Spark技术内幕: Shuffle详解（一）

通过上面一系列文章，我们知道在集群启动时，在Standalone模式下，Worker会向Master注册，使得Master可以感知进而管理整个集群；Master通过借助ZK，可以简单的实现HA；而应用方通过SparkContext这个与集群的交互接口，在创建SparkContext时就完成了Application的注册，Master为其分配Executor；在应用方创建了RDD并且在这个RDD上进行了很多的Transformation后，触发action，通过DAGScheduler将DAG划分为不同的Stage后，将Stage转换为TaskSet交给TaskSchedulerImpl；TaskSchedulerImpl通过SparkDeploySchedulerBackend的reviveOffers，最终向ExecutorBackend发送LaunchTask的消息；ExecutorBackend接收到消息后，启动Task，开始在集群中启动计算。

接下来，会介绍一些更详细的细节实现。

Shuffle，无疑是性能调优的一个重点，本文将从源码实现的角度，深入解析Spark Shuffle的实现细节。

每个Stage的上边界，要不是需要从外部存储读取数据，要么需要读取上一个Stage的输出；而下边界，要么是需要写入本地文件系统，以供child Stage读取，要么是ResultTask，需要输出结果了。

首先从org.apache.spark.rdd.ShuffledRDD开始, 因为ShuffledRDD是一个Stage的开始，它需要获取上一个Stage的输出结果，然后进行接下来的运算。那么这个数据获取是如何实现的？顺着ShuffledRDD的实现，我们可以理清这条线。首先可以看一下compute是如何实现的。

  override def compute(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[(K, C)] = {
    val dep = dependencies.head.asInstanceOf[ShuffleDependency[K, V, C]]
    SparkEnv.get.shuffleManager.getReader(dep.shuffleHandle, split.index, split.index + 1, context)
      .read()
      .asInstanceOf[Iterator[(K, C)]]
  }


它需要从ShuffleManager获取shuffleReader，然后读取数据进行计算。看一下shuffleManager：


// Let the user specify short names for shuffle managers
    val shortShuffleMgrNames = Map(
      "hash" -> "org.apache.spark.shuffle.hash.HashShuffleManager",
      "sort" -> "org.apache.spark.shuffle.sort.SortShuffleManager")
    val shuffleMgrName = conf.get("spark.shuffle.manager", "hash")
    val shuffleMgrClass = shortShuffleMgrNames.getOrElse(shuffleMgrName.toLowerCase, shuffleMgrName)

    val shuffleManager = instantiateClass[ShuffleManager](shuffleMgrClass)


ShuffleManager分为hash和sort，hash是默认的，即Shuffle时不排序。熟悉MapReduce的同学都知道，MapReduce是无论如何都要排序的，即到Reduce端的都是已经排序好的，当然这么做也是为了可以处理海量的数据。在Spark1.1之前，只支持hash based的Shuffle，sort based Shuffle是1.1新加入的实验功能。

hash顾名思义，在Reduce时的数据需要求有序，因此可以在Reduce获得了数据后，立即进行处理；而不需要等待所有的数据都得到后再处理。这个接下来会通过源码进行解释。而sort，意味着排序，实际上对于sortByKey这种转换可能sort是更有意义的。

ShuffledRDD是通过org.apache.spark.shuffle.hash.HashShuffleReader获取上一个Stage的结果。而HashShuffleReader通过org.apache.spark.shuffle.hash.BlockStoreShuffleFetcher$#fetch来获取结果。而fetch通过调用org.apache.spark.storage.BlockManager#getMultiple来转发请求：

  def getMultiple(
      blocksByAddress: Seq[(BlockManagerId, Seq[(BlockId, Long)])],
      serializer: Serializer,
      readMetrics: ShuffleReadMetrics): BlockFetcherIterator = {
    val iter = new BlockFetcherIterator.BasicBlockFetcherIterator(this, blocksByAddress, serializer,
      readMetrics)
    iter.initialize()
    iter
  }


而最终的实现在org.apache.spark.storage.BlockFetcherIterator.BasicBlockFetcherIterator#initialize中，
  override def initialize() {
      // Split local and remote blocks.
      // 获得需要远程请求的数据列表，并且将已经在本地的数据的blockid放在localBlocksToFetch中，
      // 并且在org.apache.spark.storage.BlockFetcherIterator.BasicBlockFetcherIterator.getLocalBlocks进行本地读取
      val remoteRequests = splitLocalRemoteBlocks()
      // Add the remote requests into our queue in a random order
      fetchRequests ++= Utils.randomize(remoteRequests)


      // Send out initial requests for blocks, up to our maxBytesInFlight
      while (!fetchRequests.isEmpty && //保证占用内存不超过设定的值spark.reducer.maxMbInFlight，默认值是48M
        (bytesInFlight == 0 || bytesInFlight + fetchRequests.front.size <= maxBytesInFlight)) {
        sendRequest(fetchRequests.dequeue())
      }


      val numFetches = remoteRequests.size - fetchRequests.size
      logInfo("Started " + numFetches + " remote fetches in" + Utils.getUsedTimeMs(startTime))


      // Get Local Blocks
      startTime = System.currentTimeMillis
      getLocalBlocks() // 从本地获取
      logDebug("Got local blocks in " + Utils.getUsedTimeMs(startTime) + " ms")

    }


具体获取如何获取的策略都在org.apache.spark.storage.BlockFetcherIterator.BasicBlockFetcherIterator#splitLocalRemoteBlocks中。这个会在下一篇博文中详解。



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