数据倾斜的原理及解决方案

╰+攻爆jí腚メ 2022-09-16 04:59 192阅读 0赞

导读

相信很多接触MapReduce的朋友对'数据倾斜'这四个字并不陌生,那么究竟什么是数据倾斜?又该怎样解决这种该死的情况呢?

何为数据倾斜?

在弄清什么是数据倾斜之前,我想让大家看看数据分布的概念:

正常的数据分布理论上都是倾斜的，就是我们所说的20-80原理：80%的财富集中在20%的人手中, 80%的用户只使用20%的功能 , 20%的用户贡献了80%的访问量 , 不同的数据字段可能的数据倾斜一般有两种情况:

一种是唯一值非常少，极少数值有非常多的记录值(唯一值少于几千)

一种是唯一值比较多，这个字段的某些值有远远多于其他值的记录数，但是它的占比也小于百分之一或千分之一

数据倾斜:

数据倾斜在MapReduce编程模型中十分常见,用最通俗易懂的话来说,数据倾斜无非就是大量的相同key被partition分配到一个分区里,造成了'一个人累死,其他人闲死'的情况,这种情况是我们不能接受的,这也违背了并行计算的初衷,首先一个节点要承受着巨大的压力,而其他节点计算完毕后要一直等待这个忙碌的节点,也拖累了整体的计算时间,可以说效率是十分低下的。

数据倾斜发生时的现象：

1、绝大多数task执行得都非常快，但个别task执行的极慢。   
2、原本能正常执行的Spark作业，某天突然爆出OOM（内存溢出）异常。观察异常栈，是我们写的业务代码造成的

数据倾斜发生的原理 :

在进行shuffle的时候，必须将各个节点上相同的Key拉取到某个节点上的一个task来进行处理，比如按照key进行聚合或者join操作。如果某个key对应的数据量特别大的话，会发生数据倾斜。比如大部分key对应的10条数据，但个别key却对应了100万条数据，那么大部分task会只分配到10条数据，而个别task可能会分配了100万数据。整个spark作业的运行进度是由运行时间最长的那个task决定的。   
因此出现数据倾斜的时候，spark作业看起来会运行得非常缓慢，甚至可能因为某个task处理的数据量过大导致OOM。

解决方案  
1、增加jvm内存,这适用于第一种情况(唯一值非常少，极少数值有非常多的记录值(唯一值少于几千)),这种情况下,往往只能通过硬件的手段来进行调优,增加jvm内存可以显著的提高运行效率。

2、增加reduce的个数,这适用于第二种情况(唯一值比较多，这个字段的某些值有远远多于其他值的记录数，但是它的占比也小于百分之一或千分之一),我们知道,这种情况下,最容易造成的结果就是大量相同key被partition到一个分区,从而一个reduce执行了大量的工作,而如果我们增加了reduce的个数,这种情况相对来说会减轻很多,毕竟计算的节点多了,就算工作量还是不均匀的,那也要小很多。

3、自定义分区,这需要用户自己继承partition类,指定分区策略,这种方式效果比较显著。

4、重新设计key,有一种方案是在map阶段时给key加上一个随机数,有了随机数的key就不会被大量的分配到同一节点(小几率),待到reduce后再把随机数去掉即可。

5、使用combinner合并,combinner是在map阶段,reduce之前的一个中间阶段,在这个阶段可以选择性的把大量的相同key数据先进行一个合并,可以看做是local reduce,然后再交给reduce来处理,这样做的好处很多,即减轻了map端向reduce端发送的数据量(减轻了网络带宽),也减轻了map端和reduce端中间的shuffle阶段的数据拉取数量(本地化磁盘IO速率),推荐使用这种方法。

如何定位发生数据倾斜的代码

1、数据倾斜只会发生在shuffle中，下面是常用的可能会触发shuffle操作的算子：distinct、groupByKey、reduceByKey、aggregateByKey、join、cogroup、repartition等。出现数据倾斜时，可能就是代码中使用了这些算子的原因

