欢迎光临
学了Hadoop之后,如何快速理解Spark?
   

学了Hadoop之后,如何快速理解Spark?

概念初识

Apache Spark 是一个开源的分布式计算系统,由加州大学伯克利分校的AMPLab(现在的RISELab)最初开发,旨在提高大规模数据处理的速度和效率。Spark 是为了克服 Hadoop MapReduce 模型在某些数据处理任务上的局限性(如迭代算法和交互式数据挖掘任务)而设计的。Spark 提供了一个强大的编程模型和丰富的生态系统,支持多种数据分析和机器学习任务。

核心特性

  1. 速度:Spark 通过支持内存计算,减少了读写磁盘的需要,能够比 Hadoop MapReduce 更快地执行大多数数据处理任务。在内存数据处理方面,Spark 可以比 MapReduce 快上 100 倍;即使在磁盘数据处理方面,也能快上 10 倍。

  2. 易用性:Spark 支持使用 Scala、Java、Python 和 R 语言编写应用程序,提供了丰富的高级 API(如 DataFrames 和 Datasets),以及内置的 SQL 和机器学习库(Spark SQL、MLlib),使得数据处理任务的编程更加简单直观。

  3. 通用性:Spark 支持多种工作负载,包括批处理、交互式查询(Spark SQL)、实时流处理(Spark Streaming)、机器学习(MLlib)和图处理(GraphX)。这意味着开发者可以在一个框架内使用相同的API处理不同类型的数据处理任务。

  4. 容错性:Spark 通过其核心的抽象概念——弹性分布式数据集(RDD)来提供容错性。RDD 是一个只读的、分区记录集合,可以通过并行操作进行转换。如果任何分区的 RDD 数据丢失,Spark 可以自动重新计算丢失的数据。


Spark核心之一——弹性分布式数据集(RDD)

弹性分布式数据集(RDD)是 Apache Spark 的一个核心概念,它的设计目的是为了优化大规模数据处理的性能和提高容错能力。理解 RDD 的工作原理和意义,需要从几个关键方面进行考虑:数据的不可变性、分布式计算的需求、以及容错机制的实现。

RDD 的工作原理

  1. 创建与转换:RDD 可以通过读取外部存储系统中的数据文件(如 HDFS、S3 等)创建,也可以通过对现有 RDD 应用转换操作来创建。常见的转换操作包括 map、filter、join 等(可以将转换操作视为对数据的常见处理操作),这些操作会应用到 RDD 的每个元素上,生成一个新的 RDD。(这里留一个疑问,如果操作是每个元素,那么想要处理单个元素应该怎么办呢?)

  2. 惰性执行:RDD 的转换操作是惰性的,这意味着实际的计算不会立即执行。Spark 会记录下这些转换操作的逻辑,只有当触发动作操作(如 count、collect)时,Spark 才会根据这些逻辑,组织数据流图,开始真正的计算过程。

  3. 分区与并行:RDD 被分成多个分区,这些分区分布在不同的节点上。Spark 会并行地在这些节点上执行转换和动作操作,充分利用集群的计算资源。分区的设计也使得数据可以局部处理,减少了网络通信的开销。(这里留一个疑问,到底RDD的分区和节点是怎么结合的?)

为什么需要 RDD

  1. 不可变性:RDD 的不可变性意味着一旦创建,其数据就不能被修改。这个特性简化了并行计算的复杂性,因为数据不会因为多个节点上的操作而发生变化,从而避免了并发访问和修改数据时可能出现的问题。不可变性也为数据的版本控制和历史回溯提供了可能,因为每次转换操作都会生成一个新的 RDD。

  2. 分布式计算的需求:在大数据场景下,数据集往往非常庞大,单个计算机的计算能力和存储容量难以满足处理需求。RDD 被设计为可以分布在多个计算节点上进行并行处理的数据结构,充分利用集群的计算资源,提高数据处理的效率。

  3. 容错机制:在分布式计算中,节点故障是常见的问题。RDD 通过记录数据的转换历史(即 lineage,血统)来实现容错。当某个节点上的数据部分丢失时,Spark 可以利用这个转换历史重新计算丢失的数据,而不是重新执行整个数据流程,这大大提高了恢复的效率。(这里留一个疑问,转换历史在哪里记录?)

