Apache Spark 统一内存管理模型详解

分手后的思念是犯贱 2022-02-20 05:49 203阅读 0赞

本文将对 [Spark][] 的内存管理模型进行分析，下面的分析全部是基于 Apache [Spark][] 2.2.1 进行的。为了让下面的文章看起来不枯燥，我不打算贴出代码层面的东西。文章仅对统一内存管理模块(UnifiedMemoryManager)进行分析，如对之前的静态内存管理感兴趣，请参阅网上其他文章。

我们都知道 [Spark][] 能够有效的利用内存并进行分布式计算，其内存管理模块在整个系统中扮演着非常重要的角色。为了更好地利用 Spark，深入地理解其内存管理模型具有非常重要的意义，这有助于我们对 Spark 进行更好的调优；在出现各种内存问题时，能够摸清头脑，找到哪块内存区域出现问题。下文介绍的内存模型全部指 Executor 端的内存模型， Driver 端的内存模型本文不做介绍。统一内存管理模块包括了堆内内存(On-heap Memory)和堆外内存(Off-heap Memory)两大区域，下面对这两块区域进行详细的说明

文章目录

*  [1 堆内内存(On-heap Memory)][1_On-heap Memory]
 *  [2 堆外内存(Off-heap Memory)][2_Off-heap Memory]
 *  [3 Execution 内存和 Storage 内存动态调整][3_Execution _ Storage]
 *  [4 Task 之间内存分布][4_Task]
 *  [5 一个示例][5]
    
     *  [5.1 只用了堆内内存][5.1]
     *  [5.2 用了堆内和堆外内存][5.2]

## 堆内内存(On-heap Memory) ##

默认情况下，Spark 仅仅使用了堆内内存。Executor 端的堆内内存区域大致可以分为以下四大块：

*  **Execution 内存**：主要用于存放 Shuffle、Join、Sort、Aggregation 等计算过程中的临时数据
 *  **Storage 内存**：主要用于存储 spark 的 cache 数据，例如RDD的缓存、unroll数据；
 *  **用户内存（User Memory）**：主要用于存储 RDD 转换操作所需要的数据，例如 RDD 依赖等信息。
 *  **预留内存（Reserved Memory）**：系统预留内存，会用来存储Spark内部对象。

整个 Executor 端堆内内存如果用图来表示的话，可以概括如下：

[![Spark 内存管理][Spark 1]][Spark 1]  
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我们对上图进行以下说明：

*  `systemMemory = Runtime.getRuntime.maxMemory`，其实就是通过参数 `spark.executor.memory` 或 `--executor-memory` 配置的。
 *  reservedMemory 在 Spark 2.2.1 中是写死的，其值等于 300MB，这个值是不能修改的（如果在测试环境下，我们可以通过 `spark.testing.reservedMemory` 参数进行修改）；
 *  `usableMemory = systemMemory - reservedMemory`，这个就是 Spark 可用内存；

## 堆外内存(Off-heap Memory) ##

Spark 1.6 开始引入了Off-heap memory(详见[SPARK-11389][])。这种模式不在 JVM 内申请内存，而是调用 Java 的 unsafe 相关 API 进行诸如 C 语言里面的 malloc() 直接向操作系统申请内存，由于这种方式不进过 JVM 内存管理，所以可以避免频繁的 GC，这种内存申请的缺点是必须自己编写内存申请和释放的逻辑。

默认情况下，堆外内存是关闭的，我们可以通过 `spark.memory.offHeap.enabled` 参数启用，并且通过 `spark.memory.offHeap.size` 设置堆外内存大小，单位为字节。如果堆外内存被启用，那么 Executor 内将同时存在堆内和堆外内存，两者的使用互补影响，这个时候 Executor 中的 Execution 内存是堆内的 Execution 内存和堆外的 Execution 内存之和，同理，Storage 内存也一样。相比堆内内存，堆外内存只区分 Execution 内存和 Storage 内存，其内存分布如下图所示：

