疯狂Hadoop之MapReduce工作机制(六)

太过爱你忘了你带给我的痛 2023-10-07 14:11 29阅读 0赞

### Writable序列化 ###

序列化就是把内存中的对象，转换成字节序列（或其他数据传输协议）以便于存储（持久化）和网络传输。

反序列化就是将收到字节序列（或其他数据传输协议）或者是硬盘的持久化数据，转换成内存中的对象。

Java的序列化是一个重量级序列化框架（Serializable），一个对象被序列化后，会附带很多额外的信息（各种校验信息，header，继承体系等），不便于在网络中高效传输。所以，hadoop自己开发了一套序列化机制（Writable），精简、高效。

#### 常用数据序列化类型 ####

常用的数据类型对应的hadoop数据序列化类型

**Java类型**

**Hadoop Writable类型**

*  boolean
 *  BooleanWritable
 *  byte
 *  ByteWritable
 *  int
 *  IntWritable
 *  float
 *  FloatWritable
 *  long
 *  LongWritable
 *  double
 *  DoubleWritable
 *  string
 *  Text
 *  map
 *  MapWritable
 *  array
 *  ArrayWritable

#### 自定义bean对象实现序列化接口 ####

1）自定义bean对象要想序列化传输，必须实现序列化接口，需要注意以下7项。

（1）必须实现Writable接口

（2）反序列化时，需要反射调用空参构造函数，所以必须有空参构造

（3）重写序列化方法

（4）重写反序列化方法

（5）注意反序列化的顺序和序列化的顺序完全一致

（6）要想把结果显示在文件中，需要重写toString()，且用”\\t”分开，方便后续用

（7）如果需要将自定义的bean放在key中传输，则还需要实现comparable接口， 因为mapreduce框中的shuffle过程一定会对key进行排序

// 1 必须实现Writable接口

public class FlowBean implements Writable {
     private long upFlow;
     private long downFlow;
     private long sumFlow;
    	//2 反序列化时，需要反射调用空参构造函数，所以必须有
     public FlowBean() {
     super();
    	}
    
    	/**
    	 * 3重写序列化方法
    	 * 
    	 * @param out
    	 * @throws IOException
    	 */
    	@Override
     public void write(DataOutput out) throws IOException {
    		out.writeLong(upFlow);
    		out.writeLong(downFlow);
    		out.writeLong(sumFlow);
    	}
    	/**
    	 * 4 重写反序列化方法 
    5 注意反序列化的顺序和序列化的顺序完全一致
    	 * 
    	 * @param in
    	 * @throws IOException
    	 */
    	@Override
     public void readFields(DataInput in) throws IOException {
    		upFlow = in.readLong();
    		downFlow = in.readLong();
    		sumFlow = in.readLong();
    	}
        // 6要想把结果显示在文件中，需要重写toString()，且用”\t”分开，方便后续用
    	@Override
     public String toString() {
     return upFlow + "\t" + downFlow + "\t" + sumFlow;
    	}
    
        //7 如果需要将自定义的bean放在key中传输，则还需要实现comparable接口，因为mapreduce框中的shuffle过程一定会对key进行排序
    	@Override
     public int compareTo(FlowBean o) {
    		// 倒序排列，从大到小
     return this.sumFlow > o.getSumFlow() ? -1 : 1;
    	}
    }

### MapTask工作机制 ###

**1）问题引出**

maptask的并行度决定map阶段的任务处理并发度，进而影响到整个job的处理速度。那么，mapTask并行任务是否越多越好呢？

**2）MapTask并行度决定机制**

一个job的map阶段MapTask并行度（个数），由客户端提交job时的切片个数决定。

**3）MapTask工作机制**

（1)Read阶段：Map Task通过用户编写的RecordReader，从输入InputSplit中解析出一个个key/value。

（2）Map阶段：该节点主要是将解析出的key/value交给用户编写map()函数处理，并产生一系列新的key/value。

（3)Collect阶段：在用户编写map()函数中，当数据处理完成后，一般会调用OutputCollector.collect()输出结果。在该函数内部，它会将生成的key/value分区（调用Partitioner），并写入一个环形内存缓冲区中。