2、通过观察spark UI的节目定位数据倾斜发生在第几个stage中，如果是用yarn-client模式提交，那么本地是可以直接看到log的，可以在log中找到当前运行到了第几个stage;如果用yarn-cluster模式提交，可以通过Spark Web UI 来查看当前运行到了第几个stage。此外，无论是使用了yarn-client模式还是yarn-cluster模式，我们都可以在Spark Web UI 上深入看一下当前这个stage各个task分配的数据量，从而进一步确定是不是task分配的数据不均匀导致了数据倾斜。

3、根据之前学的stage的划分算法定位到极有可能发生数据倾斜的代码

这是没有发生倾斜的例子，若41ms为1h即表示发生倾斜。   
也可查看属于第几个stage。

查看导致数据倾斜的key的分布情况

1. 如果是Spark SQL中的group by、join语句导致的数据倾斜，那么就查询一下SQL中使用的表的key分布情况。   
2. 如果是对Spark RDD执行shuffle算子导致的数据倾斜，那么可以在Spark作业中加入查看key分布的代码，比如RDD.countByKey()。然后对统计出来的各个key出现的次数，collect/take到客户端打印一下，就可以看到key的分布情况。

数据倾斜详细解决方案  
一、使用Hive ETL(提取、转换和加载) 预处理数据

方案使用场景：   
导致数据倾斜的是Hive表。如果该Hive表中的数据本身很不均匀，而且业务场景需要频繁的使用Spark对Hive表执行某个分析操作，那么比较适合使用这种技术方案。   
思路：  
此时可以评估，是否可以通过Hive来进行数据预处理。即通过Hive ETL 预先对数据按照Key进行聚合，或者是预先和其他表进行join，然后再Spark作业中针对的数据源就是预处理后的Hive表。此时由于数据已经预先进行过聚合或者join操作了，那么在Spark作业中也就不需要使用原先的shuffle类算子执行这类操作了。   
原理：  
从根源上解决了数据倾斜，因为彻底避免了在Spark中执行shuffle类算子。   
但是因为毕竟数据本身就存在分布不均匀的问题，所以在Hive ETL中进行groubBy或者join等shuffle操作时，还是会发生数据倾斜，导致Hive ETL速度很慢。只是避免了Spark程序发生数据倾斜。   
经验：  
在一些Java系统与Spark结合使用的项目中，会出现Java代码频繁调用Spark作业的场景，而且对Spark作业的执行性能要求很高，就比较适合使用这种方案。将数据倾斜提前到上游的Hive ETL，每天仅执行一次，只有那一次是比较慢的，而之后每次Java调用Spark作业时，执行速度都会很快，能够提供更好的用户体验。

二、过滤少数导致倾斜的key

方案使用场景：  
若发现导致倾斜的key就少数几个，并且对计算本身的影响并不大。比如99%的key对应10条数据，但只有一个key对应100万数据。   
思路：  
若判断少数几个数据量特别多的key对作业的执行和计算结果不是那么特别重要，可以直接过滤掉那几个key。如在Spark SQL中就可以使用where子句过滤掉这些key,或者在Spark Core 中对RDD执行filter算子过滤掉这些key。如果需要每次作业执行时，动态判定哪些key的数据量最多然后过滤，可以使用sample算子对RDD进行采样，然后计算每个key的数量，取数据量最多的key过滤即可。   
缺点：  
适用场景不多，大多数情况下，导致倾斜的key还是很多的，并不是只有少数几个。

三、提高shuffle操作的并行度

方案使用场景：  
若我们必须要面对数据倾斜问题，要这么使用。   
思路：  
在对RDD执行shuffle算子时，给shuffle算子传入一个参数，如reduceByKey（1000），该参数设置了这个shuffle算子执行时shuffle read task 的数量。对于Spark SQL中的shuffle类语句，如 groupBy 、join 等需要设置一个参数，即spark.sql.shuffle.partitions。该参数代表了shuffle read task 的并行度，默认值是200。   
原理：  
增加shuffle read task 的数量，可以让原本分配给一个task的多个key分配给多个task，从而让每个task处理比原来更少的数据。举例来说，如果原本有5个key，每个key对应10条数据，这5个key都是分配给一个task的，那么这个task就要处理50条数据。而增加了shuffle read task以后，每个task就分配到一个key，即每个task就处理10条数据，那么自然每个task的执行时间都会变短了。

