Spark 持久化和共享变量

怼烎@ 2022-04-01 03:20 171阅读 0赞

# 一、Spark RDD持久化 #

## RDD持久化工作原理 ##

Spark非常重要的一个功能特性就是可以将RDD持久化在内存中。当对RDD执行持久化操作时，每个节点都会将自己操作的RDD的partition持久化到内存中，并且在之后对该RDD的反复使用中，直接使用内存缓存的partition。这样的话，对于针对一个RDD反复执行多个操作的场景，就只要对RDD计算一次即可，后面直接使用该RDD，而不需要反复计算多次该RDD。

巧妙使用RDD持久化，甚至在某些场景下，可以将spark应用程序的性能提升10倍。对于迭代式算法和快速交互式应用来说，RDD持久化，是非常重要的。

要持久化一个RDD，只要调用其cache()或者persist()方法即可。在该RDD第一次被计算出来时，就会直接缓存在每个节点中。而且Spark的持久化机制还是自动容错的，如果持久化的RDD的任何partition丢失了，那么Spark会自动通过其源RDD，使用transformation操作重新计算该partition。

cache()和persist()的区别在于，cache()是persist()的一种简化方式，cache()的底层就是调用的persist()的无参版本，同时就是调用persist(MEMORY\_ONLY)，将数据持久化到内存中。如果需要从内存中去除缓存，那么可以使用unpersist()方法。

## RDD持久化使用场景 ##

1、第一次加载大量的数据到RDD中

2、频繁的动态更新RDD Cache数据，不适合使用Spark Cache、Spark lineage

## RDD持久化策略 ##

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>持久化级别</th> 
   <th>说明</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>MEMORY_ONLY</td> 
   <td>将RDD以非序列化的Java对象存储在JVM中。 如果没有足够的内存存储RDD，则某些分区将不会被缓存，每次需要时都会重新计算。 这是默认级别。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MEMORY_AND_DISK</td> 
   <td>将RDD以非序列化的Java对象存储在JVM中。如果数据在内存中放不下，则溢写到磁盘上．需要时则会从磁盘上读取</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MEMORY_ONLY_SER (Java and Scala)</td> 
   <td>将RDD以序列化的Java对象(每个分区一个字节数组)的方式存储．这通常比非序列化对象(deserialized objects)更具空间效率，特别是在使用快速序列化的情况下，但是这种方式读取数据会消耗更多的CPU。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MEMORY_AND_DISK_SER (Java and Scala)</td> 
   <td>与<code>MEMORY_ONLY_SER</code>类似，但如果数据在内存中放不下，则溢写到磁盘上，而不是每次需要重新计算它们。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DISK_ONLY</td> 
   <td>将RDD分区存储在磁盘上。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>MEMORY_ONLY_2, MEMORY_AND_DISK_2等</td> 
   <td>与上面的储存级别相同，只不过将持久化数据存为两份，备份每个分区存储在两个集群节点上。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## 持久化策略的选择 ##

默认情况下，性能最高的当然是MEMORY\_ONLY，但前提是你的内存必须足够足够大，可以绰绰有余地存放下整个RDD的所有数据。因为不进行序列化与反序列化操作，就避免了这部分的性能开销；对这个RDD的后续算子操作，都是基于纯内存中的数据的操作，不需要从磁盘文件中读取数据，性能也很高；而且不需要复制一份数据副本，并远程传送到其他节点上。但是这里必须要注意的是，在实际的生产环境中，恐怕能够直接用这种策略的场景还是有限的，如果RDD中数据比较多时（比如几十亿），直接用这种持久化级别，会导致JVM的OOM内存溢出异常。

