD为主，关联不上的记录为空。只能用于两个RDD之间的关联，如果要多个RDD关联，多关联几次即可。
rightOuterJoin	rightOuterJoin类似于SQL中的有外关联right outer join，返回结果以参数中的RDD为主，关联不上的记录为空。只能用于两个RDD之间的关联，如果要多个RDD关联，多关联几次即可
subtractByKey	substractByKey和基本转换操作中的subtract类似只不过这里是针对K的，返回在主RDD中出现，并且不在otherRDD中出现的元素

3.2 Action

触发代码的运行，我们一段spark代码里面至少需要有一个action操作。

常用的Action:

动作	含义
reduce(func)	通过func函数聚集RDD中的所有元素，这个功能必须是课交换且可并联的
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的元素个数
first()	返回RDD的第一个元素（类似于take(1)）
take(n)	返回一个由数据集的前n个元素组成的数组
takeSample(withReplacement,num, [seed])	返回一个数组，该数组由从数据集中随机采样的num个元素组成，可以选择是否用随机数替换不足的部分，seed用于指定随机数生成器种子
takeOrdered(n, [ordering])	使用自然顺序或自定义比较器返回RDD 的前n个元素。
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)	使用Java序列化以简单格式编写数据集的元素，然后可以使用Java序列化加载SparkContext.objectFile()。
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。
aggregate	先对分区进行操作，在总体操作
reduceByKeyLocally
lookup
top
fold
foreachPartition

3.3 WordCount代码编写

使用maven进行项目构建

（1）使用scala进行编写

查看官方网站，需要导入2个依赖包

详细代码

SparkWordCountWithScala.scala

import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}

object SparkWordCountWithScala {
  def main(args: Array[String]): Unit = {

    val conf = new SparkConf()
    /**
      * 如果这个参数不设置，默认认为你运行的是集群模式
      * 如果设置成local代表运行的是local模式
      */
    conf.setMaster("local")
    //设置任务名
    conf.setAppName("WordCount")
    //创建SparkCore的程序入口
    val sc = new SparkContext(conf)
    //读取文件 生成RDD
    val file: RDD[String] = sc.textFile("E:\\hello.txt")
    //把每一行数据按照，分割
    val word: RDD[String] = file.flatMap(_.split(","))
    //让每一个单词都出现一次
    val wordOne: RDD[(String, Int)] = word.map((_,1))
    //单词计数
    val wordCount: RDD[(String, Int)] = wordOne.reduceByKey(_+_)
    //按照单词出现的次数 降序排序
    val sortRdd: RDD[(String, Int)] = wordCount.sortBy(tuple => tuple._2,false)
    //将最终的结果进行保存
    sortRdd.saveAsTextFile("E:\\result")
    sc.stop()
  }

运行结果

（2）使用java jdk7进行编写

SparkWordCountWithJava7.java

import org.apache.spark.SparkConf;
import org.apache.spark.api.java.JavaPairRDD;
import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;
import org.apache.spark.api.java.JavaSparkContext;
import org.apache.spark.api.java.function.FlatMapFunction;
import org.apache.spark.api.java.function.Function2;
import org.apache.spark.api.java.function.PairFunction;
import scala.Tuple2;
import java.util.Arrays;
import java.util.Iterator;

public class SparkWordCountWithJava7 {
    public static void main(String[] args) {
        SparkConf conf = new SparkConf();
        conf.setMaster("local");
        conf.setAppName("WordCount");
        JavaSparkContext sc = new JavaSparkContext(conf);
        JavaRDD<String> fileRdd = sc.textFile("E:\\hello.txt");

        JavaRDD<String> wordRDD = fileRdd.flatMap(new FlatMapFunction<String, String>() {
            @Override
            public Iterator<String> call(String line) throws Exception {
                return Arrays.asList(line.split(",")).iterator();
            }
        });

        JavaPairRDD<String, Integer> wordOneRDD = wordRDD.mapToPair(new PairFunction<String, String, Integer>() {
            @Override
            public Tuple2<String, Integer> call(String word) throws Exception {
                return new Tuple2<>(word, 1);
            }
        });

        JavaPairRDD<String, Integer> wordCountRDD = wordOneRDD.reduceByKey(new Function2<Integer, Integer, Integer>() {
            @Override
            public Integer call(Integer i1, Integer i2) throws Exception {
                return i1 + i2;
            }
        });

        JavaPairRDD<Integer, String> count2WordRDD = wordCountRDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String, Integer>, Integer, String>() {
            @Override
            public Tuple2<Integer, String> call(Tuple2<String, Integer> tuple) throws Exception {
                return new Tuple2<>(tuple._2, tuple._1);
            }
        });