实现起来比较简单，可以有效缓解和减轻数据倾斜的影响。   
只是缓解了数据倾斜而已，没有彻底根除问题，根据实践经验来看，其效果有限。

四、两阶段聚合（局部聚合+全局聚合）

方案使用场景：  
对RDD执行reduceByKey等聚合类shuffle算子或者在Spark SQL中使用group by语句进行分组聚合时，比较适用这种方案。   
思路：   
这个方案的核心实现思路就是进行两阶段聚合。第一次是局部聚合，先给每个key都打上一个随机数，比如10以内的随机数，此时原先一样的key就变成不一样的了，比如(hello, 1) (hello, 1) (hello, 1) (hello, 1)，就会变成(1\_hello, 1) (1\_hello, 1) (2\_hello, 1) (2\_hello, 1)。接着对打上随机数后的数据，执行reduceByKey等聚合操作，进行局部聚合，那么局部聚合结果，就会变成了(1\_hello, 2) (2\_hello, 2)。然后将各个key的前缀给去掉，就会变成(hello,2)(hello,2)，再次进行全局聚合操作，就可以得到最终结果了，比如(hello, 4)。

import java.util.Arrays;  
import java.util.List;  
import java.util.Random;  
   
import org.apache.spark.SparkConf;  
import org.apache.spark.api.java.JavaPairRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaSparkContext;  
import org.apache.spark.api.java.function.FlatMapFunction;  
import org.apache.spark.api.java.function.Function2;  
import org.apache.spark.api.java.function.PairFunction;  
import org.apache.spark.api.java.function.VoidFunction;  
   
import scala.Tuple2;  
   
public class AggWordCount11 \{  
    public static void main(String\[\] args) \{  
        SparkConf conf = new SparkConf();  
        conf.setMaster("local");  
        conf.setAppName("AggWordCount11");  
        JavaSparkContext sc = new JavaSparkContext(conf);  
        List<String> list = Arrays.asList("you  jump","i    jump","you  jump","jump jump","jump jump","jump jump");  
        JavaRDD<String> listRDD = sc.parallelize(list);  
        JavaRDD<String> flatMap = listRDD.flatMap(new FlatMapFunction<String, String>() \{  
   
            public Iterable<String> call(String t) throws Exception \{  
                // TODO Auto-generated method stub  
                return Arrays.asList(t.split("\\t"));  
            \}  
   
        \});  
        JavaPairRDD<String, Integer> wordRDD = flatMap.mapToPair(new PairFunction<String, String, Integer>() \{  
   
            public Tuple2<String, Integer> call(String t) throws Exception \{  
   
                return new Tuple2<String, Integer>(t,1);  
            \}  
        \});  
        /\*\*  
         \* 给rdd中的每一个key的前缀都打上随机数  
         \*/  
        JavaPairRDD<String, Integer> prefixRDD = wordRDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String,Integer>, String, Integer>() \{  
   
            public Tuple2<String, Integer> call(Tuple2<String, Integer> t)  
                    throws Exception \{  
               Random random = new Random();  
               int prefix = random.nextInt(4);  
                return  new Tuple2<String, Integer>(prefix+"\_"+t.\_1,t.\_2);  
            \}  
   
        \});  
        /\*\*  
         \* 进行局部聚合  
         \*/  
        JavaPairRDD<String, Integer> aggRDD = prefixRDD.reduceByKey(new Function2<Integer, Integer, Integer>() \{  
   
            public Integer call(Integer v1, Integer v2) throws Exception \{  
                // TODO Auto-generated method stub  
                return v1+v2;  
            \}  
        \});  
        /\*\*  
         \* 去除rdd中每个key的前缀  
         \*/  
        JavaPairRDD<String, Integer> removePrefixRDD = aggRDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String,Integer>,String, Integer>() \{  
   
            public Tuple2<String, Integer> call(Tuple2<String, Integer> t)  
                    throws Exception \{  
                String key = t.\_1.split("\_")\[1\];  
                return new Tuple2<String, Integer>(key,t.\_2);  
            \}  
        \});  
        /\*\*  
         \* 进行全局聚合  
         \*/  
   
        removePrefixRDD.reduceByKey(new Function2<Integer, Integer, Integer>() \{  
   
            public Integer call(Integer v1, Integer v2) throws Exception \{  
                // TODO Auto-generated method stub  
                return v1+v2;  
            \}  
   
