[spark streaming] 架构和运行机制

灰太狼 2022-05-15 09:58 251阅读 0赞

**本期内容：**

**　　1. Spark Streaming架构**

**　　2. Spark Streaming运行机制**

**       3.解密Spark Streaming Job架构和运行机制**

**       4.解密Spark Streaming 容错架构和运行机制**

Spark[大数据][Link 1]分析框架的核心部件： spark Core、spark  Streaming流计算、GraphX图计算、MLlib机器学习、Spark SQL、Tachyon文件系统、SparkR计算引擎等主要部件.

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Spark Streaming 其实是构建在spark core之上的一个应用程序，要构建一个强大的Spark应用程序 ，spark  Streaming是一个值得借鉴的参考，spark  Streaming涉及多个job交叉配合，基本涉及到了spark的所有的核心组件，精通掌握spark streaming是至关重要的。

**Spark Streaming基础概念理解：**

1. **离散流**：(Discretized Stream ,DStream):这是spark streaming对内部的持续的实时数据流的抽象描述，也即我们处理的一个实时数据流，在spark streaming中对应一个DStream ；

2. **批数据**：将实时流时间以时间为单位进行分批，将数据处理转化为时间片数据的批处理；

3. **时间片或者批处理时间间隔：**逻辑级别的对数据进行定量的标准，以时间片作为拆分流数据的依据；

4. 窗口长度：一个窗口覆盖的流数据的时间长度。比如说要每隔5分钟统计过去30分钟的数据，窗口长度为6，因为30分钟是batch interval 的6倍；

5. **滑动时间间隔**：比如说要每隔5分钟统计过去30分钟的数据，窗口时间间隔为5分钟；

6. input DStream :一个inputDStream是一个特殊的DStream 将spark streaming连接到一个外部数据源来读取数据。

7. **Receiver** :长时间（可能7\*24小时）运行在Excutor之上，每个Receiver负责一个inuptDStream (比如读取一个kafka消息的输入流)。每个Receiver,加上inputDStream 会占用一个core/slot ；

Spark Core处理的每一步都是基于RDD的，RDD之间有依赖关系。下图中的RDD的DAG显示的是有3个Action，会触发3个job，RDD自下向上依赖，RDD产生job就会具体的执行。从DSteam Graph中可以看到，DStream的逻辑与RDD基本一致，它就是在RDD的基础上加上了时间的依赖。RDD的DAG又可以叫空间维度，也就是说整个Spark Streaming多了一个时间维度，也可以成为时空维度。

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从这个角度来讲，可以将Spark Streaming放在坐标系中。其中Y轴就是对RDD的操作，RDD的依赖关系构成了整个job的逻辑，而X轴就是时间。随着时间的流逝，固定的时间间隔（Batch Interval）就会生成一个job实例，进而在集群中运行。

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对于Spark Streaming来说，当不同的数据来源的数据流进来的时候，基于固定的时间间隔，会形成一系列固定不变的数据集或event集合（例如来自flume和kafka）。而这正好与RDD基于固定的数据集不谋而合，事实上，由DStream基于固定的时间间隔行程的RDD Graph正是基于某一个batch的数据集的。

从上图中可以看出，在每一个Batch上，空间维度的RDD依赖关系都是一样的，不同的是这个五个Batch流入的数据规模和内容不一样，所以说生成的是不同的RDD依赖关系的实例，所以说RDD的Graph脱胎于DStream的Graph，也就是说DStream就是RDD的模板，不同的时间间隔，生成不同的RDD Graph实例。

从源码解读DStream :

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从这里可以看出，DStream就是Spark Streaming的核心，就想Spark Core的核心是RDD，它也有dependency和compute。更为关键的是下面的代码：

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这是一个HashMap，以时间为key，以RDD为Value，这也正应证了随着时间流逝，不断的生成RDD，产生依赖关系的job，并通过JbScheduler在集群上运行。再次验证了DStream就是RDD的模版。