        JavaPairRDD<Integer, String> sortRDD = count2WordRDD.sortByKey(false);

        JavaPairRDD<String, Integer> resultRDD = sortRDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<Integer, String>, String, Integer>() {
            @Override
            public Tuple2<String, Integer> call(Tuple2<Integer, String> tuple) throws Exception {
                return new Tuple2<>(tuple._2, tuple._1);
            }
        });

        resultRDD.saveAsTextFile("E:\\result7");

    }
}

（3）使用java jdk8进行编写

lambda表达式

SparkWordCountWithJava8.java

import org.apache.spark.SparkConf;
import org.apache.spark.api.java.JavaPairRDD;
import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;
import org.apache.spark.api.java.JavaSparkContext;
import scala.Tuple2;
import java.util.Arrays;

public class SparkWordCountWithJava8 {
    public static void main(String[] args) {
        SparkConf conf = new SparkConf();
        conf.setAppName("WortCount");
        conf.setMaster("local");
        JavaSparkContext sc = new JavaSparkContext(conf);

        JavaRDD<String> fileRDD = sc.textFile("E:\\hello.txt");
        JavaRDD<String> wordRdd = fileRDD.flatMap(line -> Arrays.asList(line.split(",")).iterator());
        JavaPairRDD<String, Integer> wordOneRDD = wordRdd.mapToPair(word -> new Tuple2<>(word, 1));
        JavaPairRDD<String, Integer> wordCountRDD = wordOneRDD.reduceByKey((x, y) -> x + y);
        JavaPairRDD<Integer, String> count2WordRDD = wordCountRDD.mapToPair(tuple -> new Tuple2<>(tuple._2, tuple._1));
        JavaPairRDD<Integer, String> sortRDD = count2WordRDD.sortByKey(false);
        JavaPairRDD<String, Integer> resultRDD = sortRDD.mapToPair(tuple -> new Tuple2<>(tuple._2, tuple._1));
        resultRDD.saveAsTextFile("E:\\result8");

    }

3.4 WordCount执行过程图

四、RDD的宽依赖和窄依赖

4.1 RDD依赖关系的本质内幕

由于RDD是粗粒度的操作数据集，每个Transformation操作都会生成一个新的RDD，所以RDD之间就会形成类似流水线的前后依赖关系；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）。如图所示显示了RDD之间的依赖关系。

从图中可知：

窄依赖：是指每个父RDD的一个Partition最多被子RDD的一个Partition所使用，例如map、filter、union等操作都会产生窄依赖；（独生子女）

宽依赖：是指一个父RDD的Partition会被多个子RDD的Partition所使用，例如groupByKey、reduceByKey、sortByKey等操作都会产生宽依赖；（超生）

需要特别说明的是对join操作有两种情况：

（1）图中左半部分join：如果两个RDD在进行join操作时，一个RDD的partition仅仅和另一个RDD中已知个数的Partition进行join，那么这种类型的join操作就是窄依赖，例如图1中左半部分的join操作(join with inputs co-partitioned)；

（2）图中右半部分join：其它情况的join操作就是宽依赖,例如图1中右半部分的join操作(join with inputs not co-partitioned)，由于是需要父RDD的所有partition进行join的转换，这就涉及到了shuffle，因此这种类型的join操作也是宽依赖。

总结：

在这里我们是从父RDD的partition被使用的个数来定义窄依赖和宽依赖，因此可以用一句话概括下：如果父RDD的一个Partition被子RDD的一个Partition所使用就是窄依赖，否则的话就是宽依赖。因为是确定的partition数量的依赖关系，所以RDD之间的依赖关系就是窄依赖；由此我们可以得出一个推论：即窄依赖不仅包含一对一的窄依赖，还包含一对固定个数的窄依赖。

一对固定个数的窄依赖的理解：即子RDD的partition对父RDD依赖的Partition的数量不会随着RDD数据规模的改变而改变；换句话说，无论是有100T的数据量还是1P的数据量，在窄依赖中，子RDD所依赖的父RDD的partition的个数是确定的，而宽依赖是shuffle级别的，数据量越大，那么子RDD所依赖的父RDD的个数就越多，从而子RDD所依赖的父RDD的partition的个数也会变得越来越多。

4.2 依赖关系下的数据流视图

在spark中，会根据RDD之间的依赖关系将DAG图（有向无环图）划分为不同的阶段，对于窄依赖，由于partition依赖关系的确定性，partition的转换处理就可以在同一个线程里完成，窄依赖就被spark划分到同一个stage中，而对于宽依赖，只能等父RDD shuffle处理完成后，下一个stage才能开始接下来的计算。

