MapReduce理解-深入理解MapReduce

心已赠人 2022-07-12 06:59 323阅读 0赞

前面的几篇博客主要介绍了[Hadoop][]的存储[HDFS][]，接下来几篇博客主要介绍Hadoop的计算框架MapReduce。本片博客主要讲解MapReduce框架的具体执行流程，以及shuffle过程，当然这方面的技术博客已经特别多而且都写得很优秀，我写本篇博客之前也有过相关阅读，受益匪浅。对一些博客和资料的参考都会才博客下方参考资料中列出。

# MapReduce理解 #

*  MapRedeuce，我们可以把它分开来理解：

1.  映射（Mapping） ：对集合里的每个目标应用同一个操作。即，如果你想把表单里每个单元格乘以二，那么把这个函数单独地应用在每个单元格上的操作就属于mapping（这里体现了移动计算而不是移动数据）；
2.  化简（Reducing）：遍历集合中的元素来返回一个综合的结果。即，输出表单里一列数字的和这个任务属于reducing。

*  计算框架  
    [![一个简单的MapReduce执行流程][MapReduce]][MapReduce]一个简单的MapReduce执行流程  
    简单理解，MapReduce计算框架：
    
    > 把需要计算的东西放入到MapReduce中进行计算，然后返回一个我们期望的结果。所以首先我们需要一个来源（需要计算的东西）即输入（input），然后MapReduce操作这个输入（input），通过定义好的计算模型，最后得到一个（期望的结果）输出（output）。
 *  计算模型  
    [![Map和Reduce][Map_Reduce]][Map_Reduce]Map和Reduce  
    在这里我们主要讨论的是MapReduce计算模型：
    
    > 在运行一个mapreduce计算任务时候，任务过程被分为两个阶段：map阶段和reduce阶段，每个阶段都是用键值对（key/value）作为输入（input）和输出（output）。而程序员要做的就是定义好这两个阶段的函数：map函数和reduce函数。

# 实例代码 #

*  以MapReduce统计单词次数为例（伪代码），主要四个模块来讲解，如上图计算框架：

1. Input，数据读入
 
 <table style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; line-height:1.6em; width:auto"> 
 <tbody style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <tr style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px 20px 0px 0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; font-size:0.85em; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(102,102,102); line-height:22.4px; text-align:right">1
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 </pre> </td> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(39,40,34); line-height:22.4px">// 设置数据输入来源
 FileInputFormat.setInputPaths(job, args[0]);
 FileInputFormat.setInputDirRecursive(job, true); //递归
 job.setInputFormatClass(TextInputFormat.class);	//设置输入格式
 
 //TextInputFormat，一种默认的文本输入格式，Mapper一次读取文本中的一行数据。
 </pre> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
2. 使用Mapper计算
 
 <table style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; line-height:1.6em; width:auto"> 
 <tbody style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <tr style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px 20px 0px 0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; font-size:0.85em; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(102,102,102); line-height:22.4px; text-align:right">1
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 </pre> </td> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(39,40,34); line-height:22.4px">//设置Job的Mapper计算类和K2、V2类型
 job.setMapperClass(WordCountMapper.class);	//1.设置Mapper类
 job.setMapOutputKeyClass(Text.class);	//设置Mapper输出Key的类型
 job.setMapOutputValueClass(LongWritable.class);//设置Mapper输出Value的类型
 
 //WordCountMapper类
 /**
 * 自定义的Map 需要继承Mapper
 * K1 : 行序号
 * V1 : 行信息
 * K2 : 单词
 * V2 : 次数
 */
 public static class WordCountMapper extends Mapper&lt;LongWritable,Text,Text,LongWritable&gt; {
 
 
 Text k2 = new Text() ;
 LongWritable v2 = new LongWritable();
 
 @Override
 protected void map(LongWritable key, Text value, Context context) 
 throws IOException, InterruptedException {
 
 
 //1. 获取行信息
 String line = value.toString();
 
 //2. 获取行的所用单词
 String[] words = line.split("\t");//这里假设一行文本单词分隔符为"\t"
 for (String word : words) {
 
 k2.set(word.getBytes()) ; //设置键
 v2.set(1); //设置值
 context.write(k2,v2);
 }
 
 }
 }
 </pre> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
3. 使用Reducer合并计算
 
