Checkpoint彻底解密：Checkpoint的运行原理和源码实现彻底详解(DT大数据梦工厂)

Posted 2020-06-14

内容：

1、Checkpoint重大价值；

2、Checkpoint运行原理图；

3、Checkpoint源码解析；

机器学习、图计算稍微复杂迭代算法的时候都有Checkpoint的身影，作用不亚于persist

==========Checkpoint到底是什么============

1、Spark 在生产环境下经常会面临transformation的RDD非常多（例如一个Job中包含1万个RDD）或者具体transformation的RDD本身计算特别复杂或者耗时（例如计算时长超过1个小时），这个时候就要考虑对计算结果数据的持久化；

2、Spark是擅长多步骤迭代的，同时擅长基于Job的复用，这个时候如果能够对曾经计算的过程产生的数据进行复用，就可以极大的提升效率；

3、如果采用persist把数据放在内存中，虽然是快速的，但是也是最不可靠的；如果把数据放在磁盘上，也不是完全可靠的！例如磁盘会损坏，系统管理员可能清空磁盘。

4、Checkpoint的产生就是为了相对而言更加可靠的持久化数据，在Checkpoint的时候可以指定把数据放在本地，并且是多副本的方式，但是在生产环境下是放在HDFS上，这就天然的借助了HDFS高容错、高可靠的特征来完成了最大化的可靠的持久化数据的方式；

5、Checkpoint是为了最大程度保证绝对可靠的复用RDD计算数据的Spark高级功能，通过checkpoint我们通常把数据持久化到HDFS来保证数据最大程度的安全性；

6、Checkpoint就是针对整个RDD计算链条中特别需要数据持久化的环节（后面会反复使用当前环节的RDD）开始基于HDFS等的数据持久化复用策略，通过对RDD启动checkpoint机制来实现容错和高可用；

加入进行一个1万个步骤，在9000个步骤的时候persist，数据还是有可能丢失的，但是如果checkpoint，数据丢失的概率几乎为0。

==========Checkpoint原理机制============

1、在SparkContext中设置进行Checkpoint操作的RDD，把数据放在哪里，在生产集群中运行，必须是HDFS的路径，同时为了提高效率，在进行Checkpoint的时候，可以指定很多目录；

/**
 * Set the directory under which RDDs are going to be checkpointed. The directory must
 * be a HDFS path if running on a cluster.
 */
def setCheckpointDir(directory: String) {

  // If we are running on a cluster, log a warning if the directory is local.
  // Otherwise, the driver may attempt to reconstruct the checkpointed RDD from
  // its own local file system, which is incorrect because the checkpoint files
  // are actually on the executor machines.
  if (!isLocal && Utils.nonLocalPaths(directory).isEmpty) {
    logWarning("Checkpoint directory must be non-local " +
      "if Spark is running on a cluster: " + directory)
  }

  checkpointDir = Option(directory).map { dir =>
    val path = new Path(dir, UUID.randomUUID().toString)
    val fs = path.getFileSystem(hadoopConfiguration)
    fs.mkdirs(path)
    fs.getFileStatus(path).getPath.toString
  }
}

2、RDD中的checkpoint，在进行这个操作的时候，其所依赖的所有的RDD都会从计算联调中清空掉，保存在之前设置的路径下，且所有parent级别的RDD都会被清空掉；

/**
 * Mark this RDD for checkpointing. It will be saved to a file inside the checkpoint
 * directory set with `SparkContext#setCheckpointDir` and all references to its parent
 * RDDs will be removed. This function must be called before any job has been
 * executed on this RDD. It is strongly recommended that this RDD is persisted in
 * memory, otherwise saving it on a file will require recomputation.
 */
def checkpoint(): Unit = RDDCheckpointData.synchronized {
  // NOTE: we use a global lock here due to complexities downstream with ensuring
  // children RDD partitions point to the correct parent partitions. In the future
  // we should revisit this consideration.
  if (context.checkpointDir.isEmpty) {
    throw new SparkException("Checkpoint directory has not been set in the SparkContext")
  } else if (checkpointData.isEmpty) {
    checkpointData = Some(new ReliableRDDCheckpointData(this))
  }
}

3、作为最佳实践，一般在进行checkpoint方法，调用前通常都要进行persist来把当前RDD的数据持久化到内存或者磁盘上（上面代码的注释说只会存在内存中说法不准确），因为checkpoint是lazy级别的，必须要有Job的执行，且在Job执行完成之后才会从后往前回溯哪个RDD进行了checkpoint标记，然后对该标记了要进行Checkpoint的RDD新启动一个Job执行具体的Checkpoint的过程；

