Spark之RDD超详细总结（三）

1. RDD 详解

RDD 是一个数据集的表示，不仅表示了数据集，还表示了这个数据集从哪来，如何计算，主要属性包括：

1. 分区列表
2. 计算函数
3. 依赖关系
4. 分区函数(默认是 hash)
5. 最佳位置

分区列表、分区函数、最佳位置，这三个属性其实说的就是数据集在哪，在哪计算更合适，如何分区；
计算函数、依赖关系，这两个属性其实说的是数据集怎么来的。

2. RDD-API

1) RDD 的创建方式

1. 由外部存储系统的数据集创建，包括本地的文件系统，还有所有 Hadoop 支持的数据集，比如 HDFS、Cassandra、HBase 等：
   val rdd1 = sc.textFile("hdfs://node1:8020/wordcount/input/words.txt")

2. 通过已有的 RDD 经过算子转换生成新的 RDD：
   val rdd2=rdd1.flatMap(_.split(" "))

3. 由一个已经存在的 Scala 集合创建：
   val rdd3 = sc.parallelize(Array(1,2,3,4,5,6,7,8))或者
   val rdd4 = sc.makeRDD(List(1,2,3,4,5,6,7,8))

makeRDD 方法底层调用了 parallelize 方法：

RDD源码

2) RDD 的算子分类

RDD 的算子分为两类:

1. Transformation转换操作:返回一个新的 RDD
2. Action动作操作:返回值不是 RDD(无返回值或返回其他的)

❣️ 注意:
1、RDD 不实际存储真正要计算的数据，而是记录了数据的位置在哪里，数据的转换关系(调用了什么方法，传入什么函数)。
2、RDD 中的所有转换都是惰性求值/延迟执行的，也就是说并不会直接计算。只有当发生一个要求返回结果给 Driver 的 Action 动作时，这些转换才会真正运行。
3、之所以使用惰性求值/延迟执行，是因为这样可以在 Action 时对 RDD 操作形成 DAG 有向无环图进行 Stage 的划分和并行优化，这种设计让 Spark 更加有效率地运行。

3) Transformation 转换算子

转换算子	含义
map(func)	返回一个新的 RDD，该 RDD 由每一个输入元素经过 func 函数转换后组成
filter(func)	返回一个新的 RDD，该 RDD 由经过 func 函数计算后返回值为 true 的输入元素组成
flatMap(func)	类似于 map，但是每一个输入元素可以被映射为 0 或多个输出元素(所以 func 应该返回一个序列，而不是单一元素)
mapPartitions(func)	类似于 map，但独立地在 RDD 的每一个分片上运行，因此在类型为 T 的 RDD 上运行时，func 的函数类型必须是 Iterator[T] => Iterator[U]
mapPartitionsWithIndex(func)	类似于 mapPartitions，但 func 带有一个整数参数表示分片的索引值，因此在类型为 T 的 RDD 上运行时，func 的函数类型必须是(Int, Interator[T]) => Iterator[U]
sample(withReplacement, fraction, seed)	根据 fraction 指定的比例对数据进行采样，可以选择是否使用随机数进行替换，seed 用于指定随机数生成器种子
union(otherDataset)	对源 RDD 和参数 RDD 求并集后返回一个新的 RDD
intersection(otherDataset)	对源 RDD 和参数 RDD 求交集后返回一个新的 RDD
distinct([numTasks]))	对源 RDD 进行去重后返回一个新的 RDD
groupByKey([numTasks])	在一个(K,V)的 RDD 上调用，返回一个(K, Iterator[V])的 RDD
reduceByKey(func, [numTasks])	在一个(K,V)的 RDD 上调用，返回一个(K,V)的 RDD，使用指定的 reduce 函数，将相同 key 的值聚合到一起，与 groupByKey 类似，reduce 任务的个数可以通过第二个可选的参数来设置
aggregateByKey(zeroValue)(seqOp, combOp, [numTasks])	对 PairRDD 中相同的 Key 值进行聚合操作，在聚合过程中同样使用了一个中立的初始值。和 aggregate 函数类似，aggregateByKey 返回值的类型不需要和 RDD 中 value 的类型一致
sortByKey([ascending], [numTasks])	在一个(K,V)的 RDD 上调用，K 必须实现 Ordered 接口，返回一个按照 key 进行排序的(K,V)的 RDD
sortBy(func,[ascending], [numTasks])	与 sortByKey 类似，但是更灵活
join(otherDataset, [numTasks])	在类型为(K,V)和(K,W)的 RDD 上调用，返回一个相同 key 对应的所有元素对在一起的(K,(V,W))的 RDD
cogroup(otherDataset, [numTasks])	在类型为(K,V)和(K,W)的 RDD 上调用，返回一个(K,(Iterable ,Iterable ))类型的 RDD
cartesian(otherDataset)	笛卡尔积
pipe(command, [envVars])	对 rdd 进行管道操作
coalesce(numPartitions)	减少 RDD 的分区数到指定值。在过滤大量数据之后，可以执行此操作
repartition(numPartitions)	重新给 RDD 分区