 <table style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; line-height:1.6em; width:auto"> 
 <tbody style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <tr style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px 20px 0px 0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; font-size:0.85em; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(102,102,102); line-height:22.4px; text-align:right">1
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 </pre> </td> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(39,40,34); line-height:22.4px">//设置Job的Reducer计算类和K3、V3类型
 job.setReducerClass(WordCountReducer.class);	//自定义的Reducer类
 job.setOutputKeyClass(Text.class);		//输出Key类型
 job.setOutputValueClass(LongWritable.class);	//输出Value类型
 
 //WordCountReducer 类
 /**
 * 自定义的Reduce 需要继承Reducer
 * K2 : 字符串
 * V3 : 次数（分组）
 * K3 : 字符串
 * V3 : 次数（统计总的）
 */
 public static class WordCountReducer extends Reducer&lt;Text,LongWritable,Text,LongWritable&gt;{
 
 
 LongWritable v3 = new LongWritable() ;
 int sum = 0 ;
 @Override
 protected void reduce(Text key, Iterable&lt;LongWritable&gt; values, Context context) 
 throws IOException, InterruptedException {
 
 sum = 0 ;
 for (LongWritable value : values) {
 
 sum +=value.get() ;
 }
 v3.set(sum);
 context.write( key , v3 );
 }
 }
 </pre> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
4. Output，数据写出
 
 <table style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; line-height:1.6em; width:auto"> 
 <tbody style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <tr style="margin:0px; padding:0px; border:0px; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:inherit; vertical-align:baseline"> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px 20px 0px 0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; font-size:0.85em; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(102,102,102); line-height:22.4px; text-align:right">1
 </pre> </td> 
 <td style="margin:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-style:inherit; font-family:inherit; font-size:14px; vertical-align:middle"> <pre style="margin-top:0px; margin-bottom:0px; padding:0px; border:none; outline:0px; font-weight:inherit; font-style:inherit; font-family:&quot;Source Code Pro&quot;,Consolas,Monaco,Menlo,Consolas,monospace; vertical-align:baseline; overflow:auto; color:rgb(39,40,34); line-height:22.4px">FileOutputFormat.setOutputPath(job, new Path(args[1]));
 </pre> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>

# 运行机制 #

*  下面从两个角度来讲解MapReduce的运行机制：

1.  各个角色实体;
2.  运行的时间先后顺序。  
    [![MapReduce计算模型的运行机制][MapReduce 1]][MapReduce 1]MapReduce计算模型的运行机制

## 各个角色实体 ##

1.  程序运行时过程设计到的一个角色实体  
    1.1. Client：编写mapreduce程序，配置作业，提交作业的客户端 ；  
    1.2. ResourceManager：集群中的资源分配管理 ；  
    1.3. NodeManager：启动和监管各自节点上的计算资源 ；  
    1.4. ApplicationMaster：每个程序对应一个AM，负责程序的任务调度，本身也是运行在NM的Container中 ；  
    1.5. HDFS：分布式文件系统，保存作业的数据、配置信息等等。
2.  客户端提交Job  
    2.1. 客户端编写好Job后，调用Job实例的Submit()或者waitForCompletion()方法提交作业；  
    2.2. 客户端向ResourceManager请求分配一个Application ID，客户端会对程序的输出、输入路径进行检查，如果没有问题，进行作业输入分片的计算。
3.  Job提交到ResourceManager  
    3.1. 将作业运行所需要的资源拷贝到HDFS中（jar包、配置文件和计算出来的输入分片信息等）；  
    3.2. 调用ResourceManager的submitApplication方法将作业提交到ResourceManager。
4.  给作业分配ApplicationMaster  
    4.1. ResourceManager收到submitApplication方法的调用之后会命令一个NodeManager启动一个Container ；  
    4.2. 在该NodeManager的Container上启动管理该作业的ApplicationMaster进程。
5.  ApplicationMaster初始化作业  
    5.1. ApplicationMaster对作业进行初始化操作；  
    5.2. ApplicationMaster从HDFS中获得输入分片信息(map、reduce任务数)
6.  任务分配  
    6.1. ApplicationMaster为其每个map和reduce任务向RM请求计算资源；  
    6.2. map任务优先于reduce任，map数据优先考虑本地化的数据。
7.  任务执行，在 Container 上启动任务（通过YarnChild进程来运行），执行map/reduce任务。