如果使用MEMORY\_ONLY级别时发生了内存溢出，那么建议尝试使用MEMORY\_ONLY\_SER级别。该级别会将RDD数据序列化后再保存在内存中，此时每个partition仅仅是一个字节数组而已，大大减少了对象数量，并降低了内存占用。这种级别比MEMORY\_ONLY多出来的性能开销，主要就是序列化与反序列化的开销。但是后续算子可以基于纯内存进行操作，因此性能总体还是比较高的。此外，可能发生的问题同上，如果RDD中的数据量过多的话，还是可能会导致OOM内存溢出的异常。

如果纯内存的级别都无法使用，那么建议使用MEMORY\_AND\_DISK\_SER策略，而不是MEMORY\_AND\_DISK策略。因为既然到了这一步，就说明RDD的数据量很大，内存无法完全放下。序列化后的数据比较少，可以节省内存和磁盘的空间开销。同时该策略会优先尽量尝试将数据缓存在内存中，内存缓存不下才会写入磁盘。

通常不建议使用DISK\_ONLY和后缀为\_2的级别：因为完全基于磁盘文件进行数据的读写，会导致性能急剧降低，有时还不如重新计算一次所有RDD。后缀为\_2的级别，必须将所有数据都复制一份副本，并发送到其他节点上，数据复制以及网络传输会导致较大的性能开销，除非是要求作业的高可用性，否则不建议使用。

### 测试案例 ###

测试代码如下：

package cn.xpleaf.bigdata.spark.scala.core.p3
    
    import org.apache.log4j.{Level, Logger}
    import org.apache.spark.storage.StorageLevel
    import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}
    
    /**
      * Spark RDD的持久化
      */
    object _01SparkPersistOps {
        def main(args: Array[String]): Unit = {
            val conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName(_01SparkPersistOps.getClass.getSimpleName())
            val sc = new SparkContext(conf)
            Logger.getLogger("org.apache.spark").setLevel(Level.OFF)
            Logger.getLogger("org.apache.hadoop").setLevel(Level.OFF)
    
            var start = System.currentTimeMillis()
            val linesRDD = sc.textFile("D:/data/spark/sequences.txt")
            // linesRDD.cache()
            // linesRDD.persist(StorageLevel.MEMORY_ONLY)
    
            // 执行第一次RDD的计算
            val retRDD = linesRDD.flatMap(_.split(" ")).map((_, 1)).reduceByKey(_ + _)
            // retRDD.cache()
            // retRDD.persist(StorageLevel.DISK_ONLY)
            retRDD.count()
            println("第一次计算消耗的时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms")
    
            // 执行第二次RDD的计算
            start = System.currentTimeMillis()
            // linesRDD.flatMap(_.split(" ")).map((_, 1)).reduceByKey(_ + _).count()
            retRDD.count()
            println("第二次计算消耗的时间：" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms")
    
            // 持久化使用结束之后，要想卸载数据
            // linesRDD.unpersist()
    
            sc.stop()
    
        }
    }

设置相关的持久化策略，再观察执行时间就可以有一个较为直观的理解。

# 二、共享变量 #

提供了两种有限类型的共享变量，广播变量和累加器。

介绍之前，先直接看下面一个例子：

package cn.xpleaf.bigdata.spark.scala.core.p3
    
    import org.apache.log4j.{Level, Logger}
    import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}
    
    /**
      * 共享变量
      *     我们在dirver中声明的这些局部变量或者成员变量，可以直接在transformation中使用，
      *     但是经过transformation操作之后，是不会将最终的结果重新赋值给dirver中的对应的变量。
      *     因为通过action，触发了transformation的操作，transformation的操作，都是通过
      *     DAGScheduler将代码打包 序列化 交由TaskScheduler传送到各个Worker节点中的Executor去执行，
      *     在transformation中执行的这些变量，是自己节点上的变量，不是dirver上最初的变量，我们只不过是将
      *     driver上的对应的变量拷贝了一份而已。
      *
      *
      *     这个案例也反映出，我们需要有一些操作对应的变量，在driver和executor上面共享
      *
      *     spark给我们提供了两种解决方案——两种共享变量
      *         广播变量
      *         累加器
      */
    object _02SparkShareVariableOps {
        def main(args: Array[String]): Unit = {
            val conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName(_01SparkPersistOps.getClass.getSimpleName())
            val sc = new SparkContext(conf)
            Logger.getLogger("org.apache.spark").setLevel(Level.OFF)
            Logger.getLogger("org.apache.hadoop").setLevel(Level.OFF)
    