4) Action 动作算子

动作算子	含义
reduce(func)	通过 func 函数聚集 RDD 中的所有元素，这个功能必须是可交换且可并联的
collect()	在驱动程序中，以数组的形式返回数据集的所有元素
count()	返回 RDD 的元素个数
first()	返回 RDD 的第一个元素(类似于 take(1))
take(n)	返回一个由数据集的前 n 个元素组成的数组
takeSample(withReplacement,num, [seed])	返回一个数组，该数组由从数据集中随机采样的 num 个元素组成，可以选择是否用随机数替换不足的部分，seed 用于指定随机数生成器种子
takeOrdered(n, [ordering])	返回自然顺序或者自定义顺序的前 n 个元素
saveAsTextFile(path)	将数据集的元素以 textfile 的形式保存到 HDFS 文件系统或者其他支持的文件系统，对于每个元素，Spark 将会调用 toString 方法，将它装换为文件中的文本
saveAsSequenceFile(path)	将数据集中的元素以 Hadoop sequencefile 的格式保存到指定的目录下，可以使 HDFS 或者其他 Hadoop 支持的文件系统
saveAsObjectFile(path)	将数据集的元素，以 Java 序列化的方式保存到指定的目录下
countByKey()	针对(K,V)类型的 RDD，返回一个(K,Int)的 map，表示每一个 key 对应的元素个数
foreach(func)	在数据集的每一个元素上，运行函数 func 进行更新
foreachPartition(func)	在数据集的每一个分区上，运行函数 func

统计操作：

算子	含义
count	个数
mean	均值
sum	求和
max	最大值
min	最小值
variance	方差
sampleVariance	从采样中计算方差
stdev	标准差:衡量数据的离散程度
sampleStdev	采样的标准差
stats	查看统计结果

4) RDD 算子练习

• 需求：

给定一个键值对 RDD：

val rdd = sc.parallelize(Array(("spark",2),("hadoop",6),("hadoop",4),("spark",6)))

key 表示图书名称，value 表示某天图书销量

请计算每个键对应的平均值，也就是计算每种图书的每天平均销量。

最终结果:("spark",4),("hadoop",5)。

• 答案 1：

val rdd = sc.parallelize(Array(("spark",2),("hadoop",6),("hadoop",4),("spark",6)))
val rdd2 = rdd.groupByKey()
rdd2.collect
//Array[(String, Iterable[Int])] = Array((spark,CompactBuffer(2, 6)), (hadoop,CompactBuffer(6, 4)))
rdd2.mapValues(v=>v.sum/v.size).collect
Array[(String, Int)] = Array((spark,4), (hadoop,5))