（4)Spill阶段：即“溢写”，当环形缓冲区满后，MapReduce会将数据写到本地磁盘上，生成一个临时文件。需要注意的是，将数据写入本地磁盘之前，先要对数据进行一次本地排序，并在必要时对数据进行合并、压缩等操作。

溢写阶段详情：

步骤1：利用快速排序算法对缓存区内的数据进行排序，排序方式是，先按照分区编号partition进行排序，然后按照key进行排序。这样，经过排序后，数据以分区为单位聚集在一起，且同一分区内所有数据按照key有序。

步骤2：按照分区编号由小到大依次将每个分区中的数据写入任务工作目录下的临时文件output/spillN.out（N表示当前溢写次数）中。如果用户设置了Combiner，则写入文件之前，对每个分区中的数据进行一次聚集操作。

步骤3：将分区数据的元信息写到内存索引数据结构SpillRecord中，其中每个分区的元信息包括在临时文件中的偏移量、压缩前数据大小和压缩后数据大小。如果当期内存索引大小超过1MB，则将内存索引写到文件output/spillN.out.index中。

（5）Combine阶段：当所有数据处理完成后，MapTask对所有临时文件进行一次合并，以确保最终只会生成一个数据文件。

当所有数据处理完后，MapTask会将所有临时文件合并成一个大文件，并保存到文件output/file.out中，同时生成相应的索引文件output/file.out.index。

在进行文件合并过程中，MapTask以分区为单位进行合并。对于某个分区，它将采用多轮递归合并的方式。每轮合并io.sort.factor（默认100）个文件，并将产生的文件重新加入待合并列表中，对文件排序后，重复以上过程，直到最终得到一个大文件。

让每个MapTask最终只生成一个数据文件，可避免同时打开大量文件和同时读取大量小文件产生的随机读取带来的开销。

### Shuffle机制 ###

#### Shuffle机制 ####

Mapreduce确保每个reducer的输入都是按键排序的。系统执行排序的过程（即将map输出作为输入传给reducer）称为shuffle。

![format_png][]

#### MapReduce工作流程 ####

1）流程示意图

![format_png 1][]

![format_png 2][]

2）流程详解

上面的流程是整个mapreduce最全工作流程，但是shuffle过程只是从第7步开始到第16步结束，具体shuffle过程详解，如下：

1）maptask收集我们的map()方法输出的kv对，放到内存缓冲区中

2）从内存缓冲区不断溢出本地磁盘文件，可能会溢出多个文件

3）多个溢出文件会被合并成大的溢出文件

4）在溢出过程中，及合并的过程中，都要调用partitoner进行分组和针对key进行排序

5）reducetask根据自己的分区号，去各个maptask机器上取相应的结果分区数据

6）reducetask会取到同一个分区的来自不同maptask的结果文件，reducetask会将这些文件再进行合并（归并排序）

7）合并成大文件后，shuffle的过程也就结束了，后面进入reducetask的逻辑运算过程（从文件中取出一个一个的键值对group，调用用户自定义的reduce()方法）

3）注意

Shuffle中的缓冲区大小会影响到mapreduce程序的执行效率，原则上说，缓冲区越大，磁盘io的次数越少，执行速度就越快。

缓冲区的大小可以通过参数调整，参数：io.sort.mb 默认100M

#### partition分区 ####

0）问题引出：要求将统计结果按照条件输出到不同文件中（分区）。比如：将统计结果按照手机归属地不同省份输出到不同文件中（分区）

1）默认partition分区

public class HashPartitioner<K, V> extends Partitioner<K, V> {
      /** Use {@link Object#hashCode()} to partition. */
      public int getPartition(K key, V value, int numReduceTasks) {
        return (key.hashCode() & Integer.MAX_VALUE) % numReduceTasks;
      }
    }

