MapReduce 框架原理MapReduce 工作流程 & Shuffle 机制

Posted 2021-10-05 ZSYL

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了MapReduce 框架原理MapReduce 工作流程 & Shuffle 机制相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

1. MapReduce 工作流程

上面的流程是整个 MapReduce 最全工作流程，但是 Shuffle 过程只是从第 7 步开始到第16 步结束，具体 Shuffle 过程详解，如下：

（1）MapTask 收集我们的 map()方法输出的 kv 对，放到内存缓冲区中

（2）从内存缓冲区不断溢出本地磁盘文件，可能会溢出多个文件

（3）多个溢出文件会被合并成大的溢出文件

（4）在溢出过程及合并的过程中，都要调用 Partitioner 进行分区和针对 key 进行排序

（5）ReduceTask 根据自己的分区号，去各个 MapTask 机器上取相应的结果分区数据

（6）ReduceTask 会抓取到同一个分区的来自不同 MapTask 的结果文件，ReduceTask 会将这些文件再进行合并（归并排序）

（7）合并成大文件后，Shuffle 的过程也就结束了，后面进入 ReduceTask 的逻辑运算过程（从文件中取出一个一个的键值对 Group，调用用户自定义的 reduce()方法）

注意：

（1）Shuffle 中的缓冲区大小会影响到 MapReduce 程序的执行效率，原则上说，缓冲区越大，磁盘 io 的次数越少，执行速度就越快。

（2）缓冲区的大小可以通过参数调整，参数：mapreduce.task.io.sort.mb 默认 100M。

2. Shuffle 机制

2.1 Shuffle 机制

Map 方法之后，Reduce 方法之前的数据处理过程称之为 Shuffle。

2.2 Partition 分区

1、问题引出

要求将统计结果按照条件输出到不同文件中（分区）。比如：将统计结果按照手机归属地不同省份输出到不同文件中（分区）

2、默认Partitioner分区

public class HashPartitioner<K, V> extends Partitioner<K, V> {
	public int getPartition(K key, V value, int numReduceTasks) {
		return (key.hashCode() & Integer.MAX_VALUE) % numReduceTasks; 
	} 
}

默认分区: 是根据key的hashCode对ReduceTasks个数取模得到的。用户没法控制哪个key存储到哪个分区。

2.3 自定义Partitioner步骤

（1）自定义类继承Partitioner，重写getPartition()方法

	public class CustomPartitioner extends Partitioner<Text, FlowBean> {
		@Override
		public int getPartition(Text key, FlowBean value, int numPartitions) {
			// 控制分区代码逻辑
			… …
		return partition; 
	} 
}

（2）在Job驱动中，设置自定义Partitioner

job.setPartitionerClass(CustomPartitioner.class);

（3）自定义Partition后，要根据自定义Partitioner的逻辑设置相应数量的ReduceTask:

job.setNumReduceTasks(5);

2.4 分区总结

（1）如果ReduceTask的数量> getPartition的结果数，则会多产生几个空的输出文件part-r-000xx；

（2）如果1<ReduceTask的数量<getPartition的结果数，则有一部分分区数据无处安放，会Exception；

（3）如果ReduceTask的数量=1，则不管MapTask端输出多少个分区文件，最终结果都交给这一个ReduceTask，最终也就只会产生一个结果文件 part-r-00000；

（4）分区号必须从零开始，逐一累加。

2.5 案例分析

例如：假设自定义分区数为5，则

（1）job.setNumReduceTasks(1); 会正常运行，只不过会产生一个输出文件

（2）job.setNumReduceTasks(2); 会报错

（3）job.setNumReduceTasks(6); 大于5，程序会正常运行，会产生空文件

3. Partition 分区案例实操

3.1 需求

将统计结果按照手机归属地不同省份输出到不同文件中（分区）

（1）输入数据

（2）期望输出数据

手机号 136、137、138、139 开头都分别放到一个独立的 4 个文件中，其他开头的放到一个文件中。

3.2 需求分析

3.3 在案例 2.3 的基础上，增加一个分区类

package com.zs.mapreduce.partioner;

import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Partitioner;

public class ProvincePartitioner extends Partitioner<Text, FlowBean> {
    @Override
    public int getPartition(Text text, FlowBean flowBean, int numPartitions) {
        // text 手机号
        String phone = text.toString();