[![Spark 内存管理][Spark 2]][Spark 2]  
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上图中的 *maxOffHeapMemory* 等于 *spark.memory.offHeap.size* 参数配置的。

## Execution 内存和 Storage 内存动态调整 ##

细心的同学肯定看到上面两张图中的 Execution 内存和 Storage 内存之间存在一条虚线，这是为什么呢？

用过 Spark 的同学应该知道，在 Spark 1.5 之前，Execution 内存和 Storage 内存分配是静态的，换句话说就是如果 Execution 内存不足，即使 Storage 内存有很大空闲程序也是无法利用到的；反之亦然。这就导致我们很难进行内存的调优工作，我们必须非常清楚地了解 Execution 和 Storage 两块区域的内存分布。而目前 Execution 内存和 Storage 内存可以互相共享的。也就是说，如果 Execution 内存不足，而 Storage 内存有空闲，那么 Execution 可以从 Storage 中申请空间；反之亦然。所以上图中的虚线代表 Execution 内存和 Storage 内存是可以随着运作动态调整的，这样可以有效地利用内存资源。Execution 内存和 Storage 内存之间的动态调整可以概括如下：

[![Spark 内存管理][Spark 3]][Spark 3]  
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具体的实现逻辑如下：

*  程序提交的时候我们都会设定基本的 Execution 内存和 Storage 内存区域（通过 `spark.memory.storageFraction` 参数设置）；
 *  在程序运行时，如果双方的空间都不足时，则存储到硬盘；将内存中的块存储到磁盘的策略是按照 LRU 规则进行的。若己方空间不足而对方空余时，可借用对方的空间;（存储空间不足是指不足以放下一个完整的 Block）
 *  Execution 内存的空间被对方占用后，可让对方将占用的部分转存到硬盘，然后"归还"借用的空间
 *  Storage 内存的空间被对方占用后，目前的实现是无法让对方"归还"，因为需要考虑 Shuffle 过程中的很多因素，实现起来较为复杂；而且 Shuffle 过程产生的文件在后面一定会被使用到，而 Cache 在内存的数据不一定在后面使用。

注意，上面说的借用对方的内存需要借用方和被借用方的内存类型都一样，都是堆内内存或者都是堆外内存，不存在堆内内存不够去借用堆外内存的空间。

## Task 之间内存分布 ##

为了更好地使用使用内存，Executor 内运行的 Task 之间共享着 Execution 内存。具体的，Spark 内部维护了一个 HashMap 用于记录每个 Task 占用的内存。当 Task 需要在 Execution 内存区域申请 numBytes 内存，其先判断 HashMap 里面是否维护着这个 Task 的内存使用情况，如果没有，则将这个 Task 内存使用置为0，并且以 TaskId 为 key，内存使用为 value 加入到 HashMap 里面。之后为这个 Task 申请 numBytes 内存，如果 Execution 内存区域正好有大于 numBytes 的空闲内存，则在 HashMap 里面将当前 Task 使用的内存加上 numBytes，然后返回；如果当前 Execution 内存区域无法申请到每个 Task 最小可申请的内存，则当前 Task 被阻塞，直到有其他任务释放了足够的执行内存，该任务才可以被唤醒。每个 Task 可以使用 Execution 内存大小范围为 1/2N ~ 1/N，其中 N 为当前 Executor 内正在运行的 Task 个数。一个 Task 能够运行必须申请到最小内存为 (1/2N \* Execution 内存)；当 N = 1 的时候，Task 可以使用全部的 Execution 内存。

比如如果 Execution 内存大小为 10GB，当前 Executor 内正在运行的 Task 个数为5，则该 Task 可以申请的内存范围为 10 / (2 \* 5) ~ 10 / 5，也就是 1GB ~ 2GB的范围。

## 一个示例 ##

为了更好的理解上面堆内内存和堆外内存的使用情况，这里给出一个简单的例子。

### 只用了堆内内存 ###

现在我们提交的 Spark 作业关于内存的配置如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>--executor-memory 18g</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

由于没有设置 `spark.memory.fraction` 和 `spark.memory.storageFraction` 参数，我们可以看到 Spark UI 关于 Storage Memory 的显示如下：

