Spark Stage的划分

Posted 2022-12-07 常生果

RDD之间有一系列的依赖关系，依赖关系又分为窄依赖和宽依赖。Spark中的Stage其实就是一组并行的任务，任务是一个个的task 。

• 窄依赖

父RDD和子RDD partition之间的关系是一对一的。或者父RDD一个partition只对应一个子RDD的partition情况下的父RDD和子RDD partition关系是多对一的。不会有shuffle的产生。父RDD的一个分区去到子RDD的一个分区。

• 宽依赖

父RDD与子RDD partition之间的关系是一对多。会有shuffle的产生。父RDD的一个分区的数据去到子RDD的不同分区里面。

窄依赖：可以理解为独生子女

宽依赖：可以理解为超生

如上图所示，一个文件被textFile后经过两次转换，每次转换后生成的新的RDD都和原分区一一对应，为窄依赖关系。

当map算子计算失败时，可以直接去上一步的RDD中重新计算，而不需要其他的分区参与。但是如果最后的action算子在计算某个RDD时，计算失败，将会到上一层的多个分区中寻找依赖关系，比较麻烦。

其实区分宽窄依赖主要就是看父RDD的一个Partition的流向，要是流向一个的话就是窄依赖，流向多个的话就是宽依赖。看图理解：

• Stage概念

Spark任务会根据RDD之间的依赖关系，形成一个DAG有向无环图，DAG会提交给DAGScheduler，DAGScheduler会把DAG划分相互依赖的多个stage，划分stage的依据就是RDD之间的宽窄依赖。遇到宽依赖就划分stage,每个stage包含一个或多个task任务。然后将这些task以taskSet的形式提交给TaskScheduler运行。     stage是由一组并行的task组成。

• stage切割规则

 切割规则：从后往前，遇到宽依赖就切割stage。

• stage计算模式

    pipeline管道计算模式,pipeline只是一种计算思想，模式。

 

备注：图中几个理解点：

   1、Spark的pipeLine的计算模式，相当于执行了一个高阶函数f3(f2(f1(textFile))) !+!+!=3 也就是来一条数据然后计算一条数据，把所有的逻辑走完，然后落地，准确的说一个task处理遗传分区的数据 因为跨过了不同的逻辑的分区。而MapReduce是 1+1=2,2+1=3的模式，也就是计算完落地，然后在计算，然后再落地到磁盘或内存，最后数据是落在计算节点上，按reduce的hash分区落地。所以这也是比Mapreduce快的原因，完全基于内存计算。

   2、管道中的数据何时落地：shuffle write的时候，对RDD进行持久化的时候。

   3.   Stage的task并行度是由stage的最后一个RDD的分区数来决定的 。一般来说，一个partiotion对应一个task,但最后reduce的时候可以手动改变reduce的个数，也就是分区数，即改变了并行度。例如reduceByKey(XXX,3),GroupByKey(4)，union由的分区数由前面的相加。

   4.、如何提高stage的并行度：reduceBykey(xxx,numpartiotion),join(xxx,numpartiotion)

 

shuffle 和 stage

shuffle 是划分 DAG 中 stage 的标识,同时影响 Spark 执行速度的关键步骤. 
　　RDD 的 Transformation 函数中,又分为窄依赖(narrow dependency)和宽依赖(wide dependency)的操作.窄依赖跟宽依赖的区别是是否发生 shuffle(洗牌) 操作.宽依赖会发生 shuffle 操作. 窄依赖是子 RDD的各个分片(partition)不依赖于其他分片,能够独立计算得到结果,宽依赖指子 RDD 的各个分片会依赖于父RDD 的多个分片,所以会造成父 RDD 的各个分片在集群中重新分片, 看如下两个示例:

// Map: "cat" -> c, cat
val rdd1 = rdd.Map(x => (x.charAt(0), x))
// groupby same key and count
val rdd2 = rdd1.groupBy(x => x._1).
                Map(x => (x._1, x._2.toList.length))

　第一个 Map 操作将 RDD 里的各个元素进行映射, RDD 的各个数据元素之间不存在依赖,可以在集群的各个内存中独立计算,也就是并行化,第二个 groupby 之后的 Map 操作,为了计算相同 key 下的元素个数,需要把相同 key 的元素聚集到同一个 partition 下,所以造成了数据在内存中的重新分布,即 shuffle 操作.shuffle 操作是 spark 中最耗时的操作,应尽量避免不必要的 shuffle. 
　　宽依赖主要有两个过程: shuffle write 和 shuffle fetch. 类似 Hadoop 的 Map 和 Reduce 阶段.shuffle write 将 ShuffleMapTask 任务产生的中间结果缓存到内存中, shuffle fetch 获得 ShuffleMapTask 缓存的中间结果进行 ShuffleReduceTask 计算,这个过程容易造成OutOfMemory. 
　　shuffle 过程内存分配使用 ShuffleMemoryManager 类管理,会针对每个 Task 分配内存,Task 任务完成后通过 Executor 释放空间.这里可以把 Task 理解成不同 key 的数据对应一个 Task. 早期的内存分配机制使用公平分配,即不同 Task 分配的内存是一样的,但是这样容易造成内存需求过多的 Task 的 OutOfMemory, 从而造成多余的 磁盘 IO 过程,影响整体的效率.(例:某一个 key 下的数据明显偏多,但因为大家内存都一样,这一个 key 的数据就容易 OutOfMemory).1.5版以后 Task 共用一个内存池,内存池的大小默认为 JVM 最大运行时内存容量的16%,分配机制如下:假如有 N 个 Task,ShuffleMemoryManager 保证每个 Task 溢出之前至少可以申请到1/2N 内存,且至多申请到1/N,N 为当前活动的 shuffle Task 数,因为N 是一直变化的,所以 manager 会一直追踪 Task 数的变化,重新计算队列中的1/N 和1/2N.但是这样仍然容易造成内存需要多的 Task 任务溢出,所以最近有很多相关的研究是针对 shuffle 过程内存优化的. 

如下 DAG 流程图中,分别读取数据,经过处理后 join 2个 RDD 得到结果: 
 
在这个图中,根据是否发生 shuffle 操作能够将其分成如下的 stage 类型: 
 
(join 需要针对同一个 key 合并,所以需要 shuffle) 
　　运行到每个 stage 的边界时，数据在父 stage 中按照 Task 写到磁盘上，而在子 stage 中通过网络按照 Task 去读取数据。这些操作会导致很重的网络以及磁盘的I/O，所以 stage 的边界是非常占资源的，在编写 Spark 程序的时候需要尽量避免的 。父 stage 中 partition 个数与子 stage 的 partition 个数可能不同，所以那些产生 stage 边界的 Transformation 常常需要接受一个 numPartition 的参数来觉得子 stage 中的数据将被切分为多少个 partition7。 
PS:shuffle 操作的时候可以用 combiner 压缩数据,减少 IO 的消耗