            val linesRDD = sc.textFile("D:/data/spark/hello.txt")
            val wordsRDD = linesRDD.flatMap(_.split(" "))
            var num = 0
            val parisRDD = wordsRDD.map(word => {
                num += 1
                println("map--->num = " + num)
                (word, 1)
            })
            val retRDD = parisRDD.reduceByKey(_ + _)
    
            println("num = " + num)
            retRDD.foreach(println)
            println("num = " + num)
            sc.stop()
        }
    }

输出结果如下：

num = 0
    map--->num = 1
    map--->num = 1
    map--->num = 2
    map--->num = 2
    map--->num = 3
    map--->num = 4
    (hello,3)
    (you,1)
    (me,1)
    (he,1)
    num = 0

## 2.1 广播变量 ##

Spark的另一种共享变量是广播变量。通常情况下，当一个RDD的很多操作都需要使用driver中定义的变量时，每次操作，driver都要把变量发送给worker节点一次，如果这个变量中的数据很大的话，会产生很高的传输负载，导致执行效率降低。使用广播变量可以使程序高效地将一个很大的只读数据发送给多个worker节点，而且对每个worker节点只需要传输一次，每次操作时executor可以直接获取本地保存的数据副本，不需要多次传输。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ltMDEyMTM_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

> 这样理解， 一个worker中的executor，有5个task运行，假如5个task都需要这从份共享数据，就需要向5个task都传递这一份数据，那就十分浪费网络资源和内存资源了。使用了广播变量后，只需要向该worker传递一次就可以了。

创建并使用广播变量的过程如下：

在一个类型T的对象obj上使用SparkContext.brodcast(obj)方法，创建一个Broadcast\[T\]类型的广播变量，obj必须满足Serializable。 通过广播变量的.value()方法访问其值。 另外，广播过程可能由于变量的序列化时间过程或者序列化变量的传输过程过程而成为瓶颈，而Spark Scala中使用的默认的Java序列化方法通常是低效的，因此可以通过spark.serializer属性为不同的数据类型实现特定的序列化方法（如Kryo）来优化这一过程。

测试代码如下：

package cn.xpleaf.bigdata.spark.scala.core.p3
    
    import org.apache.log4j.{Level, Logger}
    import org.apache.spark.broadcast.Broadcast
    import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}
    
    /**
      * 使用Spark广播变量
      *
      * 需求：
      *     用户表：
      *         id name age gender(0|1)
      *
      *     要求，输出用户信息，gender必须为男或者女，不能为0,1
      */
    object _03SparkBroadcastOps {
        def main(args: Array[String]): Unit = {
            val conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName(_01SparkPersistOps.getClass.getSimpleName())
            val sc = new SparkContext(conf)
            Logger.getLogger("org.apache.spark").setLevel(Level.OFF)
            Logger.getLogger("org.apache.hadoop").setLevel(Level.OFF)
    
            val userList = List(
                "001,刘向前,18,0",
                "002,冯  剑,28,1",
                "003,李志杰,38,0",
                "004,郭  鹏,48,2"
            )
    
            val genderMap = Map("0" -> "女", "1" -> "男")
    
            val genderMapBC:Broadcast[Map[String, String]] = sc.broadcast(genderMap)
    
            val userRDD = sc.parallelize(userList)
            val retRDD = userRDD.map(info => {
                val prefix = info.substring(0, info.lastIndexOf(","))   // "001,刘向前,18"
                val gender = info.substring(info.lastIndexOf(",") + 1)
                val genderMapValue = genderMapBC.value
                val newGender = genderMapValue.getOrElse(gender, "男")
                prefix + "," + newGender
            })
            retRDD.foreach(println)
            sc.stop()
        }
    }