[![Spark 内存管理][Spark 4]][Spark 4]  
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上图很清楚地看到 Storage Memory 的可用内存是 10.1GB，这个数是咋来的呢？根据前面的规则，我们可以得出以下的计算：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>systemMemory = spark.executor.memory</code></p> <p><code>reservedMemory = 300MB</code></p> <p><code>usableMemory = systemMemory - reservedMemory</code></p> <p><code>StorageMemory= usableMemory * spark.memory.fraction * spark.memory.storageFraction</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

如果我们把数据代进去，得出以下的结果：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>systemMemory = 18Gb = 19327352832 字节</code></p> <p><code>reservedMemory = 300MB = 300 * 1024 * 1024 = 314572800</code></p> <p><code>usableMemory = systemMemory - reservedMemory = 19327352832 - 314572800 = 19012780032</code></p> <p><code>StorageMemory= usableMemory * spark.memory.fraction * spark.memory.storageFraction</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 19012780032 * 0.6 * 0.5 = 5703834009.6 = 5.312109375GB</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

不对啊，和上面的 10.1GB 对不上啊。为什么呢？这是因为 Spark UI 上面显示的 Storage Memory 可用内存其实等于 Execution 内存和 Storage 内存之和，也就是 *usableMemory \* spark.memory.fraction*：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>StorageMemory= usableMemory * spark.memory.fraction</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 19012780032 * 0.6 = 11407668019.2 = 10.62421GB</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

还是不对，这是因为我们虽然设置了 *--executor-memory 18g*，但是 Spark 的 Executor 端通过 *Runtime.getRuntime.maxMemory* 拿到的内存其实没这么大，只有 17179869184 字节，所以 *systemMemory = 17179869184*，然后计算的数据如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>systemMemory = 17179869184 字节</code></p> <p><code>reservedMemory = 300MB = 300 * 1024 * 1024 = 314572800</code></p> <p><code>usableMemory = systemMemory - reservedMemory = 17179869184 - 314572800 = 16865296384</code></p> <p><code>StorageMemory= usableMemory * spark.memory.fraction</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 16865296384 * 0.6 = 9.42421875 GB</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

我们通过将上面的 16865296384 \* 0.6 字节除于 1024 \* 1024 \* 1024 转换成 9.42421875 GB，和 UI 上显示的还是对不上，这是因为 Spark UI 是通过除于 1000 \* 1000 \* 1000 将字节转换成 GB，如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>systemMemory = 17179869184 字节</code></p> <p><code>reservedMemory = 300MB = 300 * 1024 * 1024 = 314572800</code></p> <p><code>usableMemory = systemMemory - reservedMemory = 17179869184 - 314572800 = 16865296384</code></p> <p><code>StorageMemory= usableMemory * spark.memory.fraction</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 16865296384 * 0.6 字节 =&nbsp; 16865296384 * 0.6 / (1000 * 1000 * 1000) = 10.1GB</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

现在终于对上了。

具体将字节转换成 GB 的计算逻辑如下(core 模块下面的 */core/src/main/resources/org/apache/spark/ui/static/utils.js*)：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>function</code> <code>formatBytes(bytes, type) { </code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code> <code>(type !== </code><code>'display'</code><code>) </code><code>return</code> <code>bytes;</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>if</code> <code>(bytes == 0) </code><code>return</code> <code>'0.0 B'</code><code>;</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>var</code> <code>k = 1000;</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>var</code> <code>dm = 1;</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>var</code> <code>sizes = [</code><code>'B'</code><code>, </code><code>'KB'</code><code>, </code><code>'MB'</code><code>, </code><code>'GB'</code><code>, </code><code>'TB'</code><code>, </code><code>'PB'</code><code>, </code><code>'EB'</code><code>, </code><code>'ZB'</code><code>, </code><code>'YB'</code><code>];</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>var</code> <code>i = Math.floor(Math.log(bytes) / Math.log(k));</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code> <code>parseFloat((bytes / Math.pow(k, i)).toFixed(dm)) + </code><code>' '</code> <code>+ sizes[i];</code></p> <p><code>}</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

