海量数据处理－－从分而治之到Mapreduce

Posted 2022-12-07 xiaoranone

海量数据处理常用技术概述

如今互联网产生的数据量已经达到PB级别，如何在数据量不断增大的情况下，依然保证快速的检索或者更新数据，是我们面临的问题。
所谓海量数据处理，是指基于海量数据的存储、处理和操作等。因为数据量太大无法在短时间迅速解决，或者不能一次性读入内存中。

在解决海量数据的问题的时候，我们需要什么样的策略和技术，是每一个人都会关心的问题。今天我们就梳理一下在解决大数据问题
的时候需要使用的技术，但是注意这里只是从技术角度进行分析，只是一种思想并不代表业界的技术策略。
常用到的算法策略

1. 分治：多层划分、MapReduce
2. 排序：快速排序、桶排序、堆排序
3. 数据结构：堆、位图、布隆过滤器、倒排索引、二叉树、Trie树、B树，红黑树
4. Hash映射：hashMap、simhash、局部敏感哈希

海量数据处理－－从分而治之到Mapreduce

分治

分治是一种算法思想，主要目的是将一个大问题分成多个小问题进行求解，之后合并结果。我们常用到的有归并排序:先分成两部分进行排序，之后在合并，
当然还有其他的很多应用，就比如是我们上篇文章中提到的Top K问题，就是将大文件分成多个小文件进行统计，之后进行合并结果。这里我们对分治进行抽象，
依然从上述提到的Top K频率统计开始出发。定义如下：有M多个Query日志文件记录，要求得到Top K的Query。
我们可以抽象成几个步骤：

1. 多个文件的输入，我们叫做input splits
2. 多进程同时处理多个文档，我们叫做map。
3. partition 从上文中我们知道。因为我们要将相同的Query映射的一起
4. 多进程处理划分或的文件，我们叫做reduce
5. 合并过个文件的结果，我们叫做merge

上面的这四个步骤是我们从Top K问题抽象出来的，为什么我们对每一步进行一个取名字？因为这就是最简单的MapReduce的原理。我们现在就可以认为之前已经
用过Mapreduce的思想了，它就是这么简单，当然中的很多问题我都没有提出来，但是主要的思想就是这样，很成熟的MapReduce的实现，有Hadoop和CouchDB等。
我给出一张图片来表示这个过程。

MapReduce

MapReduce是一种编程模式、大数据框架的并行处理接口和分布式算法计算平台，主要用于大规模数据集合的并行计算。一个Mapreduce的程序主要有两部分组成: map和reduce. 它主要借鉴了函数式编程语言和矢量编程语言特性。
MapReduce最早是由Google公司研究提出的一种面向大规模数据处理的并行计算模型和方法。Google公司设计MapReduce的初衷主要是为了解决其搜索引擎中大规模网页数据的并行化处理。

MapReduce组成

1. Map:
   用户根据需求设置的Map函数，每一个工作节点(主机)处理本地的数据，将结果写入临时文件，给调用Reduce函数的节点使用。

2. Shuffle:
   在MapReduce的编程模式中，我们要时刻注意到数据结构是(key, value)对，Shuffle就是打乱数据，也是我们之前提到过的Partition处理，主要目的是将相同的key的数据映射到同一个Reduce工作的节点（这是主要的功能，当然还有其他的功能）。

3. Reduce:
   Reduce函数，并行处理相同key的函数，返回结果。

Mapreduce模式这么流行，现在几乎所有的大公司都在使用Hadoop框架，当然可能会有一些优化，不过主要的思想依然是MapReduce模式。在公司中或者个人的使用的时候，我们一般会先搭建Hadoop环境，之后最简单的使用就是提供Map函数和Reduce函数即可，语言可以使用C++、Java、Python等。例如我们提到的Top k问题的伪代码的例子：
```
map(String key, String values):
    // key: 文档名字
    // values: 文档内容
    for each line in values:
        EmitIntemediate(line, "1")

..... // 这中间的省略号，表示还可以加一些代码，
..... // 不加也不影响结果，只是效率问题，后面会提到

reduce(String key, Iterator values):
    // key: a query
    // values: a lists of counts
    int result = 0;
    for each v in values:
        result += ParseInt(v)
    Emit(AsString(result))
```