默认分区是根据key的hashCode对reduceTasks个数取模得到的。用户没法控制哪个key存储到哪个分区

2）自定义Partitioner步骤

（1）自定义类继承Partitioner，重新getPartition()方法

public class ProvincePartitioner extends Partitioner<Text, FlowBean> {
    	@Override
     public int getPartition(Text key, FlowBean value, int numPartitions) {
    // 1 获取电话号码的前三位
    		String preNum = key.toString().substring(0, 3);
     
     int partition = 4;
     
    		// 2 判断是哪个省
     if ("136".equals(preNum)) {
    			partition = 0;
    		}else if ("137".equals(preNum)) {
    			partition = 1;
    		}else if ("138".equals(preNum)) {
    			partition = 2;
    		}else if ("139".equals(preNum)) {
    			partition = 3;
    		}
     return partition;
    	}
    }

（2）在job驱动中，设置自定义partitioner：

job.setPartitionerClass(CustomPartitioner.class)

（3）自定义partition后，要根据自定义partitioner的逻辑设置相应数量的reduce task

job.setNumReduceTasks(5);

3）注意：

如果reduceTask的数量> getPartition的结果数，则会多产生几个空的输出文件part-r-000xx；

如果1<reduceTask的数量<getPartition的结果数，则有一部分分区数据无处安放，会Exception；

如果reduceTask的数量=1，则不管mapTask端输出多少个分区文件，最终结果都交给这一个reduceTask，最终也就只会产生一个结果文件 part-r-00000；

例如：假设自定义分区数为5，则

（1）job.setNumReduceTasks(1);会正常运行，只不过会产生一个输出文件

（2）job.setNumReduceTasks(2);会报错

（3）job.setNumReduceTasks(6);大于5，程序会正常运行，会产生空文件

#### 排序 ####

排序是MapReduce框架中最重要的操作之一。Map Task和Reduce Task均会对数据（按照key）进行排序。该操作属于Hadoop的默认行为。任何应用程序中的数据均会被排序，而不管逻辑上是否需要。

对于Map Task，它会将处理的结果暂时放到一个缓冲区中，当缓冲区使用率达到一定阈值后，再对缓冲区中的数据进行一次排序，并将这些有序数据写到磁盘上，而当数据处理完毕后，它会对磁盘上所有文件进行一次合并，以将这些文件合并成一个大的有序文件。

对于Reduce Task，它从每个Map Task上远程拷贝相应的数据文件，如果文件大小超过一定阈值，则放到磁盘上，否则放到内存中。如果磁盘上文件数目达到一定阈值，则进行一次合并以生成一个更大文件；如果内存中文件大小或者数目超过一定阈值，则进行一次合并后将数据写到磁盘上。当所有数据拷贝完毕后，Reduce Task统一对内存和磁盘上的所有数据进行一次合并。

每个阶段的默认排序

1）排序的分类：

（1）**部分排序**：

MapReduce根据输入记录的键对数据集排序。保证输出的每个文件内部排序。

（2）**全排序**：

如何用Hadoop产生一个全局排序的文件？最简单的方法是使用一个分区。但该方法在处理大型文件时效率极低，因为一台机器必须处理所有输出文件，从而完全丧失了MapReduce所提供的并行架构。

**替代方案**：首先创建一系列排好序的文件；其次，串联这些文件；最后，生成一个 全局排序的文件。主要思路是使用一个分区来描述输出的全局排序。例如：可以为 上述文件创建3个分区，在第一分区中，记录的单词首字母a-g，第二分区记录单 词首字母h-n, 第三分区记录单词首字母o-z。

（3）**辅助排序：（GroupingComparator分组）**

Mapreduce框架在记录到达reducer之前按键对记录排序，但键所对应的值并 没有被排序。甚至在不同的执行轮次中，这些值的排序也不固定，因为它们来自不 同的map任务且这些map任务在不同轮次中完成时间各不相同。一般来说，大多 数MapReduce程序会避免让reduce函数依赖于值的排序。但是，有时也需要通过 特定的方法对键进行排序和分组等以实现对值的排序。