DStream可以说是逻辑级别的，RDD就是物理级别的，DStream所表达的最终都是通过RDD的转化实现的。前者是更高级别的抽象，后者是底层的实现。DStream实际上就是在时间维度上对RDD集合的封装，DStream与RDD的关系就是随着时间流逝不断的产生RDD，对DStream的操作就是在固定时间上操作RDD。

总结：

在空间维度上的业务逻辑作用于**DStream**，随着时间的流逝，每个Batch Interval形成了具体的数据集，产生了**RDD**，对RDD进行Transform操作，进而形成了RDD的依赖关系RDD DAG，形成Job。然后JobScheduler根据时间调度，基于RDD的依赖关系，把作业发布到Spark Cluster上去运行，不断的产生Spark作业。

# 一、**解密Spark Streaming Job架构和运行机制** #

**通过代码洞察Job的执行过程：**

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 </td> 
 <td> <code>object</code>&nbsp;<code>OnlineForeachRDD</code><code>2</code><code>DB { </code> <code>&nbsp;&nbsp;</code><code>def</code>&nbsp;<code>main(args</code><code>:</code>&nbsp;<code>Array[String]){ </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>/*</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>* 第1步：创建Spark的配置对象SparkConf，设置Spark程序的运行时的配置信息</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>*/</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>conf&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>new</code>&nbsp;<code>SparkConf()&nbsp;</code><code>//创建SparkConf对象</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>conf.setAppName(</code><code>"OnlineForeachRDD"</code><code>)&nbsp;</code><code>//设置应用程序的名称</code> <code>//&nbsp;&nbsp;&nbsp; conf.setMaster("spark://Master:7077") //此时，程序在Spark集群</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>conf.setMaster(</code><code>"local[6]"</code><code>）</code> <code>&nbsp;</code>&nbsp; <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>//设置batchDuration时间间隔来控制Job生成的频率并且创建Spark Streaming执行的入口</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>ssc&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>new</code>&nbsp;<code>StreamingContext(conf, Seconds(</code><code>5</code><code>))</code> <code>&nbsp;&nbsp;</code>&nbsp; <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>lines&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>ssc.socketTextStream(</code><code>"Master"</code><code>,&nbsp;</code><code>9999</code><code>)</code> <code>&nbsp;&nbsp;</code>&nbsp; <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>words&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>lines.flatMap(</code><code>_</code><code>.split(</code><code>" "</code><code>))</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>wordCounts&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>words.map(x&nbsp;</code><code>=</code><code>&gt; (x,&nbsp;</code><code>1</code><code>)).reduceByKey(</code><code>_</code>&nbsp;<code>+&nbsp;</code><code>_</code><code>)</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>wordCounts.foreachRDD { rdd&nbsp;</code><code>=</code><code>&gt;</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>rdd.foreachPartition { partitionOfRecords&nbsp;</code><code>=</code><code>&gt; { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>// ConnectionPool is a static, lazily initialized pool of connections</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>connection&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>ConnectionPool.getConnection()</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>partitionOfRecords.foreach(record&nbsp;</code><code>=</code><code>&gt; { </code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>sql&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>"insert into streaming_itemcount(item,count) values('"</code>&nbsp;<code>+ record.</code><code>_</code><code>1</code>&nbsp;<code>+&nbsp;</code><code>"',"</code>&nbsp;<code>+ record.</code><code>_</code><code>2</code>&nbsp;<code>+&nbsp;</code><code>")"</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>val</code>&nbsp;<code>stmt&nbsp;</code><code>=</code>&nbsp;<code>connection.createStatement();</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>stmt.executeUpdate(sql);</code> <code>&nbsp;&nbsp;</code>&nbsp; <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>})</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>ConnectionPool.returnConnection(connection)&nbsp;&nbsp;</code><code>// return to the pool for future reuse</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>ssc.start()</code> <code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>ssc.awaitTermination()</code> <code>&nbsp;&nbsp;</code><code>}</code> <code>}</code> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

