如何进行Spark性能调优中的RDD算子调优

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Spark调优之RDD算子调优

不废话，直接进入正题！

1. RDD复用

在对RDD进行算子时，要避免相同的算子和计算逻辑之下对RDD进行重复的计算，如下图所示：

对上图中的RDD计算架构进行修改，得到如下图所示的优化结果：

2. 尽早filter

获取到初始RDD后，应该考虑尽早地过滤掉不需要的数据，进而减少对内存的占用，从而提升Spark作业的运行效率。

3. 读取大量小文件-用wholeTextFiles

当我们将一个文本文件读取为 RDD 时，输入的每一行都会成为RDD的一个元素。

也可以将多个完整的文本文件一次性读取为一个pairRDD，其中键是文件名，值是文件内容。

val input:RDD[String] = sc.textFile("dir/*.log")

如果传递目录，则将目录下的所有文件读取作为RDD。文件路径支持通配符。

但是这样对于大量的小文件读取效率并不高，应该使用 wholeTextFiles
返回值为RDD[(String, String)]，其中Key是文件的名称，Value是文件的内容。

def wholeTextFiles(path: String, minPartitions: Int = defaultMinPartitions): RDD[(String, String)])

wholeTextFiles读取小文件:

val filesRDD: RDD[(String, String)] =
sc.wholeTextFiles("D:\\data\\files", minPartitions = 3)
val linesRDD: RDD[String] = filesRDD.flatMap(_._2.split("\\r\\n"))
val wordsRDD: RDD[String] = linesRDD.flatMap(_.split(" "))
wordsRDD.map((_, 1)).reduceByKey(_ + _).collect().foreach(println)

4. mapPartition和foreachPartition

mapPartitions

map(_….) 表示每一个元素

mapPartitions(_….) 表示每个分区的数据组成的迭代器

普通的map算子对RDD中的每一个元素进行操作，而mapPartitions算子对RDD中每一个分区进行操作。

如果是普通的map算子，假设一个partition有1万条数据，那么map算子中的function要执行1万次，也就是对每个元素进行操作。

如果是mapPartition算子，由于一个task处理一个RDD的partition，那么一个task只会执行一次function，function一次接收所有的partition数据，效率比较高。

比如，当要把RDD中的所有数据通过JDBC写入数据，如果使用map算子，那么需要对RDD中的每一个元素都创建一个数据库连接，这样对资源的消耗很大，如果使用mapPartitions算子，那么针对一个分区的数据，只需要建立一个数据库连接。

mapPartitions算子也存在一些缺点：对于普通的map操作，一次处理一条数据，如果在处理了2000条数据后内存不足，那么可以将已经处理完的2000条数据从内存中垃圾回收掉；但是如果使用mapPartitions算子，但数据量非常大时，function一次处理一个分区的数据，如果一旦内存不足，此时无法回收内存，就可能会OOM，即内存溢出。

因此，mapPartitions算子适用于数据量不是特别大的时候，此时使用mapPartitions算子对性能的提升效果还是不错的。（当数据量很大的时候，一旦使用mapPartitions算子，就会直接OOM）

在项目中，应该首先估算一下RDD的数据量、每个partition的数据量，以及分配给每个Executor的内存资源，如果资源允许，可以考虑使用mapPartitions算子代替map。

foreachPartition

rrd.foreache(_….) 表示每一个元素

rrd.forPartitions(_….) 表示每个分区的数据组成的迭代器

在生产环境中，通常使用foreachPartition算子来完成数据库的写入，通过foreachPartition算子的特性，可以优化写数据库的性能。

如果使用foreach算子完成数据库的操作，由于foreach算子是遍历RDD的每条数据，因此，每条数据都会建立一个数据库连接，这是对资源的极大浪费，因此，对于写数据库操作，我们应当使用foreachPartition算子。

与mapPartitions算子非常相似，foreachPartition是将RDD的每个分区作为遍历对象，一次处理一个分区的数据，也就是说，如果涉及数据库的相关操作，一个分区的数据只需要创建一次数据库连接，如下图所示：

使用了foreachPartition 算子后，可以获得以下的性能提升：

对于我们写的function函数，一次处理一整个分区的数据；
对于一个分区内的数据，创建唯一的数据库连接；
只需要向数据库发送一次SQL语句和多组参数；

在生产环境中，全部都会使用foreachPartition算子完成数据库操作。foreachPartition算子存在一个问题，与mapPartitions算子类似，如果一个分区的数据量特别大，可能会造成OOM，即内存溢出。

5. filter+coalesce/repartition(减少分区)

在Spark任务中我们经常会使用filter算子完成RDD中数据的过滤，在任务初始阶段，从各个分区中加载到的数据量是相近的，但是一旦进过filter过滤后，每个分区的数据量有可能会存在较大差异，如下图所示：

根据上图我们可以发现两个问题：

每个partition的数据量变小了，如果还按照之前与partition相等的task个数去处理当前数据，有点浪费task的计算资源；
每个partition的数据量不一样，会导致后面的每个task处理每个partition数据的时候，每个task要处理的数据量不同，这很有可能导致数据倾斜问题。