• 答案 2：

val rdd = sc.parallelize(Array(("spark",2),("hadoop",6),("hadoop",4),("spark",6)))
val rdd2 = rdd.groupByKey()
rdd2.collect
//Array[(String, Iterable[Int])] = Array((spark,CompactBuffer(2, 6)), (hadoop,CompactBuffer(6, 4)))

val rdd3 = rdd2.map(t=>(t._1,t._2.sum /t._2.size))
rdd3.collect
//Array[(String, Int)] = Array((spark,4), (hadoop,5))

3. RDD 的持久化/缓存

在实际开发中某些 RDD 的计算或转换可能会比较耗费时间，如果这些 RDD 后续还会频繁的被使用到，那么可以将这些 RDD 进行持久化/缓存，这样下次再使用到的时候就不用再重新计算了，提高了程序运行的效率。

val rdd1 = sc.textFile("hdfs://node01:8020/words.txt")
val rdd2 = rdd1.flatMap(x=>x.split(" ")).map((_,1)).reduceByKey(_+_)
rdd2.cache //缓存/持久化
rdd2.sortBy(_._2,false).collect//触发action,会去读取HDFS的文件,rdd2会真正执行持久化
rdd2.sortBy(_._2,false).collect//触发action,会去读缓存中的数据,执行速度会比之前快,因为rdd2已经持久化到内存中了

持久化/缓存 API 详解

• ersist 方法和 cache 方法

RDD 通过 persist 或 cache 方法可以将前面的计算结果缓存，但是并不是这两个方法被调用时立即缓存，而是触发后面的 action 时，该 RDD 将会被缓存在计算节点的内存中，并供后面重用。
通过查看 RDD 的源码发现 cache 最终也是调用了 persist 无参方法(默认存储只存在内存中)：

RDD源码

• 存储级别

默认的存储级别都是仅在内存存储一份，Spark 的存储级别还有好多种，存储级别在 object StorageLevel 中定义的。

持久化级别	说明
MORY_ONLY(默认)	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
MORY_AND_DISK(开发中可以使用这个)	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
MEMORY_ONLY_SER (Java and Scala)	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
MEMORY_AND_DISK_SER (Java and Scala)	与 MEMORY_ONLY_SER 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
DISK_ONLY	将 RDD 分区存储在磁盘上
MEMORY_ONLY_2, MEMORY_AND_DISK_2 等	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
OFF_HEAP(实验中)	与 MEMORY_ONLY_SER 类似，但将数据存储在堆外内存中。(即不是直接存储在 JVM 内存中)

总结：

1. RDD 持久化/缓存的目的是为了提高后续操作的速度
2. 缓存的级别有很多，默认只存在内存中,开发中使用 memory_and_disk
3. 只有执行 action 操作的时候才会真正将 RDD 数据进行持久化/缓存
4. 实际开发中如果某一个 RDD 后续会被频繁的使用，可以将该 RDD 进行持久化/缓存

4. RDD 容错机制 Checkpoint

• 持久化的局限：

持久化/缓存可以把数据放在内存中，虽然是快速的，但是也是最不可靠的；也可以把数据放在磁盘上，也不是完全可靠的！例如磁盘会损坏等。

• 问题解决：

Checkpoint 的产生就是为了更加可靠的数据持久化，在 Checkpoint 的时候一般把数据放在在 HDFS 上，这就天然的借助了 HDFS 天生的高容错、高可靠来实现数据最大程度上的安全，实现了 RDD 的容错和高可用。

用法：

SparkContext.setCheckpointDir("目录") //HDFS的目录RDD.checkpoint

• 总结：

• 开发中如何保证数据的安全性性及读取效率：可以对频繁使用且重要的数据，先做缓存/持久化，再做 checkpint 操作。

• 持久化和 Checkpoint 的区别：

1. 位置：Persist 和 Cache 只能保存在本地的磁盘和内存中(或者堆外内存--实验中) Checkpoint 可以保存数据到 HDFS 这类可靠的存储上。