        String prePhone = phone.substring(0, 3);

        int partition;

        if ("136".equals(prePhone)) {
            partition = 0;
        } else if ("137".equals(prePhone)) {
            partition = 1;
        } else if ("138".equals(prePhone)) {
            partition = 2;
        } else if ("139".equals(prePhone)) {
            partition = 3;
        } else {
            partition = 4;
        }


        return partition;
    }
}

3.4 在驱动函数中增加自定义数据分区设置和 ReduceTask 设置

//8 指定自定义分区器
job.setPartitionerClass(ProvincePartitioner.class);
//9 同时指定相应数量的 ReduceTask
job.setNumReduceTasks(5);

package com.zs.mapreduce.partioner;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Job;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileInputFormat;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.output.FileOutputFormat;

import java.io.IOException;

public class FlowDriver {

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException, InterruptedException {

        // 1.获取job对象
        Configuration conf = new Configuration();
        Job job = Job.getInstance(conf);

        // 2.设置jar包
        job.setJarByClass(FlowDriver.class);

        // 3.关联mapper和reducer
        job.setMapperClass(FlowMapper.class);
        job.setReducerClass(FlowReducer.class);

        // 4.设置mapper 输出的key和value类型
        job.setMapOutputKeyClass(Text.class);
        job.setMapOutputValueClass(FlowBean.class);

        // 5.设置最终数据输出的key和value类型
        job.setOutputValueClass(Text.class);
        job.setOutputValueClass(FlowBean.class);

        // 自定义分区
        job.setPartitionerClass(ProvincePartitioner.class);
        // 设置分区数
        job.setNumReduceTasks(5);

        // 6.设置数据的输入路径和输出路径
        FileInputFormat.setInputPaths(job, new Path("D:\\\\software\\\\hadoop\\\\input\\\\inputflow"));
        FileOutputFormat.setOutputPath(job, new Path("D:\\\\software\\\\hadoop\\\\output\\\\outputPartition"));

        // 7.提交job
        boolean result = job.waitForCompletion(true);
        System.exit(result ? 0:1);
    }
}

4. WritableComparable 排序

排序是MapReduce框架中最重要的操作之一。

MapTask和ReduceTask均会对数据按照key进行排序。该操作属于Hadoop的默认行为。任何应用程序中的数据均会被排序，而不管逻辑上是否需要。

默认排序是按照字典顺序排序，且实现该排序的方法是快速排序。

对于MapTask，它会将处理的结果暂时放到环形缓冲区中，当环形缓冲区使用率达到一定阈值后，再对缓冲区中的数据进行一次快速排序，并将这些有序数据溢写到磁盘上，而当数据处理完毕后，它会对磁盘上所有文件进行归并排序。

对于ReduceTask，它从每个MapTask上远程拷贝相应的数据文件，

如果文件大小超过一定阈值，则溢写磁盘上，否则存储在内存中。如果磁盘上文件数目达到一定阈值，则进行一次归并排序以生成一个更大文件；

如果内存中文件大小或者数目超过一定阈值，则进行一次合并后将数据溢写到磁盘上。当所有数据拷贝完毕后，ReduceTask统一对内存和磁盘上的所有数据进行一次归并排序。

4.1 排序分类

（1）部分排序

MapReduce根据输入记录的键对数据集排序。保证输出的每个文件内部有序。

（2）全排序

最终输出结果只有一个文件，且文件内部有序。实现方式是只设置一个ReduceTask。但该方法在处理大型文件时效率极低，因为一台机器处理所有文件，完全丧失了MapReduce所提供的并行架构。

（3）辅助排序：（GroupingComparator分组）

在Reduce端对key进行分组。应用于：在接收的key为bean对象时，想让一个或几个字段相同（全部字段比较不相同）的key进入到同一个reduce方法时，可以采用分组排序。

（4）二次排序

在自定义排序过程中，如果compareTo中的判断条件为两个即为二次排序。

4.2 自定义排序 WritableComparable 原理分析

bean 对象做为 key 传输，需要实现 WritableComparable 接口重写 compareTo 方法，就可以实现排序。

@Override
public int compareTo(FlowBean o) {
    // 总流量的倒序排序
    if (this.sumFlow > o.sumFlow) {
        return -1;
    } else if (this.sumFlow < o.sumFlow) {
        return 1;
    } else {
        // 按照上行流量的正序排序
        if (this.upFlow > o.upFlow) {
            return 1;
        } else if (this.upFlow < o.upFlow) {
            return -1;
        } else {
            return 0;
        }
    }
}

