【MR原理-1】MapReduce整体架构及工作机制

忘是亡心i 2022-06-05 06:58 176阅读 0赞

> 导读：  
> 1. HDFS架构  
> 2. MapReduce架构  
> 3. MapReduce作业的生命周期

Hadoop的核心两个组件分别是分布式文件系统和分布式计算框架MapReduce。其中分布式文件系统主要用于大规模数据的分布式存储，而MapReduce则构建在分布式文件系统之上，对存储在分布式文件系统中的数据进行分布式计算。在了解MapReduce工作机制之前，考虑到MapReduce的一些功能跟底层存储机制相关，因而会首先介绍分布式文件系统。

#### 一、HDFS架构 ####

Hadoop默认使用的分布式文件系统是HDFS（Hadoop Distributed File System），它与MapReduce框架紧密结合。HDFS是一个具有高容错性的分布式文件系统，适合部署在廉价的机器上，能提供高吞吐量的数据访问，非常适合大规模数据集上的应用。  
  HDFS的框架总体采用了master/slave架构，主要由以下几个组件组成：Client、NameNode、SecondNamenode和DataNode。下面分别对这几个组件进行介绍。

![这里写图片描述][SouthEast]  
HDFS架构图

（1）Client  
  Client是客户端，是用户操作HDFS最常用的方式，通过与NameNode和DataNode交互从而访问HDFS中的文件。

（2）NameNode  
  NameNode是名字节点，整个Hadoop集群中只有一个NameNode。它是整个系统的“总管”，负责管理HDFS的目录树和相关的文件元数据信息。这些信息是以“fsimage”（HDFS元数据镜像文件）和“editlog”（HDFS文件改动日志）两个文件形式存放在本地磁盘，当HDFS重启时重新构造出来的。此外，NameNode还负责监控各个DataNode的健康状态，一旦发现某个DataNode宕掉，则将该DataNode移出HDFS并重新备份其上面的数据。

（3）Second NameNode  
  Second NameNode最重要的任务并不是为NameNode元数据进行热备份，而是定期合并fsimage和edits日志，并传输给NameNode。这里需要注意的是，为了减小NameNode压力，NameNode自己并不会合并fsimage和edits，并将文件文件存储到磁盘上，而是交由Second NameNode完成。

（4）DataNode  
  一般而言，每个Slave节点上安装一个DataNode，它负责实际的数据存储，并将数据信息定期汇报给NameNode。DataNode以固定大小的block为基本单位组织文件内容，默认情况下block大小为64MB。当用户上传一个大的文件到HDFS上时，该文件会被切分成若干个block，分别存储到不同的DataNode。同时，为了保证数据可靠，会将同一个block以流水线方法写到若干个（默认是3个，该参数可配置）不同的DataNode上。

#### 二、MapReduce架构 ####

Hadoop MapReduce采用Master/Slave（M/S）架构，如下图所示，主要包括以下组件：Client、JobTracker、TaskTracker和Task。

![这里写图片描述][SouthEast 1]  
MapReduce架构图

（1）Client  
  用户编写的MapReduce程序通过Client提交到JobTracker端；同时，用户可通过Client提供的一些接口查看作业运行状态。在Hadoop内部用“作业”（Job）表示MapReduce程序。一个MapReduce程序可对应若干个作业，而每个作业会被分解成若干个Map/Reduce任务（Task）。

（2）JobTracker  
  JobTracker主要负责资源监控和作业调度。JobTracker监控所有TaskTracker与作业的健康状况，一旦发现失败情况后，其会将相应的任务转移到其他节点；同时JobTracker会跟踪任务的执行进度、资源使用量等，并将这些信息告诉给任务调度器（Task Scheduler），而T调度器会在资源出现空闲时，选择合适的任务使用这些资源。在Hadoop中，任务调度器是一个可插拔的模块，用户可以根据自己的需要设计相应的Scheduler。

（3）TaskTracker  
  TaskTracker会周期性地通过Heartbeat将本节点上资源的使用情况和任务的运行进度汇报给JobTracker，同时接收JobTracker发送过来的命令并执行相应操作（如启动新任务、杀手任务等）。TaskTracker使用“slot”等量划分本节点上的资源量。“slot”代表计算资源（CPU、内存等）。一个Task获取到一个slot后才有机会运行，而Hadoop调度器的作用就是将各个TaskTracker上的空闲slot分配给Task使用。slot分为Map slot和Reduce slot两种，分别供Map Task和Reduce Task使用。TaskTracker通过slot数目（可配置参数）限定Task的并发度。

（4）Task  
  Task分为Map Task和Reduce Task两种，均由TaskTracker启动。我们知道，HDFS以固定大小的block为基本单位存储数据，而对于MapReduce而言，其处理单位是split。split与block的对应关系如下图所示。split是一个逻辑概念，它只包含一些元数据信息，比如数据起始位置、数据长度、数据所在节点等。它的划分方法完全由用户自己决定。但需要注意的是，split的多少决定Map Task的数目，因为每个split会交由一个Map Task处理。