        \}).foreach(new VoidFunction<Tuple2<String,Integer>>() \{  
   
            public void call(Tuple2<String, Integer> t) throws Exception \{  
            System.out.println(t.\_1 + "    => "+t.\_2);  
   
            \}  
        \});  
   
    \}  
   
\}  
import org.apache.spark.SparkConf  
import org.apache.spark.SparkContext  
   
object AggWordCount \{  
  def main(args: Array\[String\]): Unit = \{  
     val conf=new SparkConf().setMaster("local").setAppName("AggWordCount")  
     val sc=new SparkContext(conf);  
     val list=Array("you    jump","jump jump","jump jump","jump jump","jump jump","jump jump","jump jump","jump jump")  
     val listRDD=sc.parallelize(list, 1);  
     listRDD.flatMap \{ line => line.split("\\t") \}  
     .map \{ word => (word,1) \}  
     .map(word =>\{  
      val prefix= (new util.Random).nextInt(4)  
      (prefix+"\_"+word.\_1,word.\_2)  
     \})  
     .reduceByKey(\_+\_)  
     .map(word =>\{  
       val key=word.\_1.split("\_")(1)  
       (key,word.\_2)  
     \})  
     .reduceByKey(\_+\_)  
     .foreach(result => println(result.\_1 + "  : "+result.\_2))  
  \}  
\}  
方案优点：   
对于聚合类的shuffle操作导致的数据倾斜，效果是非常不错的。通常都可以解决掉数据倾斜，或者至少是大幅度缓解数据倾斜，将Spark作业的性能提升数倍以上。   
方案缺点：   
仅仅适用于聚合类的shuffle操作，适用范围相对较窄。如果是join类的shuffle操作，还得用其他的解决方案。

五、将reduce join 转为map join

方案使用场景：  
在对RDD使用join类操作，或者是在Spark SQL中使用join语句时，而且join操作中的一个RDD或表的数据量比较小（几百M或者一两G）。   
实现思路：  
不使用join算子进行连接操作，而使用Broadcast变量与map类算子实现join操作，进而完全规避掉shuffle类操作，彻底避免数据倾斜的发生和出现。将较小RDD中的数据直接通过collect算子拉取到Driver端的内存中来，然后对其创建一个Broadcast变量；接着对另外RDD执行map类算子，在算子函数内，从Broadcast变量中获取较小RDD 的全量数据，与当前RDD的每一条数据按照连接key进行比对，如果连接key相同的话，那么就将两个RDD的数据用你需要的方式连接起来。   
实现原理：   
普通的join是会走shuffle过程的，而一旦shuffle，就相当于会将相同key的数据拉取到一个shuffle read task中再进行join，此时就是reduce join。但是如果一个RDD是比较小的，则可以采用广播小RDD全量数据+map算子来实现与join同样的效果，也就是mao join ，而此时不会发生shuffle操作，也就不会发生数据倾斜。   
方案优点：   
对join操作导致的数据倾斜，效果非常好，因为根本就不会发生shuffle，也就根本不会发生数据倾斜。   
方案缺点：   
适用场景较少，因为这个方案只适用于一个大表和一个小表的情况。毕竟我们需要将小表进行广播，此时会比较消耗内存资源，driver和每个Executor内存中都会驻留一份小RDD的全量数据。如果我们广播出去的RDD数据比较大，比如10G以上，那么就可能发生内存溢出了。因此并不适合两个都是大表的情况。

package org.xtwy.sparkcore;  
   
import java.util.Arrays;  
import java.util.HashMap;  
import java.util.List;  
import java.util.Map;  
   
import org.apache.spark.SparkConf;  
import org.apache.spark.api.java.JavaPairRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaSparkContext;  
import org.apache.spark.api.java.function.PairFunction;  
import org.apache.spark.api.java.function.VoidFunction;  
import org.apache.spark.broadcast.Broadcast;  
   
import scala.Tuple2;  
   