后续将进一步详细介绍这几个应用场景!现在看不懂不要紧!

RDD的分布式存储机制

  1. 如何分布:当一个 RDD 被创建时,它会被分割成多个分区,这些分区可以分布在集群的不同节点上进行处理。这种分布是基于数据的位置和集群的资源状况自动管理的。Spark 试图在数据所在的节点上进行计算,以最小化网络传输。

  2. 分区与节点的关系:分区的数量可以在创建 RDD 时指定,或者由 Spark 根据操作自动确定。每个节点可以处理多个分区,但一个分区只能被分配给一个节点处理。

  3. 备份与容错:RDD 本身不会被物理地复制或备份。相反,RDD 的容错机制是通过 lineage(血统信息)来实现的,即记录了从原始数据到当前 RDD 所经历的所有转换步骤。如果某个分区的数据丢失,Spark 可以利用这个 lineage 重新计算丢失的分区。

Lineage的存储和作用

RDD的容错机制是通过记录转换历史,即 lineage 或血统信息来实现的。这个信息不是存储在单个节点上,也不是存储在RDD本身的物理数据中,而是以分布式的方式存储在Spark的驱动程序中。Spark的架构包括一个驱动程序(driver program)和多个执行器(executors)。执行器在集群的节点上运行,负责数据处理和存储,而驱动程序负责任务的调度、任务状态的管理以及维护RDD的lineage信息。

  • 存储位置:Lineage信息被存储在Spark的驱动程序中,它维护了一个逻辑上的DAG(有向无环图),这个DAG记录了RDD之间的依赖关系以及每个RDD是如何通过转换操作从其他RDD或数据源生成的。
  • 丢失处理:如果某个RDD的部分分区数据丢失(例如,由于节点故障),Spark可以使用这个DAG中记录的lineage信息,重新执行这些转换操作来重建丢失的数据。因为lineage信息是存储在驱动程序中,即使是执行计算的节点发生故障,这个重建过程也是可行的。

容错性的实现

因此,RDD的容错机制并不依赖于数据的物理存储状态,而是依赖于能够从源头重建数据的能力。这种设计使得Spark不需要对数据进行物理复制来实现容错,从而减少了存储需求和复制数据带来的开销,同时保持了系统的高可用性和恢复能力。

通过将转换历史(lineage)记录在驱动程序的内存中,Spark即使在面临部分数据丢失的情况下,也能够通过重新执行记录在lineage中的操作来恢复数据,这是Spark高效容错机制的关键所在。

RDD的非核心数据和转换历史的存储形式——信息

RDD 的转换历史,或称为 lineage,实际上是一系列转换操作的逻辑记录,而不是物理存储的数据副本。这意味着 RDD 不直接存储数据的历史变化或非核心数据,而是记录了如何通过一系列转换从原始数据集生成当前 RDD 的信息。这个信息足以在发生节点故障时重建丢失的数据。

针对特定元素的计算

RDD 的转换操作通常是应用于所有元素的。但是,Spark 提供了强大的转换操作(如 filter, map 等),允许开发者编写自定义的逻辑来指定哪些元素参与计算,或者如何处理每个元素。

  • 使用 filter 转换可以根据条件选择数据。
  • 使用 map 转换可以对每个元素应用函数。
  • 针对更复杂的需求,可以使用 mapPartitions 对每个分区的所有元素批量操作,或者 groupBy, reduceByKey 等操作来进行更精细的数据聚合和处理。

这样,虽然 RDD 的每个操作理论上是应用到所有元素上的,但通过这些转换操作的组合和定制,可以实现对特定元素或数据集的精确计算。

RDD 的意义

  • 提高处理效率:通过并行计算和内存计算,RDD 可以显著提高大规模数据处理任务的执行速度。
  • 强化容错能力:RDD 的设计使得 Spark 的数据处理具有很高的容错性,能够应对节点故障等分布式计算环境中的常见问题。
  • 简化并行编程模型:RDD 抽象了底层的分布式存储和计算细节,提供了一个简单的编程模型,使得开发者可以更容易地编写并行处理代码,而不需要深入了解分布式系统的复杂性。