![这里写图片描述][SouthEast 2]  
split和block的区别

（4-1）Map Task的执行过程  
  Map Task先将对应的split迭代解析成一个个key/value对，依次调用用户自定义的map()函数进行处理，最终将临时结果存放到本地磁盘上，其中临时数据被分为若干个partition，每个partition将被一个Reduce Task处理。

![这里写图片描述][SouthEast 3]  
Map Task执行过程

（4-2）Reduce Task的执行过程  
  Map Task执行过程分为三个阶段①从远程节点上读取Map Task的中间结果（称为“Shuffle阶段”）；②按照key对key/value键值对进行排序（称为“Sort阶段”）；③依次读取<key, value list>，调用用户自定义的reduce()函数处理，并将最终结果存放到HDFS上（称为“Reduce阶段”）。

![这里写图片描述][SouthEast 4]  
Reduce Task执行过程

#### 三、MapReduce作业的生命周期 ####

MapReduce作业的生命周期包括作业从提交到运行结束经历的整个过程。假设用户编写一个MapReduce程序，并将其打包成xxx.jar文件，然后提交作业：  
$HADOOP\_HOME/bin/hadoop jar xxx.jar  
  -D mapred.job.name=”xxx” \\  
  -D mapred.map.tasks=3 \\  
  -D mapred.reduce.tasks=2 \\  
  -D input=/test/input \\  
  -D output=/test/output  
则该作业的运行过程如下图所示

![这里写图片描述][SouthEast 5]  
MapReduce生命周期

这个过程分为一下5个步骤：  
步骤1：作业提交与初始化。  
  用户提交作业后，首先由JobClient实例将作业相关信息，比如将程序jar包、作业配置信息、分片原信息文件等上传到分布式文件系统（一般为HDFS）上，其中，分片信息文件记录了每个输入分片的逻辑位置信息。然后JobClient通过RPC通知JobTracker。JobTracker收到新作业提交请求后，由作业调度模块对作业进行初始化：为作业创建一个JobInProcess对象以跟踪作业运行状况，而JobInProcess则会为每个Task创建一个TaskInProgress对象以跟踪每个任务的运行状态，TaskInProgress可能需要管理多个“Task运行尝试”（成为“Task Attempt”）。

步骤2：任务调度与监控。  
  任务调度和监控均由JobTracker完成。TaskTracker周期性地通过Heartbeat向JobTracker汇报本节点的资源使用情况，一旦出现空闲资源，JobTracker会按照一定的策略选择一个合适的任务使用该空闲资源，这个过程由任务调度器完成。任务调度器是一个可插拔的独立模块，且为双层架构，即首先选择作业，然后从该作业中选择任务，其中，选择任务时需要重点考虑数据本地性。此外，JobTracker跟踪作业的整个运行过程，并为作业的成功运行提供全方位的保障。首先，当TaskTracker或者Task失败时，转移计算任务；其次，当某个Task执行进度远落后于同一个同一个作业的其他Task时，为之启动一个相同的Task，并选择计算快的Task结果作为最终结果。

步骤3：任务运行环境准备。  
  运行环境准备包括JVM启动和资源隔离，均由TaskTracker实现。TaskTracker为每个Task启动一个独立的JVM以避免不同Task在运行过程中相互影响；同时，TaskTracker使用操作系统进程实现资源隔离以防Task滥用资源。

步骤4：任务执行。  
  TaskTracker为Task准备好运行环境后，便会启动Task。在运行过程中，每个Task的最新进度首先由Task通过RPC汇报TaskTracker，再由TaskTracker通过RPC汇报给JobTracker。

步骤5：作业完成。  
  待所有Task执行完毕后，整个作业执行成功。

【参考资料】

> \[1\] 董西成，《Hadoop技术内幕：深入解析MapReduce架构设计与实现原理》  
> \[2\] yr123，MapReduce程序的工作过程：  
>    [http://www.aboutyun.com/thread-15494-1-2.html][http_www.aboutyun.com_thread-15494-1-2.html]

[SouthEast]: /images/20220605/de7c081e8b8249f8a0298a5279aa8c97.png
[SouthEast 1]: /images/20220605/dec9889883c84c468ecd0a34d4851c01.png
[SouthEast 2]: /images/20220605/d9052a5858804c5db18d2aefe43ce809.png
[SouthEast 3]: /images/20220605/851846a219154f30bd0680cfb16a9b64.png
[SouthEast 4]: /images/20220605/a7ebb1fc2a494bd4aefd6900b4b4ac83.png
[SouthEast 5]: /images/20220605/179ba7ef9a8140a8b1c93f9d94a74678.png
[http_www.aboutyun.com_thread-15494-1-2.html]: http://www.aboutyun.com/thread-15494-1-2.html