2. 生命周期：Cache 和 Persist 的 RDD 会在程序结束后会被清除或者手动调用 unpersist 方法 Checkpoint 的 RDD 在程序结束后依然存在，不会被删除。

6. DAG 的生成和划分 Stage

1) DAG 介绍

• DAG 是什么：

DAG(Directed Acyclic Graph 有向无环图)指的是数据转换执行的过程，有方向，无闭环(其实就是 RDD 执行的流程)；
原始的 RDD 通过一系列的转换操作就形成了 DAG 有向无环图，任务执行时，可以按照 DAG 的描述，执行真正的计算(数据被操作的一个过程)。

• DAG 的边界

开始:通过 SparkContext 创建的 RDD；
结束:触发 Action，一旦触发 Action 就形成了一个完整的 DAG。

2) DAG 划分 Stage

DAG划分Stage

一个 Spark 程序可以有多个 DAG(有几个 Action，就有几个 DAG，上图最后只有一个 Action（图中未表现）,那么就是一个 DAG)。

一个 DAG 可以有多个 Stage(根据宽依赖/shuffle 进行划分)。

同一个 Stage 可以有多个 Task 并行执行(task 数=分区数，如上图，Stage1 中有三个分区 P1、P2、P3，对应的也有三个 Task)。

可以看到这个 DAG 中只 reduceByKey 操作是一个宽依赖，Spark 内核会以此为边界将其前后划分成不同的 Stage。

同时我们可以注意到，在图中 Stage1 中，从 textFile 到 flatMap 到 map 都是窄依赖，这几步操作可以形成一个流水线操作，通过 flatMap 操作生成的 partition 可以不用等待整个 RDD 计算结束，而是继续进行 map 操作，这样大大提高了计算的效率。

• 为什么要划分 Stage? --并行计算

一个复杂的业务逻辑如果有 shuffle，那么就意味着前面阶段产生结果后，才能执行下一个阶段，即下一个阶段的计算要依赖上一个阶段的数据。那么我们按照 shuffle 进行划分(也就是按照宽依赖就行划分)，就可以将一个 DAG 划分成多个 Stage/阶段，在同一个 Stage 中，会有多个算子操作，可以形成一个 pipeline 流水线，流水线内的多个平行的分区可以并行执行。

• 如何划分 DAG 的 stage？

对于窄依赖，partition 的转换处理在 stage 中完成计算，不划分(将窄依赖尽量放在在同一个 stage 中，可以实现流水线计算)。

对于宽依赖，由于有 shuffle 的存在，只能在父 RDD 处理完成后，才能开始接下来的计算，也就是说需要要划分 stage。

总结：

Spark 会根据 shuffle/宽依赖使用回溯算法来对 DAG 进行 Stage 划分，从后往前，遇到宽依赖就断开，遇到窄依赖就把当前的 RDD 加入到当前的 stage/阶段中

具体的划分算法请参见 AMP 实验室发表的论文：《Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing》
http://xueshu.baidu.com/usercenter/paper/show?paperid=b33564e60f0a7e7a1889a9da10963461&site=xueshu_se

7. RDD 累加器和广播变量

在默认情况下，当 Spark 在集群的多个不同节点的多个任务上并行运行一个函数时，它会把函数中涉及到的每个变量，在每个任务上都生成一个副本。但是，有时候需要在多个任务之间共享变量，或者在任务(Task)和任务控制节点(Driver Program)之间共享变量。

为了满足这种需求，Spark 提供了两种类型的变量：

1. 累加器 accumulators：累加器支持在所有不同节点之间进行累加计算(比如计数或者求和)。

2. 广播变量 broadcast variables：广播变量用来把变量在所有节点的内存之间进行共享，在每个机器上缓存一个只读的变量，而不是为机器上的每个任务都生成一个副本。

1) 累加器

1. 不使用累加器

var counter = 0
val data = Seq(1, 2, 3)
data.foreach(x => counter += x)
println("Counter value: "+ counter)