Spark核心之二——内存计算

Spark的内存计算是通过将数据保留在集群的内存中来加速数据处理任务,而不是每次操作都读写磁盘,这是与早期的大数据处理框架(如Hadoop MapReduce)相比的一个显著改进。MapReduce对于每个操作都会进行磁盘读写,这导致了大量的磁盘I/O,从而限制了处理速度。

  • 怎么实现的:Spark通过RDD来实现内存计算。当你在Spark中创建或者从现有的RDD进行转换操作生成新的RDD时,你可以选择将这些RDD持久化(或缓存)到内存中。这意味着,一旦RDD被计算并存储在内存中,之后的操作(例如,进一步的转换或动作)可以直接在这些数据上进行,大大减少了处理时间。
  • 优化和管理:Spark提供了多种持久化级别,允许开发者根据需要选择是否将数据仅存储在内存中、内存和磁盘中还是其他选项。此外,Spark自动管理内存中的数据,包括当内存不足时替换掉不常用的数据分区。

Apache Spark :Redis 和 MySQL类比

可以从某种角度将Apache Spark和Redis相对于传统数据库(如MySQL)的优势进行类比,尤其是在数据处理和存储速度方面。不过,它们服务于不同的用例和目标。

Redis 和 MySQL

  • Redis 是一个开源的内存数据结构存储系统,用作数据库、缓存和消息代理。它支持多种类型的数据结构,如字符串、哈希、列表、集合等。由于Redis将数据存储在内存中,访问速度非常快,非常适合需要高速读写、低延迟和大量并发的场景,例如缓存。
  • MySQL 是一个关系型数据库管理系统,使用SQL(结构化查询语言)作为其数据操作语言。MySQL将数据存储在磁盘上,优化了数据的持久化存储和复杂查询处理,非常适合需要持久化存储、事务管理和复杂查询的应用。

Redis通常用来补充传统数据库(如MySQL)的功能,通过作为缓存层来提高应用的性能和响应速度。比如,频繁访问但不常更新的数据可以缓存在Redis中,以减少对MySQL数据库的直接访问,从而加速数据读取速度和减轻数据库的负载。

Spark 和 传统大数据处理系统

  • Apache Spark 以其内存计算能力和灵活的数据处理框架(通过RDD和其他抽象)为特色,能够处理大规模数据集,并支持复杂的数据处理流程,包括批处理、流处理、机器学习等。Spark的内存计算能力使得数据处理速度比基于磁盘的数据处理系统(如Hadoop MapReduce)快很多。
  • 传统大数据处理系统(如Hadoop MapReduce)主要是将数据存储和处理在磁盘上,适合处理超大规模的数据集,但其处理速度受限于磁盘I/O,通常比基于内存的处理系统慢。

类似于Redis用作缓存来提高MySQL数据库的读写性能,Spark通过内存计算来加速大数据处理任务,相对于传统依赖磁盘的大数据处理方法,提供了更高效的数据处理能力。然而,Spark和Redis都不是直接替代原有系统(如Hadoop MapReduce、MySQL),而是提供了更高效处理数据的方式,或者作为现有系统的补充来提高性能和扩展能力。


对于更大数量的数据,选择MR还是Spark?