如上图所示，第二个分区的数据过滤后只剩100条，而第三个分区的数据过滤后剩下800条，在相同的处理逻辑下，第二个分区对应的task处理的数据量与第三个分区对应的task处理的数据量差距达到了8倍，这也会导致运行速度可能存在数倍的差距，这也就是数据倾斜问题。

针对上述的两个问题，我们分别进行分析：

针对第一个问题，既然分区的数据量变小了，我们希望可以对分区数据进行重新分配，比如将原来4个分区的数据转化到2个分区中，这样只需要用后面的两个task进行处理即可，避免了资源的浪费。
针对第二个问题，解决方法和第一个问题的解决方法非常相似，对分区数据重新分配，让每个partition中的数据量差不多，这就避免了数据倾斜问题。

那么具体应该如何实现上面的解决思路？我们需要coalesce算子。

repartition与coalesce都可以用来进行重分区，其中repartition只是coalesce接口中shuffle为true的简易实现，coalesce默认情况下不进行shuffle，但是可以通过参数进行设置。

假设我们希望将原本的分区个数A通过重新分区变为B，那么有以下几种情况：

A > B（多数分区合并为少数分区）

A与B相差值不大
此时使用coalesce即可，无需shuffle过程。
A与B相差值很大
此时可以使用coalesce并且不启用shuffle过程，但是会导致合并过程性能低下，所以推荐设置coalesce的第二个参数为true，即启动shuffle过程。

A < B（少数分区分解为多数分区）

此时使用repartition即可，如果使用coalesce需要将shuffle设置为true，否则coalesce无效。

我们可以在filter操作之后，使用coalesce算子针对每个partition的数据量各不相同的情况，压缩partition的数量，而且让每个partition的数据量尽量均匀紧凑，以便于后面的task进行计算操作，在某种程度上能够在一定程度上提升性能。

注意：local模式是进程内模拟集群运行，已经对并行度和分区数量有了一定的内部优化，因此不用去设置并行度和分区数量。

6. 并行度设置

Spark作业中的并行度指各个stage的task的数量。

如果并行度设置不合理而导致并行度过低，会导致资源的极大浪费，例如，20个Executor，每个Executor分配3个CPU core，而Spark作业有40个task，这样每个Executor分配到的task个数是2个，这就使得每个Executor有一个CPU core空闲，导致资源的浪费。

理想的并行度设置，应该是让并行度与资源相匹配，简单来说就是在资源允许的前提下，并行度要设置的尽可能大，达到可以充分利用集群资源。合理的设置并行度，可以提升整个Spark作业的性能和运行速度。

Spark官方推荐，task数量应该设置为Spark作业总CPU core数量的2~3倍。之所以没有推荐task数量与CPU core总数相等，是因为task的执行时间不同，有的task执行速度快而有的task执行速度慢，如果task数量与CPU core总数相等，那么执行快的task执行完成后，会出现CPU core空闲的情况。如果task数量设置为CPU core总数的2~3倍，那么一个task执行完毕后，CPU core会立刻执行下一个task，降低了资源的浪费，同时提升了Spark作业运行的效率。

Spark作业并行度的设置如下：

val conf = new SparkConf().set("spark.default.parallelism", "500")

原则：让 cpu 的 core（cpu 核心数）充分利用起来，如有100个 core，那么并行度可以设置为200~300。

7. repartition/coalesce调节并行度

Spark 中虽然可以设置并行度的调节策略，但是，并行度的设置对于Spark SQL是不生效的，用户设置的并行度只对于Spark SQL以外的所有Spark的stage生效。

Spark SQL的并行度不允许用户自己指定，Spark SQL自己会默认根据hive表对应的HDFS文件的split个数自动设置Spark SQL所在的那个stage的并行度，用户自己通 spark.default.parallelism 参数指定的并行度，只会在没Spark SQL的stage中生效。

由于Spark SQL所在stage的并行度无法手动设置，如果数据量较大，并且此stage中后续的transformation操作有着复杂的业务逻辑，而Spark SQL自动设置的task数量很少，这就意味着每个task要处理为数不少的数据量，然后还要执行非常复杂的处理逻辑，这就可能表现为第一个有Spark SQL的stage速度很慢，而后续的没有Spark SQL的stage运行速度非常快。

为了解决Spark SQL无法设置并行度和task数量的问题，我们可以使用repartition算子。

repartition 算子使用前后对比图如下：

Spark SQL这一步的并行度和task数量肯定是没有办法去改变了，但是，对于Spark SQL查询出来的RDD，立即使用repartition算子，去重新进行分区，这样可以重新分区为多个partition，从repartition之后的RDD操作，由于不再涉及Spark SQL，因此stage的并行度就会等于你手动设置的值，这样就避免了Spark SQL所在的stage只能用少量的task去处理大量数据并执行复杂的算法逻辑。使用repartition算子的前后对比如上图所示。