## 时间先后顺序 ##

1.  输入分片（input split）  
    每个输入分片会让一个map任务来处理，默认情况下，以HDFS的一个块的大小（默认为128M，可以设置）为一个分片。map输出的结果会暂且放在一个环形内存缓冲区中（`默认mapreduce.task.io.sort.mb=100M`）,当该缓冲区快要溢出时（`默认mapreduce.map.sort.spill.percent=0.8`）,会在本地文件系统中创建一个溢出文件，将该缓冲区中的数据写入这个文件；
2.  map阶段：由我们自己编写，最后调用 context.write(…)；
3.  partition分区阶段  
    3.1. 在map中调用 context.write(k2,v2)方法输出，该方法会立刻调用 Partitioner类对数据进行分区，一个分区对应一个 reduce task。  
    3.2. 默认的分区实现类是 HashPartitioner ，根据`k2的哈希值 % numReduceTasks`，可能出现“数据倾斜”现象。  
    3.3. 可以自定义 partition ，调用 job.setPartitioner(…)自己定义分区函数。
4.  combiner合并阶段：将属于同一个reduce处理的输出结果进行合并操作  
    4.1. 是可选的；  
    4.2. 目的有三个：1.减少Key-Value对；2.减少网络传输；3.减少Reduce的处理。
5.  shuffle阶段：即Map和Reduce中间的这个过程  
    5.1. 首先 map 在做输出时候会在内存里开启一个环形内存缓冲区，专门用来做输出，同时map还会启动一个守护线程；  
    5.2. 如缓冲区的内存达到了阈值的80%，守护线程就会把内容写到磁盘上，这个过程叫spill，另外的20%内存可以继续写入要写进磁盘的数据；  
    5.3. 写入磁盘和写入内存操作是互不干扰的，如果缓存区被撑满了，那么map就会阻塞写入内存的操作，让写入磁盘操作完成后再继续执行写入内存操作;  
    5.4. 写入磁盘时会有个排序操作，如果定义了combiner函数，那么排序前还会执行combiner操作；  
    5.5. 每次spill操作也就是写入磁盘操作时候就会写一个溢出文件，也就是说在做map输出有几次spill就会产生多少个溢出文件，等map输出全部做完后，map会合并这些输出文件，这个过程里还会有一个Partitioner操作（如上）  
    5.6. 最后 reduce 就是合并map输出文件，Partitioner会找到对应的map输出文件，然后进行复制操作，复制操作时reduce会开启几个复制线程，这些线程默认个数是5个（可修改），这个复制过程和map写入磁盘过程类似，也有阈值和内存大小，阈值一样可以在配置文件里配置，而内存大小是直接使用reduce的tasktracker的内存大小，复制时候reduce还会进行排序操作和合并文件操作，这些操作完了就会进行reduce计算了。
6.  reduce阶段：由我们自己编写，最终结果存储在hdfs上的。

参考

[https://github.com/kite-sdk/kite/wiki/Hadoop-MapReduce-Tutorial][https_github.com_kite-sdk_kite_wiki_Hadoop-MapReduce-Tutorial]  
[http://www.cnblogs.com/sharpxiajun/p/3151395.html][http_www.cnblogs.com_sharpxiajun_p_3151395.html]  
[http://blog.csdn.net/qq1010885678/article/details/51337323][http_blog.csdn.net_qq1010885678_article_details_51337323]  
[http://blog.csdn.net/u014313009/article/details/38072269 （Shuffle阶段讲的很好）][http_blog.csdn.net_u014313009_article_details_38072269 _Shuffle]

[Hadoop]: http://blog.xiaoxiaomo.com/tags/Hadoop/
[HDFS]: http://blog.xiaoxiaomo.com/2016/04/11/Hadoop-HDFS%E6%9E%B6%E6%9E%84%E5%92%8CShell/
[MapReduce]: /images/20220711/0d438bf0f31b4518842a1c07c8c35bde.png
[Map_Reduce]: /images/20220711/fc0f63715c834f949c2c437a48246c60.png
[MapReduce 1]: /images/20220711/a13ba40590334a0fbf7b154982fa946f.png
[https_github.com_kite-sdk_kite_wiki_Hadoop-MapReduce-Tutorial]: https://github.com/kite-sdk/kite/wiki/Hadoop-MapReduce-Tutorial
[http_www.cnblogs.com_sharpxiajun_p_3151395.html]: http://www.cnblogs.com/sharpxiajun/p/3151395.html
[http_blog.csdn.net_qq1010885678_article_details_51337323]: http://blog.csdn.net/qq1010885678/article/details/51337323
[http_blog.csdn.net_u014313009_article_details_38072269 _Shuffle]: http://blog.csdn.net/u014313009/article/details/38072269