对于更大数量的数据,可能spark的内存也不适合处理了,这时候可以舍弃时间效率选择MR

对于极其庞大的数据集,特别是当数据量超过可用内存容量时,完全依赖于内存计算的框架如Spark可能会遇到资源限制,导致性能下降或者无法处理。在这种情况下,可以考虑使用如Hadoop MapReduce这样的磁盘基础的数据处理框架。

选择Hadoop MapReduce的理由

  1. 处理超大数据集: MapReduce设计用于处理那些无法完全装入内存的大型数据集。通过将计算任务分散到多个节点上并且主要在磁盘上操作数据,MapReduce可以有效地处理数PB级别的数据。

  2. 成本效益: 对于某些长时间运行的批处理作业,成本可能比性能更重要。使用基于磁盘的处理系统在拥有大量低成本硬盘资源的环境中可能更经济。(成本是第一要素,性能是建立在成本之上的考虑因素)

  3. 容错性: MapReduce提供了很强的容错性,它通过自动重试失败的任务和存储中间数据状态来保证处理的可靠性,这在处理极大规模数据时尤其重要。

  4. 资源限制: 当可用的内存资源受限,或者预算限制不允许大规模扩展内存资源时,基于磁盘的处理方式成为必要。

结合使用Spark和MapReduce

在实际应用中,可以根据任务的特性和资源的可用性,灵活选择或结合使用Spark和MapReduce。例如,对于需要快速迭代或实时分析的任务,可以优先选择Spark。而对于数据量极大、对时间敏感度较低的批量处理任务,则可以考虑MapReduce。

此外,一些组织会根据具体场景和数据处理需求,将Spark和MapReduce结合起来使用,以此来平衡处理速度和成本效率。例如,使用Spark进行数据的初步处理和分析,然后对于一些特别大的数据集或是不太频繁执行的任务,使用MapReduce来完成。这种混合使用的策略可以最大化资源的效率,同时满足不同的业务需求。

为什么Spark不能完全替代MapReduce?

  1. 生态系统和工具链兼容性:Hadoop生态系统提供了一套成熟的工具和组件,包括但不限于HDFS、Hive、HBase等,这些工具已经深入人心并广泛使用于生产环境中。Spark虽然可以与这些系统集成,但在某些特定的用例或工具链集成方面,MapReduce可能仍然是首选。

  2. 成本和资源考虑:Spark的性能优势部分来自于其对内存的依赖。在资源受限或成本敏感的环境中,尤其是当数据集非常大以至于不能完全放入内存时,MapReduce可能由于其对磁盘I/O的依赖而成为一个更经济有效的选择。

  3. 特定场景下的优化:MapReduce可能在某些特定场景下经过优化以提供更好的性能,特别是在那些数据一次读取、顺序处理的批处理作业中。对于这些作业,MapReduce的简单性可能使其更容易优化和维护。

  4. 技术债务和迁移挑战:对于已经在使用Hadoop生态系统的组织来说,迁移到Spark可能需要重大的架构改变和迁移工作,这可能涉及到显著的技术债务和学习曲线。尽管Spark提供了更高的性能和灵活性,但这种迁移可能需要时间和资源的投入。

在选择数据处理框架时,重要的是考虑具体的需求、数据特性、成本和资源限制,以及现有的技术栈和技术债务。对于新项目或那些需要快速迭代和处理大规模数据集的场景,Spark往往是一个更优的选择。然而,对于已经深度依赖于Hadoop生态系统的环境,MapReduce可能仍然是一个重要的组成部分。


进一步理解为什么Spark不能同时兼顾内存和磁盘(为什么在Spark磁盘性能高于MR的情况下仍然不能完全替代MR)

有个简单的问题:数据集不能完全放入内存中时,Spark也可以放在磁盘中呀,性能也是MR的十倍呀,这样的话,性能两方面都这么好的Spark为什么不能代替MR呢?

Spark确实可以将数据存储在磁盘上,而且其对磁盘的操作性能也比MapReduce要好,这得益于Spark的高效执行策略和优化的数据序列化方式。

然而,对于非常大的数据集,尤其是当数据集大小超过可用内存时,Spark仍然需要回退到磁盘存储。虽然Spark的磁盘操作性能优于MapReduce,但是当数据频繁从磁盘读写时,性能优势相对于纯内存操作会减少。这是因为磁盘I/O操作相比于内存操作有更高的延迟和更低的吞吐量。

为什么MapReduce在数据集不能完全放入内存时可能更经济有效?