运行结果：

Counter value: 6

如果我们将 data 转换成 RDD，再来重新计算：

var counter = 0
val data = Seq(1, 2, 3)
var rdd = sc.parallelize(data)
rdd.foreach(x => counter += x)
println("Counter value: "+ counter)

运行结果：

Counter value: 0

2. 使用累加器

通常在向 Spark 传递函数时，比如使用 map() 函数或者用 filter() 传条件时，可以使用驱动器程序中定义的变量，但是集群中运行的每个任务都会得到这些变量的一份新的副本，更新这些副本的值也不会影响驱动器中的对应变量。这时使用累加器就可以实现我们想要的效果:

val xx: Accumulator[Int] = sc.accumulator(0)

3. 代码示例：

import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.{Accumulator, SparkConf, SparkContext}

object AccumulatorTest {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf: SparkConf = new SparkConf().setAppName("wc").setMaster("local[*]")
    val sc: SparkContext = new SparkContext(conf)
    sc.setLogLevel("WARN")

    //使用scala集合完成累加
    var counter1: Int = 0;
    var data = Seq(1,2,3)
    data.foreach(x => counter1 += x )
    println(counter1)//6

    println("+++++++++++++++++++++++++")

    //使用RDD进行累加
    var counter2: Int = 0;
    val dataRDD: RDD[Int] = sc.parallelize(data) //分布式集合的[1,2,3]
    dataRDD.foreach(x => counter2 += x)
    println(counter2)//0
    //注意：上面的RDD操作运行结果是0
    //因为foreach中的函数是传递给Worker中的Executor执行,用到了counter2变量
    //而counter2变量在Driver端定义的,在传递给Executor的时候,各个Executor都有了一份counter2
    //最后各个Executor将各自个x加到自己的counter2上面了,和Driver端的counter2没有关系

    //那这个问题得解决啊!不能因为使用了Spark连累加都做不了了啊!
    //如果解决?---使用累加器
    val counter3: Accumulator[Int] = sc.accumulator(0)
    dataRDD.foreach(x => counter3 += x)
    println(counter3)//6
  }
}

2) 广播变量

1. 不使用广播变量

2. 使用广播变量

3. 代码示例：

关键词：sc.broadcast()

import org.apache.spark.broadcast.Broadcast
import org.apache.spark.rdd.RDD
import org.apache.spark.{SparkConf, SparkContext}

object BroadcastVariablesTest {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf: SparkConf = new SparkConf().setAppName("wc").setMaster("local[*]")
    val sc: SparkContext = new SparkContext(conf)
    sc.setLogLevel("WARN")

    //不使用广播变量
    val kvFruit: RDD[(Int, String)] = sc.parallelize(List((1,"apple"),(2,"orange"),(3,"banana"),(4,"grape")))
    val fruitMap: collection.Map[Int, String] =kvFruit.collectAsMap
    //scala.collection.Map[Int,String] = Map(2 -> orange, 4 -> grape, 1 -> apple, 3 -> banana)
    val fruitIds: RDD[Int] = sc.parallelize(List(2,4,1,3))
    //根据水果编号取水果名称
    val fruitNames: RDD[String] = fruitIds.map(x=>fruitMap(x))
    fruitNames.foreach(println)
    //注意:以上代码看似一点问题没有,但是考虑到数据量如果较大,且Task数较多,
    //那么会导致,被各个Task共用到的fruitMap会被多次传输
    //应该要减少fruitMap的传输,一台机器上一个,被该台机器中的Task共用即可
    //如何做到?---使用广播变量
    //注意:广播变量的值不能被修改,如需修改可以将数据存到外部数据源,如MySQL、Redis
    println("=====================")
    val BroadcastFruitMap: Broadcast[collection.Map[Int, String]] = sc.broadcast(fruitMap)
    val fruitNames2: RDD[String] = fruitIds.map(x=>BroadcastFruitMap.value(x))
    fruitNames2.foreach(println)

  }
}