public class MapjoinTest \{  
    public static void main(String\[\] args) \{  
        SparkConf conf = new SparkConf();  
        conf.setMaster("local");  
        conf.setAppName("MapjoinTest");  
        JavaSparkContext sc = new JavaSparkContext(conf);  
        List<Tuple2<String, String>> list1 = Arrays.asList(  
                new Tuple2<String, String>("001", "令狐冲"),  
                new Tuple2<String, String>("002", "任盈盈")  
                );  
        List<Tuple2<String, String>> list2 = Arrays.asList(  
                new Tuple2<String, String>("001", "一班"),  
                new Tuple2<String, String>("002", "二班")  
                );  
        JavaRDD<Tuple2<String, String>> list1RDD = sc.parallelize(list1);  
        JavaRDD<Tuple2<String, String>> list2RDD = sc.parallelize(list2);  
        //假设list1RDD数据量较小,一定防止内存溢出  
        List<Tuple2<String, String>> rdd1data = list1RDD.collect();  
        final Broadcast<List<Tuple2<String, String>>> rdd1broadcast = sc.broadcast(rdd1data);  
        //返回值（，（））  
        JavaPairRDD<String, Tuple2<String, String>> resultRDD = list2RDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String,String>, String, Tuple2<String, String>>() \{  
   
            public Tuple2<String, Tuple2<String, String>> call(Tuple2<String, String> arg0) throws Exception \{  
                List<Tuple2<String, String>> rdd1data = rdd1broadcast.value();  
                //ctrl shift o 导入包  
                Map<String,String> rdd1dataMap = new HashMap<String,String>();  
                /\*\*  
                 \* 将RDD１内数据放入Map结构中  
                 \*/  
                for(Tuple2<String, String> data:rdd1data)\{  
                    rdd1dataMap.put(data.\_1, data.\_2);  
                \}  
                String key=arg0.\_1;  
                String value=arg0.\_2;  
                String rdd1value = rdd1dataMap.get(key);  
                return new Tuple2<String, Tuple2<String, String>>(key,new Tuple2<String, String>(value,rdd1value));  
            \}  
        \});  
        resultRDD.foreach(new VoidFunction<Tuple2<String,Tuple2<String,String>>>() \{  
   
            public void call(Tuple2<String, Tuple2<String, String>> arg0) throws Exception \{  
                System.out.println(arg0.\_1+" "+arg0.\_2.\_1 + "姓名 " + arg0.\_2.\_2);  
   
            \}  
        \});  
   
    \}  
\}  
六、采样倾斜key并分拆join操作

方案使用场景:  
两个RDD/Hive表进行join的时候，如果数据量都比较大，无法采用上第五点解决方案，那么此时可以看一下两个RDD/Hive表中key的分布情况，若出现数据倾斜，是因为其中某一个RDD/Hive表中的少数几个key的数据量过大，而另一个中的所有key都分布比较均匀，那么采用这个解决方案是比较合适的。   
实现思路:  
对包含少数几个数据量过大的key的那个RDD，通过sample算子采样出一份样本来，然后统计一下每个key的数据量，计算出数据量最大的是哪几个key。   
然后将这几个key对应数据从原来的RDD中拆分出来，形成一个单独的RDD，并给每个key打上n以内的随机数作为前缀，而不会导致倾斜的大部分key形成另外一个RDD。

接着将需要join的另一个RDD，也就是过滤出来的那几个倾斜key对应的数据并形成一个单独的RDD，将每条数据膨胀成n条数据，这n条数据都按顺序附加一个0~n的前缀，不会导致倾斜的大部分key也形成另外一个RDD   
（此时一共生存了四个RDD：两个key有倾斜的RDD，两个正常RDD）   
再将附加了随机前缀的独立RDD与另一个膨胀n倍的独立RDD进行join，此时就可以将原先相同的key打散成n份，分散到多个task中去进行join。   
而另外两普通的RDD就照常join即可。   
最后将两次join的结果使用union算子合并起来即可。

原理：   
对于join导致的数据倾斜，如果只是某几个key导致了倾斜，可以将少数几个key拆分为独立RDD，并附加随机前缀打散成n份去进行join，此时这几个key对于的数据就不会集中在少数几个task上，而是分散到多个task进行join。   
优点:  
对于join导致的数据倾斜，如果只是某几个key导致了倾斜，此方法可以用最有效的方式打散key进行join，且只需要针对少数倾斜的key对应的数据进行扩容n倍，不需要对全量数据进行扩容，避免占用过多内存。   
缺点:   
若key特别多，则不合适。