  1. 设计哲学:MapReduce是为了高效处理大量数据而设计的,特别是在磁盘I/O方面进行了优化。它通过将计算分散到数据所在的位置,减少数据传输,优化了读写效率。

  2. 资源消耗:在处理巨大的数据集时,尤其是当这些数据不能完全放入内存中,Spark可能需要频繁地在内存和磁盘之间移动数据,这可能会导致较高的资源消耗和较长的处理时间。而MapReduce虽然慢,但其对资源的使用可能更加稳定和可预测,对于资源受限的环境可能更为适合。

  3. 成本因素:考虑到内存资源通常比磁盘资源更昂贵,对于那些数据集巨大到需要频繁磁盘I/O的任务,使用MapReduce可能从成本效益角度来看更合理。特别是在云计算环境中,资源的使用是成本的主要驱动因素,所以为降低成本,MR目前还未被淘汰。

总之,虽然Spark在处理需要频繁磁盘访问的任务时性能优于MapReduce,但是在资源受限或成本敏感的情况下,特别是对于超大数据集,MapReduce可能因其稳定性和成本效益而成为一个更合适的选择。选择哪种技术取决于具体的应用场景、数据特性、以及成本和资源的考量。


作者个人理解——分布式计算框架的”缓存层“

可以把Spark视为一种分布式计算框架的“缓存层”,它通过利用内存来加速数据处理,提供比传统基于磁盘的数据处理框架(如Hadoop MapReduce)更快的处理速度。Spark的设计目标是优化大数据的批处理和实时处理任务,通过将数据加载到内存中来减少对磁盘I/O的依赖,从而显著提升计算效率。


生态系统和扩展

Spark 的生态系统包括:

  • Spark SQL:用于处理结构化数据,可以使用 SQL 查询或 DataFrame API 进行数据查询和处理。
  • Spark Streaming:用于处理实时数据流。
  • MLlib:内置的机器学习库。
  • GraphX:用于图形数据处理的库。

Spark 通过其灵活的数据处理能力、支持多种编程语言的接口、丰富的生态系统和优越的性能,已经成为大数据处理领域的一个重要工具。


作者拓展——计算框架和存储系统的数据备份处理

作者发现:MR是通过自动重试失败的任务和存储中间数据状态来保证处理的可靠性,而Spark是通过Lineage血统信息记录RDD创建转换的信息来恢复,二者都属于计算框架。而HDFS这种存储系统,好像都是直接备份物理数据,这背后的逻辑是什么呢?

在大数据生态系统中,计算框架和存储系统是为了满足不同需求而设计的,它们在数据备份和容错方面采用了不同的策略:

计算框架(如Spark, Hadoop MapReduce)

  • 计算框架主要关注于数据处理和计算任务的执行。对于数据的备份和持久性保证,计算框架通常不直接负责数据备份。相反,它们依赖于底层的存储系统来确保数据的持久性和可靠性。
  • 计算框架使用类似于日志的机制(如Spark的RDD Lineage)来提供容错能力。这种机制允许系统在发生故障时重新计算丢失的数据,而不是依赖于数据的物理备份。

存储系统(如HDFS, Google Cloud Storage)

  • 存储系统设计用来持久保存数据,提供数据的冗余存储和备份功能,以保护数据不受硬件故障等问题的影响。例如,HDFS通过跨多个节点复制每个数据块来实现数据备份,确保即使部分节点失败,数据也能从其他节点的副本中恢复。
  • 分布式文件系统和对象存储系统通常内置了数据备份和复制机制,以提高系统的可靠性和数据的耐久性。

结合使用计算框架和存储系统

在大数据架构中,计算框架和存储系统通常是结合使用的。例如,Hadoop生态系统中的Hadoop MapReduce或Apache Spark用于处理和分析数据,而HDFS用于数据存储。这样,即使计算框架主要关注计算和处理,通过依赖于底层的稳健存储系统,整个系统依然能提供数据的高可用性和持久性。

打赏
版权声明:本文采用知识共享 署名4.0国际许可协议 [BY-NC-SA] 进行授权
文章名称:《学了Hadoop之后,如何快速理解Spark?》
文章链接:https://goodmancom.com/wl/175837.html