因此spark划分stage的整体思路是：从后往前推，遇到宽依赖就断开，划分为一个stage；遇到窄依赖就将这个RDD加入该stage中。因此在图2中RDD C,RDD D,RDD E,RDDF被构建在一个stage中,RDD A被构建在一个单独的Stage中,而RDD B和RDD G又被构建在同一个stage中。

在spark中，Task的类型分为2种：ShuffleMapTask和ResultTask；

简单来说，DAG的最后一个阶段会为每个结果的partition生成一个ResultTask，即每个Stage里面的Task的数量是由该Stage中最后一个RDD的Partition的数量所决定的！而其余所有阶段都会生成ShuffleMapTask；之所以称之为ShuffleMapTask是因为它需要将自己的计算结果通过shuffle到下一个stage中；也就是说上图中的stage1和stage2相当于mapreduce中的Mapper,而ResultTask所代表的stage3就相当于mapreduce中的reducer。

在之前动手操作了一个wordcount程序，因此可知，Hadoop中MapReduce操作中的Mapper和Reducer在spark中的基本等量算子是map和reduceByKey;不过区别在于：Hadoop中的MapReduce天生就是排序的；而reduceByKey只是根据Key进行reduce，但spark除了这两个算子还有其他的算子；因此从这个意义上来说，Spark比Hadoop的计算算子更为丰富。

五、广播变量与累加器

在spark程序中，当一个传递给Spark操作(例如map和reduce)的函数在远程节点上面运行时，Spark操作实际上操作的是这个函数所用变量的一个独立副本。这些变量会被复制到每台机器上，并且这些变量在远程机器上的所有更新都不会传递回驱动程序。通常跨任务的读写变量是低效的，但是，Spark还是为两种常见的使用模式提供了两种有限的共享变量：广播变量（broadcast variable）和累加器（accumulator）

六、广播变量broadcast variable

6.1 广播变量的意义

如果我们要在分布式计算里面分发大对象，例如：字典，集合，黑白名单等，这个都会由Driver端进行分发，一般来讲，如果这个变量不是广播变量，那么每个task就会分发一份，这在task数目十分多的情况下Driver的带宽会成为系统的瓶颈，而且会大量消耗task服务器上的资源，如果将这个变量声明为广播变量，那么只是每个executor拥有一份，这个executor启动的task会共享这个变量，节省了通信的成本和服务器的资源。

6.2 广播变量图解

错误的，不使用广播变量

正确的，使用广播变量的情况

6.3 如何定义一个广播变量

val a = 3
val broadcast = sc.broadcast(a)

6.4如何还原一个广播变量

val c = broadcast.value

6.5 广播变量使用

val conf = new SparkConf()
conf.setMaster("local").setAppName("brocast")
val sc = new SparkContext(conf)
val list = List("hello hadoop")
val broadCast = sc.broadcast(list)
val lineRDD = sc.textFile("./words.txt")
lineRDD.filter { x => broadCast.value.contains(x) }.foreach { println}
sc.stop()

6.6 定义广播变量注意点

变量一旦被定义为一个广播变量，那么这个变量只能读，不能修改

6.7 注意事项

1、能不能将一个RDD使用广播变量广播出去？

不能，因为RDD是不存储数据的。可以将RDD的结果广播出去。

2、 广播变量只能在Driver端定义，不能在Executor端定义。

3、 在Driver端可以修改广播变量的值，在Executor端无法修改广播变量的值。

4、如果executor端用到了Driver的变量，如果不使用广播变量在Executor有多少task就有多少Driver端的变量副本。

5、如果Executor端用到了Driver的变量，如果使用广播变量在每个Executor中只有一份Driver端的变量副本。

七、累加器

7.1 累加器的意义

在spark应用程序中，我们经常会有这样的需求，如异常监控，调试，记录符合某特性的数据的数目，这种需求都需要用到计数器，如果一个变量不被声明为一个累加器，那么它将在被改变时不会再driver端进行全局汇总，即在分布式运行时每个task运行的只是原始变量的一个副本，并不能改变原始变量的值，但是当这个变量被声明为累加器后，该变量就会有分布式计数的功能。

7.2 图解累加器

错误的图解

正确的图解

7.3 如何定义一个累加器

val a = sc.accumulator(0)

7.4 如何还原一个累加器

val b = a.value

7.5 累加器的使用

val conf = new SparkConf()
conf.setMaster("local").setAppName("accumulator")
val sc = new SparkContext(conf)
val accumulator = sc.accumulator(0)
sc.textFile("./words.txt").foreach { x =>{accumulator.add(1)}}
println(accumulator.value)
sc.stop()

7.6 注意事项

1、 累加器在Driver端定义赋初始值，累加器只能在Driver端读取最后的值，在Excutor端更新。

2、累加器不是一个调优的操作，因为如果不这样做，结果是错的