七、使用随机前缀和扩容RDD进行join

方案使用场景:  
若在进行join操作时，RDD中有大量的key导致数据倾斜的时候。   
思路:  
首先查看RDD／Hive表中的数据分布情况，找到造成数据倾斜的RDD/Hive表，比如有多个key都对应了炒股哦万条数据。   
然后将该RDD 的每条数据都打上一个n以内的随即前缀。   
同时对另外一个正常的RDD进行扩容，将每条数据都扩容成n条数据，扩容出来的每条数据都依次打上一个0~n的前缀   
最后将两个处理后的RDD进行join即可。   
原理:   
将原先一样的key通过附加前缀变成不一样的key，然后就看可以将这些处理后的“不同的key”分散到多个task中那个去处理，而不是让一个task去处理大量相同的key。此方法与方法六的区别在于，有大量倾斜key的情况，没法将部分key拆分出来单独处理，因此只能对整个RDD 进行数据扩容，对资源要求很高。   
缺点:  
更多的是缓解数据倾斜，而不是彻底避免，而且需要对整个RDD进行扩容，对内存资源要求较高。

import java.util.ArrayList;  
import java.util.Arrays;  
import java.util.List;  
import java.util.Random;  
   
import org.apache.spark.SparkConf;  
import org.apache.spark.api.java.JavaPairRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaRDD;  
import org.apache.spark.api.java.JavaSparkContext;  
import org.apache.spark.api.java.function.PairFlatMapFunction;  
import org.apache.spark.api.java.function.PairFunction;  
import org.apache.spark.api.java.function.VoidFunction;  
   
import scala.Tuple2;  
   
public class ExtendRDDTest \{  
    public static void main(String\[\] args) \{  
        SparkConf conf = new SparkConf();  
        conf.setMaster("local");  
        conf.setAppName("ExtendRDDTest");  
        JavaSparkContext sc = new JavaSparkContext(conf);  
        List<Tuple2<String, String>> list1 = Arrays.asList(  
                new Tuple2<String, String>("001", "令狐冲"),  
                new Tuple2<String, String>("002", "任盈盈")  
                );  
        List<Tuple2<String, String>> list2 = Arrays.asList(  
                new Tuple2<String, String>("001", "一班"),  
                new Tuple2<String, String>("002", "二班")  
                );  
        JavaRDD<Tuple2<String, String>> list1RDD = sc.parallelize(list1);  
        JavaRDD<Tuple2<String, String>> list2RDD = sc.parallelize(list2);  
        //首先将其中key分布比较均匀的RDD扩容100倍。  
        JavaPairRDD<String, String> extendRDD = list1RDD.flatMapToPair(new PairFlatMapFunction<Tuple2<String,String>, String, String>() \{  
   
            public Iterable<Tuple2<String, String>> call(Tuple2<String, String> arg0) throws Exception \{  
                ArrayList<Tuple2<String,String>> list = new ArrayList<Tuple2<String,String>>();  
                for (int i =0;i<100;i++)\{  
                    list.add(new Tuple2<String,String>(i+"\_"+arg0.\_1,arg0.\_2));  
                \}  
                return list;  
            \}  
        \});  
        //将另外一个key分布不均匀的RDD加上0~99的随机数  
        JavaPairRDD<String, String> mappedRDD = list2RDD.mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String,String>, String, String>() \{  
   
            public Tuple2<String, String> call(Tuple2<String, String> arg0) throws Exception \{  
                Random random = new Random();  
                int prefix = random.nextInt(100);  
                return new Tuple2<String, String>(prefix+"\_"+arg0.\_1,arg0.\_2);  
            \}  
        \});  
        mappedRDD.join(extendRDD)  
        .foreach(new VoidFunction<Tuple2<String,Tuple2<String,String>>>() \{  
   
            public void call(Tuple2<String, Tuple2<String, String>> arg0) throws Exception \{  
                System.out.println(arg0.\_1.split("\_")\[1\]+" "+arg0.\_2.\_1 +"\_"+arg0.\_2.\_2);  
   
            \}  
        \});  
    \}  
\}