8. reduceByKey本地预聚合

reduceByKey相较于普通的shuffle操作一个显著的特点就是会进行map端的本地聚合，map端会先对本地的数据进行combine操作，然后将数据写入给下个stage的每个task创建的文件中，也就是在map端，对每一个key对应的value，执行reduceByKey算子函数。

reduceByKey算子的执行过程如下图所示：

使用reduceByKey对性能的提升如下：

本地聚合后，在map端的数据量变少，减少了磁盘IO，也减少了对磁盘空间的占用；
本地聚合后，下一个stage拉取的数据量变少，减少了网络传输的数据量；
本地聚合后，在reduce端进行数据缓存的内存占用减少；
本地聚合后，在reduce端进行聚合的数据量减少。

基于reduceByKey的本地聚合特征，我们应该考虑使用reduceByKey代替其他的shuffle算子，例如groupByKey。

groupByKey与reduceByKey的运行原理如下图1和图2所示：

根据上图可知，groupByKey不会进行map端的聚合，而是将所有map端的数据shuffle到reduce端，然后在reduce端进行数据的聚合操作。由于reduceByKey有map端聚合的特性，使得网络传输的数据量减小，因此效率要明显高于groupByKey。

9. 使用持久化+checkpoint

Spark持久化在大部分情况下是没有问题的，但是有时数据可能会丢失，如果数据一旦丢失，就需要对丢失的数据重新进行计算，计算完后再缓存和使用，为了避免数据的丢失，可以选择对这个RDD进行checkpoint，也就是将数据持久化一份到容错的文件系统上（比如HDFS）。

一个RDD缓存并checkpoint后，如果一旦发现缓存丢失，就会优先查看checkpoint数据存不存在，如果有，就会使用checkpoint数据，而不用重新计算。也即是说，checkpoint可以视为cache的保障机制，如果cache失败，就使用checkpoint的数据。

使用checkpoint的优点在于提高了Spark作业的可靠性，一旦缓存出现问题，不需要重新计算数据，缺点在于，checkpoint时需要将数据写入HDFS等文件系统，对性能的消耗较大。

持久化设置如下：

sc.setCheckpointDir(‘HDFS’)
rdd.cache/persist(memory_and_disk)
rdd.checkpoint

10. 使用广播变量

默认情况下，task中的算子中如果使用了外部的变量，每个task都会获取一份变量的复本，这就造成了内存的极大消耗。一方面，如果后续对RDD进行持久化，可能就无法将RDD数据存入内存，只能写入磁盘，磁盘IO将会严重消耗性能；另一方面，task在创建对象的时候，也许会发现堆内存无法存放新创建的对象，这就会导致频繁的GC，GC会导致工作线程停止，进而导致Spark暂停工作一段时间，严重影响Spark性能。

假设当前任务配置了20个Executor，指定500个task，有一个20M的变量被所有task共用，此时会在500个task中产生500个副本，耗费集群10G的内存，如果使用了广播变量，那么每个Executor保存一个副本，一共消耗400M内存，内存消耗减少了5倍。

广播变量在每个Executor保存一个副本，此Executor的所有task共用此广播变量，这让变量产生的副本数量大大减少。

在初始阶段，广播变量只在Driver中有一份副本。task在运行的时候，想要使用广播变量中的数据，此时首先会在自己本地的Executor对应的BlockManager中尝试获取变量，如果本地没有，BlockManager就会从Driver或者其他节点的BlockManager上远程拉取变量的复本，并由本地的BlockManager进行管理；之后此Executor的所有task都会直接从本地的BlockManager中获取变量。

对于多个Task可能会共用的数据可以广播到每个Executor上：

val 广播变量名= sc.broadcast(会被各个Task用到的变量,即需要广播的变量)

广播变量名.value//获取广播变量

11. 使用Kryo序列化

默认情况下，Spark使用Java的序列化机制。Java的序列化机制使用方便，不需要额外的配置，在算子中使用的变量实现Serializable接口即可，但是，Java序列化机制的效率不高，序列化速度慢并且序列化后的数据所占用的空间依然较大。

Spark官方宣称Kryo序列化机制比Java序列化机制性能提高10倍左右，Spark之所以没有默认使用Kryo作为序列化类库，是因为它不支持所有对象的序列化，同时Kryo需要用户在使用前注册需要序列化的类型，不够方便，但从Spark 2.0.0版本开始，简单类型、简单类型数组、字符串类型的Shuffling RDDs 已经默认使用Kryo序列化方式了。

Kryo序列化注册方式的代码如下：

public class MyKryoRegistrator implements KryoRegistrator{
  @Override
  public void registerClasses(Kryo kryo){
    kryo.register(StartupReportLogs.class);
  }
}

配置Kryo序列化方式的代码如下：

//创建SparkConf对象
val conf = new SparkConf().setMaster(…).setAppName(…)
//使用Kryo序列化库
conf.set("spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.KryoSerializer");  
//在Kryo序列化库中注册自定义的类集合
conf.set("spark.kryo.registrator", "bigdata.com.MyKryoRegistrator");

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本文名称：如何进行Spark性能调优中的RDD算子调优
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