代码抽象

map:　　　 (k1, v1) 　　 —>　　 list(k2, v2)
reduce: 　　(k2, list(v2)) —> 　　list(v３)

MapReduce支持的数据格式，从上述的代码中，我们可以看到MapReduce的输入和输出都是(k, v)对的格式。当然这只是转换之后的格式，一般来书我们的输入文件都是文件，MapReduce认为第一个分隔符之前的字段是key，后面的values，(values可以不存在，例如我们的Top k问题就没有values)。所有在使用的时候，我们只需要用分隔符空格将key和values分开，每一行代表一个数据，提供我们需要的Map和Reduce函数即可。

文章到此应该已经可以结束了，我们可以在任何MapReduce框架下，根据需求写出map函数和reduce函数。对于想用使用MapReduce的程序员来说，在写函数的时候只需要注意key和value怎么设置，如何编写map和reduce函数，因为中间的细节，运行的框架已经帮我们封装的很好的，这就是为什么Mapreduce在业界流行。这种编程模式很简单，只要提map和reduce函数，对于那些没有并行计算和分布式处理经验的程序员，MapReduce框架帮我们处理好了并行计算、错误容忍、本地读取优化和加载平衡的细节，我们只需要关注业务，不用关心细节，还有就是这么编程模式可以简单的解决很多常见的问题，例如: linux中的grep命令，Sort，Top K，倒排索引等问题。

知其然而知其所以然，不仅更能帮助我们写出更优的代码，更重要的是如何在改进现有的技术，使其更好的应用到我们的业务上，因为很多大公司都会重写这种代码，使其在公司内部更好的应用。

浅谈技术细节

MapReduce模式下我们需要关注的问题如下(参考论文)：

1. 数据和代码如何存储?

设置一个Master，拷贝代码文件，分配给节点进行处理，指定Map或者Reduce已经输入和输出文件的路径。所有Master节点是一个管理节点负责调度。

2. 如何Shuffle？

在MapReduce中都是(key, values)数据，输入的M个文件直接对应M的Map，产生的中间结果key2，通过哈希函数，
hash(key) % R(R是Reduce的个数)。当然我们需要设置一个好的hash函数，保证任务不平衡分到不同的Reduce节点上。

3. 节点之间如何通信？

Master负责调度和通信，其他节点之和Master节点通信，master监控所有节点的信息，比如是map或者reduce任务，是否运行结束，占用的资源、文件读写速度等，master会重新分配那些已经完成的节点任务，对所有的错误的节点重新执行。

4. 节点出现错误如何解决？

因为有master的存在，可以重新执行出现错误的运行节点，注意的是对于出错的map任务，其分配到的reduce任务也要重新执行。节点运行bug，我们可以修改代码，使其更鲁棒，但是有时候我们必须使用try-catch操作跳过一些错误的bad lines.

5. Map和Reduce个数如何设置？

这个设置和集群的个数和经验有很大关系，建议我们每一个map任务的输入数据16-64MB, 因此map的个数 = 总的文件大小 / 16-64MB. reduce的个数建议大于节点的个数，这样可以保证更好的并行计算。

6. 怎么控制负载平衡？

master会监控所有节点的运行状态，并且要对所有的运行完成的节点重新分配任务，来保证负载均衡，需要注意的是这里的并行计算是map和reduce的分别并行计算，必须保证map执行之后才能执行reduce(因为你有shuffle操作)。

7. 技巧

• map任务运行时候尽可能的读取本地或者当前局域内的文件，减少文件传输的网络带宽
• M和R的设置会对master的监督有一定的影响，因为要监督所有的状态
• 备份运行状态很重要，可以知道那台节点运行的缓慢，可能出现异常，可以让其他节点代替它运行任务
• shuffle操作的hash函数真的很重要，可以有效的解决负载均衡
• map生成的中间文件要根据key进行排序，也可以便于划分
• map和reduce之间有时候需要加合并(combiner)操作,可以起到加速作用

参考

1. MapReduce wikipedia
2. MapReduce Paper