通过观察Job在Spark集群上运行的Log和结合源代码分析出如下流程：

1.  创建SparkConf,设置Spark程序运行时的配置信息;
2.  创建StreamingContext，设置batchDuration时间间隔来控制Job生成的频率并且创建Spark Streaming执行的入口；
3.  在创建StreamingContext的过程中，会实例化JobScheduler和JobGenerator，调用StreamingContext的start方法时，在JobScheduler.start()内部实例化EventLoop，并执行EventLoop.start()进行消息循环，在JobScheduler的start方法内部会构造JobGenerator和ReveiverTracker,并分别调用它们的start方法；
4.  JobGenerator启动后会不断的根据batchDuration生成一个个的Job；
5.  ReceiverTracker启动后首先在Spark Cluster中启动Receiver，其实是在Executor中首先启动ReceiverSupervisor，Receiver收到数据后会通过ReceiverSupervisor存储到Executor并且把数据的Metadata信息发送给Driver中的ReceiverTracker，在ReceiverTracker内部会通过ReceivedBlockTracker来管理接受到的元数据信息(元数据：数据存储的位置、索引等)。
6.  时间不断的流动，job怎么产生的？每个BatchInterval会产生一个具体的Job，其实这里的Job不是Spark Core中所指的Job，它只是基于DStreamGraph而生成的RDD 的DAG而已，从Java角度讲，相当于Runnable接口实例，此时要想运行Job需要提交给JobScheduler，在JobScheduler中通过线程池的方式找到一个单独的线程来提交Job到集群运行（其实是在线程中基于RDD的Action触发真正的作业的运行）；

为什么使用线程池呢？

1.  作业不断生成，所以为了提升效率，我们需要线程池；这和在Executor中通过线程池执行Task有异曲同工之妙；
2.  有可能设置了Job的FAIR公平调度的方式，这个时候也需要多线程的支持；

# 二、**解密Spark Streaming 容错架构和运行机制** #

我们知道DStream与RDD的关系就是随着时间流逝不断的产生RDD，对DStream的操作就是在固定时间上操作RDD。所以从某种意义上而言，Spark Streaming的基于DStream的容错机制，实际上就是划分到每一次形成的RDD的容错机制，

这也是Spark Streaming的高明之处。

Spark Streaming的容错要考虑两个方面：

1.  Driver运行失败时的恢复
    
    使用Checkpoint，记录Driver运行时的状态，失败后可以读取Checkpoint并恢复Driver状态。
2.  具体的每次Job运行失败时的恢复
    
    要考虑到Receiver的失败恢复，也要考虑到RDD计算失败的恢复。Receiver可以采用写wal日志的方式。RDD的容错是spark core天生提供的，基于RDD的特性，它的容错机制主要就是两种：

01. 基于**checkpoint**；

在stage之间，是宽依赖，产生了shuffle操作，lineage链条过于复杂和冗长，这时候就需要做checkpoint。

02. 基于**lineage**（血统）的容错：

一般而言，spark选择血统容错，因为对于大规模的数据集，做检查点的成本很高。考虑到RDD的依赖关系，每个stage内部都是窄依赖，此时一般基于lineage容错，方便高效。

[Link 1]: http://www.thebigdata.cn/
[948437-20160503161530841-167128522.png]: /images/20220515/075754764cf9446c952db47ca6ebdb1d.png
[948437-20160503153415294-1829221977.png]: /images/20220515/004e67537d2542f987fe791f471e898d.png
[948437-20160503153544622-353722546.png]: /images/20220515/f5d952d2884a415ba08762a54117ee2b.png
[948437-20160503153903794-975518658.png]: /images/20220515/f01396f3eb4f4eb8aa30de20f02e0b7e.png
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