2）自定义排序WritableComparable

原理分析:bean对象实现WritableComparable接口重写compareTo方法，就可以 实现排序

@Override
    public int compareTo(FlowBean o) {
    	// 倒序排列，从大到小
     return this.sumFlow > o.getSumFlow() ? -1 : 1;
    }

#### Combiner合并 ####

1）combiner是MR程序中Mapper和Reducer之外的一种组件

2）combiner组件的父类就是Reducer

3）combiner和reducer的区别在于运行的位置：

Combiner是在每一个maptask所在的节点运行

Reducer是接收全局所有Mapper的输出结果；

4）combiner的意义就是对每一个maptask的输出进行局部汇总，以减小网络传输量

5）自定义Combiner实现步骤：

（1）自定义一个combiner继承Reducer，重写reduce方法

public class WordcountCombiner extends Reducer<Text, IntWritable, Text, IntWritable>{
    	@Override
    	protected void reduce(Text key, Iterable<IntWritable> values,
    			Context context) throws IOException, InterruptedException {
    		int count = 0;
    		for(IntWritable v :values){
    			count = v.get();
    		}
    		context.write(key, new IntWritable(count));
    	}
    }

（2）在job中设置：

job.setCombinerClass(WordcountCombiner.class);

6）combiner能够应用的前提是不能影响最终的业务逻辑，而且，combiner的输出kv应该跟reducer的输入kv类型要对应起来

#### 数据倾斜&Distributedcache ####

1）数据倾斜原因

如果是多张表的操作都是在reduce阶段完成，reduce端的处理压力太大，map节点的运算负载则很低，资源利用率不高，且在reduce阶段极易产生数据倾斜。

2）解决方案

在map端缓存多张表，提前处理业务逻辑，这样增加map端业务，减少reduce端数据的压力，尽可能的减少数据倾斜。

3）具体办法：采用distributedcache

（1）在mapper的setup阶段，将文件读取到缓存集合中

（2）在驱动函数中加载缓存。

job.addCacheFile(new URI("file:/e:/mapjoincache/pd.txt"));// 缓存普通文件 到task运行节点

### ReduceTask工作机制 ###

1）设置ReduceTask

reducetask的并行度同样影响整个job的执行并发度和执行效率，但与maptask的并发数由切片数决定不同，Reducetask数量的决定是可以直接手动设置：

//默认值是1，手动设置为4

job.setNumReduceTasks(4);

2）注意

（1）如果数据分布不均匀，就有可能在reduce阶段产生数据倾斜

（2）reducetask数量并不是任意设置，还要考虑业务逻辑需求，有些情况下，需 要计算全局汇总结果，就只能有1个reducetask。

（3）具体多少个reducetask，需要根据集群性能而定。

（4）如果分区数不是1，但是reducetask为1，是否执行分区过程。答案是：不执行分区过程。因为在maptask的源码中，执行分区的前提是先判断reduceNum个数是否大于1。不大于1肯定不执行。

3）实验：测试reducetask多少合适。

（1）实验环境：1个master节点，16个slave节点: CPU:8GHZ , 内存: 2G

（2）实验结论：

表1 改变reduce task （数据量为1GB）

Map task =16
    Reduce task
    1
    5
    10
    15
    16
    20
    25
    30
    45
    60
    总时间
    892
    146
    110
    92
    88
    100
    128
    101
    145
    104

4）ReduceTask工作机制

（1）Copy阶段：ReduceTask从各个MapTask上远程拷贝一片数据，并针对某一片数据，如果其大小超过一定阈值，则写到磁盘上，否则直接放到内存中。

（2）Merge阶段：在远程拷贝数据的同时，ReduceTask启动了两个后台线程对内存和磁盘上的文件进行合并，以防止内存使用过多或磁盘上文件过多。

（3）Sort阶段：按照MapReduce语义，用户编写reduce()函数输入数据是按key进行聚集的一组数据。为了将key相同的数据聚在一起，Hadoop采用了基于排序的策略。由于各个MapTask已经实现对自己的处理结果进行了局部排序，因此，ReduceTask只需对所有数据进行一次归并排序即可。

（4）Reduce阶段：reduce()函数将计算结果写到HDFS上。

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