我们设置了 *--executor-memory 18g*，但是 Spark 的 Executor 端通过 *Runtime.getRuntime.maxMemory*拿到的内存其实没这么大，只有 17179869184 字节，这个数据是怎么计算的？  
*Runtime.getRuntime.maxMemory* 是程序能够使用的最大内存，其值会比实际配置的执行器内存的值小。这是因为内存分配池的堆部分分为 Eden，Survivor 和 Tenured 三部分空间，而这里面一共包含了两个 Survivor 区域，而这两个 Survivor 区域在任何时候我们只能用到其中一个，所以我们可以使用下面的公式进行描述：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>ExecutorMemory = Eden + 2 * Survivor + Tenured</code></p> <p><code>Runtime.getRuntime.maxMemory =&nbsp; Eden + Survivor + Tenured</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

上面的 17179869184 字节可能因为你的 GC 配置不一样得到的数据不一样，但是上面的计算公式是一样的。

### 用了堆内和堆外内存 ###

现在如果我们启用了堆外内存，情况咋样呢？我们的内存相关配置如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>spark.executor.memory&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 18g</code></p> <p><code>spark.memory.offHeap.enabled&nbsp;&nbsp;&nbsp; </code><code>true</code></p> <p><code>spark.memory.offHeap.size&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 10737418240</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

从上面可以看出，堆外内存为 10GB，现在 Spark UI 上面显示的 Storage Memory 可用内存为 20.9GB，如下：

[![Spark 内存管理][Spark 5]][Spark 5]  
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其实 Spark UI 上面显示的 Storage Memory 可用内存等于堆内内存和堆外内存之和，计算公式如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td> <p><code>堆内</code></p> <p><code>systemMemory = 17179869184 字节</code></p> <p><code>reservedMemory = 300MB = 300 * 1024 * 1024 = 314572800</code></p> <p><code>usableMemory = systemMemory - reservedMemory = 17179869184 - 314572800 = 16865296384</code></p> <p><code>totalOnHeapStorageMemory = usableMemory * spark.memory.fraction</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 16865296384 * 0.6 = 10119177830</code></p> <p>&nbsp;</p> <p><code>堆外</code></p> <p><code>totalOffHeapStorageMemory = spark.memory.offHeap.size = 10737418240</code></p> <p>&nbsp;</p> <p><code>StorageMemory = totalOnHeapStorageMemory + totalOffHeapStorageMemory</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= (10119177830 + 10737418240) 字节</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= (20856596070 / (1000 * 1000 * 1000)) GB</code></p> <p><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>= 20.9 GB</code></p> </td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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[Spark]: https://www.iteblog.com/archives/tag/spark/
[1_On-heap Memory]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#On-heap_Memory
[2_Off-heap Memory]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#Off-heap_Memory
[3_Execution _ Storage]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#Execution_Storage
[4_Task]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#Task
[5]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#i
[5.1]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#i-2
[5.2]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html#i-3
[Spark 1]: https://s.iteblog.com/pic/spark/spark_on_heap_memory_iteblog.png
[SPARK-11389]: https://www.iteblog.com/redirect.php?url=aHR0cHM6Ly9pc3N1ZXMuYXBhY2hlLm9yZy9qaXJhL2Jyb3dzZS9TUEFSSy0xMTM4OQ==&article=true
[Spark 2]: https://s.iteblog.com/pic/spark/Spark_off_heap_memory_iteblog.png
[Spark 3]: https://s.iteblog.com/pic/spark/spark_memory-management_iteblog.png
[Spark 4]: https://s.iteblog.com/pic/spark/spark_memory_usage2.png
[Spark 5]: https://s.iteblog.com/pic/spark/spark_memory_usage1.png
[https_www.iteblog.com]: https://www.iteblog.com/
[Apache Spark _https_www.iteblog.com_archives_2342.html]: https://www.iteblog.com/archives/2342.html