5. WritableComparable 排序案例实操（全排序）

5.1 需求

根据案例 2.3 序列化案例产生的结果再次对总流量进行倒序排序。

（1）输入数据

原始数据

第一次处理后的数据

（2）期望输出数据

5.2 需求分析

5.3 代码实现

（1）FlowBean 对象在在需求 1 基础上增加了比较功能

FlowBean

package com.zs.mapreduce.writableComparable;

import org.apache.hadoop.io.Writable;
import org.apache.hadoop.io.WritableComparable;

import java.io.DataInput;
import java.io.DataOutput;
import java.io.IOException;

/**
 * 1.定义类实现writable接口
 * 2.重写序列化和反序列化方法
 * 3.重写空参构造
 * 4.toString()方法
 * 序列化：sumFlow -- downFlow -- upFlow--->upFlow -- downFlow -- sumFlow
 */
public class FlowBean implements WritableComparable<FlowBean> {
    private long upFlow;  // 上行流量
    private long downFlow;  // 下行流量
    private long sumFlow;  // 总流量

    // 空参构造
    public FlowBean() {
    }

    public long getUpFlow() {
        return upFlow;
    }

    public void setUpFlow(long upFlow) {
        this.upFlow = upFlow;
    }

    public long getDownFlow() {
        return downFlow;
    }

    public void setDownFlow(long downFlow) {
        this.downFlow = downFlow;
    }

    public long getSumFlow() {
        return sumFlow;
    }

    public void setSumFlow(long sumFlow) {
        this.sumFlow = sumFlow;
    }
    // 重载
    public void setSumFlow() {
        this.sumFlow = this.upFlow + this.downFlow;
    }

    // 序列化
    @Override
    public void write(DataOutput out) throws IOException {
        out.writeLong(upFlow);
        out.writeLong(downFlow);
        out.writeLong(sumFlow);
    }

    // 反序列化
    @Override
    public void readFields(DataInput in) throws IOException {
        this.upFlow = in.readLong();
        this.downFlow = in.readLong();
        this.sumFlow = in.readLong();
    }

    @Override
    public String toString() {
        return upFlow + "\\t" + downFlow + "\\t" + sumFlow;
    }

    @Override
    public int compareTo(FlowBean o) {

        // 总流量的倒序排序
        if (this.sumFlow > o.sumFlow) {
            return -1;
        } else if (this.sumFlow < o.sumFlow) {
            return 1;
        } else {
            // 按照上行流量的正序排序
            if (this.upFlow > o.upFlow) {
                return 1;
            } else if (this.upFlow < o.upFlow) {
                return -1;
            } else {
                return 0;
            }
        }
    }
}

FlowMapper

package com.zs.mapreduce.writableComparable;

import org.apache.hadoop.io.LongWritable;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Mapper;

import java.io.IOException;

public class FlowMapper extends Mapper<LongWritable, Text, FlowBean, Text> {

    private FlowBean outK = new FlowBean();
    private Text outV = new Text();

    @Override
    protected void map(LongWritable key, Text value, Context context) throws IOException, InterruptedException {

        // 获取一行
        String line = value.toString();

        // 切割
        String[] split = line.split("\\t");

        // 封装
        outV.set(split[0]);
        outK.setUpFlow(Long.parseLong(split[1]));
        outK.setDownFlow(Long.parseLong(split[2]));
        outK.setSumFlow();

        // 写出
        context.write(outK, outV);

    }
}

Reducer

package com.zs.mapreduce.writableComparable;

import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Reducer;

import java.io.IOException;

public class FlowReducer extends Reducer<FlowBean, Text, Text, FlowBean> {

    private FlowBean outV = new FlowBean();

    @Override
    protected void reduce(FlowBean key, Iterable<Text> values, Context context) throws IOException, InterruptedException {

        for (Text value : values) {
            context.write(value, key);
        }
    }
}

FlowDriver

package com.zs.mapreduce.writableComparable;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Job;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileInputFormat;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.output.FileOutputFormat;

import java.io.IOException;

public class FlowDriver {

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException, InterruptedException {

        // 1.获取job对象
        Configuration conf = new Configuration();
        Job job = Job.getInstance(conf);

        // 2.设置jar包
        job.setJarByClass(FlowDriver.class)大数据之Hadoop(MapReduce)： MapReduce框架原理
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