输出结果如下：

001,刘向前,18,女
    003,李志杰,38,女
    002,冯  剑,28,男
    004,郭  鹏,48,男

> 当然这个案例只是演示一下代码的使用，并不能看出其运行的机制。  
> 不过可以分析一下其原理，假如在执行map操作时，在某个Worker的一个Executor上有分配5个task来进行计算，在不使用广播变量的情况下，因为Driver会将我们的代码通过DAGScheduler划分会不同stage，交由taskScheduler，taskScheduler再将封装好的一个个task分发到Worker的Excutor中，也就是说，这个过程当中，我们的genderMap也会被封装到这个task中，显然这个过程的粒度是task级别的，每个task都会封装一个genderMap，在该变量数据量不大的情况下，是没有问题的，然后，当数据量很大时，同时向一个Excutor上传递5份这样相同的数据，这是很浪费网络中的带宽资源的；广播变量的使用可以避免这一问题的发生，将genderMap广播出去之后，其只需要发送给Excutor即可，它会保存在Excutor的BlockManager中，此时，Excutor下面的task就可以共享这个变量了，这显然可以带来一定性能的提升。

注意：

1.  不能广播RDD，但是可以将RDD的结果广播出去；
2.  广播变量只能在Driver端定义，在Excutor端使用，不能在Executor端更改变量值；
3.  如果不使用广播变量，在Executor端有几个task，就会有几个Driver端变量的副本；使用广播变量，在每个Executor中只有一个Driver端的副本，由BlockManager对象管理；

## 2.2 累加器 ##

Spark提供的Accumulator，主要用于多个节点对一个变量进行共享性的操作。Accumulator只提供了累加的功能。但是确给我们提供了多个task对一个变量并行操作的功能。但是task只能对Accumulator进行累加操作，不能读取它的值。只有Driver程序可以读取Accumulator的值。

非常类似于在MR中的一个Counter计数器，主要用于统计各个程序片段被调用的次数，和整体进行比较，来对数据进行一个评估。

测试代码如下：

package cn.xpleaf.bigdata.spark.scala.core.p3
    
    import org.apache.log4j.{Level, Logger}
    import org.apache.spark.rdd.RDD
    import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}
    
    /**
      * Spark共享变量之累加器Accumulator
      *
      * 需要注意的是，累加器的执行必须需要Action触发
      */
    object _04SparkAccumulatorOps {
        def main(args: Array[String]): Unit = {
            val conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName(_01SparkPersistOps.getClass.getSimpleName())
            val sc = new SparkContext(conf)
            Logger.getLogger("org.apache.spark").setLevel(Level.OFF)
            Logger.getLogger("org.apache.hadoop").setLevel(Level.OFF)
    
            // 要对这些变量都*7，同时统计能够被3整除的数字的个数
            val list = List(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13)
    
            val listRDD:RDD[Int] = sc.parallelize(list)
            var counter = 0
            val counterAcc = sc.accumulator[Int](0)
            val mapRDD = listRDD.map(num =>  {
                counter += 1
                if(num % 3 == 0) {
                    counterAcc.add(1)
                }
                num * 7
            })
            // 下面这种操作又执行了一次RDD计算，所以可以考虑上面的方案，减少一次RDD的计算
            // val ret = mapRDD.filter(num => num % 3 == 0).count()
            mapRDD.foreach(println)
            println("counter===" + counter)
            println("counterAcc===" + counterAcc.value)
            sc.stop()
        }
    }

输出结果如下：

49
    56
    7
    63
    14
    70
    21
    77
    28
    84
    35
    91
    42
    counter===0
    counterAcc===4

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3ltMDEyMTM_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220401/3f5638b4c92a43a8bde70a843ff84d63.png