4、因为会从计算链条清空，所以Checkpoint改变了RDD的Lineage（血统关系）；

5、当我们调用了checkpoint对RDD进行checkpoint操作的话，此时框架会自动生成RDDCheckpointData，当RDD上运行过一个Job后，就会立即触发RDDCheckpoint中的checkpoint方法，在其内部会调用doCheckpoint，实际上在生产环境下会调用ReliableRDDCheckpointData的doCheckpoint，在生产环境下会导致ReliableCheckpointRDD的writeRDDToCheckpointDirectory的调用，而在writeRDDToCheckpointDirectory方法内部会触发runJob来执行把当前的RDD中的数据写到checkpoint的目录中，同时会产生ReliableCheckpointRDD实例返回；

/**
 * This class contains all the information related to RDD checkpointing. Each instance of this
 * class is associated with a RDD. It manages process of checkpointing of the associated RDD,
 * as well as, manages the post-checkpoint state by providing the updated partitions,
 * iterator and preferred locations of the checkpointed RDD.
 */
private[spark] abstract class RDDCheckpointData[T: ClassTag](@transient private val rdd: RDD[T])
  extends Serializable {

  import CheckpointState._

  // The checkpoint state of the associated RDD.
  protected var cpState = Initialized

  // The RDD that contains our checkpointed data
  private var cpRDD: Option[CheckpointRDD[T]] = None

  // TODO: are we sure we need to use a global lock in the following methods?

  /**
   * Return whether the checkpoint data for this RDD is already persisted.
   */
  def isCheckpointed: Boolean = RDDCheckpointData.synchronized {
    cpState == Checkpointed
  }

  /**
   * Materialize this RDD and persist its content.
   * This is called immediately after the first action invoked on this RDD has completed.
   */
  final def checkpoint(): Unit = {
    // Guard against multiple threads checkpointing the same RDD by
    // atomically flipping the state of this RDDCheckpointData
    RDDCheckpointData.synchronized {
      if (cpState == Initialized) {
        cpState = CheckpointingInProgress
      } else {
        return
      }
    }

    val newRDD = doCheckpoint()

    // Update our state and truncate the RDD lineage
    RDDCheckpointData.synchronized {
      cpRDD = Some(newRDD)
      cpState = Checkpointed
      rdd.markCheckpointed()
    }
  }

/**
 * Materialize this RDD and write its content to a reliable DFS.
 * This is called immediately after the first action invoked on this RDD has completed.
 */
protected override def doCheckpoint(): CheckpointRDD[T] = {
  val newRDD = ReliableCheckpointRDD.writeRDDToCheckpointDirectory(rdd, cpDir)

  // Optionally clean our checkpoint files if the reference is out of scope
  if (rdd.conf.getBoolean("spark.cleaner.referenceTracking.cleanCheckpoints", false)) {
    rdd.context.cleaner.foreach { cleaner =>
      cleaner.registerRDDCheckpointDataForCleanup(newRDD, rdd.id)
    }
  }

  logInfo(s"Done checkpointing RDD ${rdd.id} to $cpDir, new parent is RDD ${newRDD.id}")
  newRDD
}

/**
 * Write RDD to checkpoint files and return a ReliableCheckpointRDD representing the RDD.
 */
def writeRDDToCheckpointDirectory[T: ClassTag](
    originalRDD: RDD[T],
    checkpointDir: String,
    blockSize: Int = -1): ReliableCheckpointRDD[T] = {

  val sc = originalRDD.sparkContext

  // Create the output path for the checkpoint
  val checkpointDirPath = new Path(checkpointDir)
  val fs = checkpointDirPath.getFileSystem(sc.hadoopConfiguration)
  if (!fs.mkdirs(checkpointDirPath)) {
    throw new SparkException(s"Failed to create checkpoint path $checkpointDirPath")
  }

  // Save to file, and reload it as an RDD
  val broadcastedConf = sc.broadcast(
    new SerializableConfiguration(sc.hadoopConfiguration))
  // TODO: This is expensive because it computes the RDD again unnecessarily (SPARK-8582)
  sc.runJob(originalRDD,
    writePartitionToCheckpointFile[T](checkpointDirPath.toString, broadcastedConf) _)

  if (originalRDD.partitioner.nonEmpty) {
    writePartitionerToCheckpointDir(sc, originalRDD.partitioner.get, checkpointDirPath)
  }

  val newRDD = new ReliableCheckpointRDD[T](
    sc, checkpointDirPath.toString, originalRDD.partitioner)
  if (newRDD.partitions.length != originalRDD.partitions.length) {
    throw new SparkException(
      s"Checkpoint RDD $newRDD(${newRDD.partitions.length}) has different " +
        s"number of partitions from original RDD $originalRDD(${originalRDD.partitions.length})")
  }
  newRDD
}

王家林老师名片：

中国Spark第一人

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