Spark Core——RDD何以替代Hadoop MapReduce？

RDD（Resilient Distributed Dataset），彈性分布式數(shù)據(jù)集，是Spark core中的核心數(shù)據(jù)抽象，其他4大組件都或多或少依賴于RDD。簡單理解，RDD就是一種特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是為了適應(yīng)大數(shù)據(jù)分布式計(jì)算的特殊場景（此時(shí)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集合無法滿足分布式、容錯(cuò)性等需求）而設(shè)計(jì)的一種數(shù)據(jù)形式，其三個(gè)核心關(guān)鍵詞是：

• 彈性：主要包含4層含義：即數(shù)據(jù)大小可變、分區(qū)數(shù)可變、計(jì)算可容錯(cuò)、內(nèi)存硬盤存儲位置可變

• 分布式：大數(shù)據(jù)一般都是分布式的，意味著多硬件依賴、多核心并行計(jì)算

• 數(shù)據(jù)集：說明這是一組數(shù)據(jù)的集合，或者說數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  

RDD在Spark中占據(jù)"core"的地位

看一個(gè)人，可以看看他的對手；了解一個(gè)產(chǎn)品，也可以看看他的競品。Spark是為了解決Hadoop中 MapReduce計(jì)算框架效率低下而產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎，所以Spark起初的競爭對手就是MapReduce。

MapReduce之所以計(jì)算效率低，主要原因在于每次計(jì)算都涉及從硬盤的數(shù)據(jù)讀寫問題，而Spark設(shè)計(jì)之初就考慮盡可能避免硬盤讀寫，所以Spark的第一大特點(diǎn)是數(shù)據(jù)優(yōu)先存儲于內(nèi)存中（除非內(nèi)存存儲不夠才放到硬盤中）。同時(shí)，為了盡可能優(yōu)化RDD在內(nèi)存中的計(jì)算流程，Spark還引入了lazy特性。lazy特性其實(shí)質(zhì)就是直至"真正碰上事了"才計(jì)算，否則就一直"推托下去"，頗有不見兔子不撒鷹的味道。

這實(shí)際上又涉及到了RDD的兩類算子：transformation和action，前者只是建立邏輯轉(zhuǎn)換流程，后者才真正落地執(zhí)行。transformation的結(jié)果是從一個(gè)RDD轉(zhuǎn)換到另一個(gè)RDD，而action則是從一個(gè)RDD轉(zhuǎn)換到一個(gè)非RDD，因此從執(zhí)行結(jié)果是否仍然是RDD也可推斷出該操作是transformation抑或action。進(jìn)一步地，在transformation過程中，Spark內(nèi)部調(diào)度RDD的計(jì)算過程是一個(gè)有向無環(huán)圖（Directed Acyclic Graph，DAG ），意味著所有RDD的轉(zhuǎn)換都帶有方向性（一個(gè)產(chǎn)生另一個(gè)，即血緣關(guān)系），且不存在循環(huán)依賴的，這對Spark的容錯(cuò)性帶來了有效保證：當(dāng)一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時(shí)僅需按照方向關(guān)系追溯到相應(yīng)的父RDD即可，而無需從頭開始全流程計(jì)算。

Spark中關(guān)于寬窄依賴的經(jīng)典圖例（圖片選自網(wǎng)絡(luò)）

上圖給出了寬窄依賴的一個(gè)圖例。實(shí)際上，這里的寬窄依賴是針對RDD的每個(gè)partition而言的，分析子RDD的每個(gè)partition來源就容易理解其依賴為寬或窄：

• 窄依賴：子RDD和父RDD中的各partition是一一對應(yīng)關(guān)系，由于僅單個(gè)依賴，所以是窄的，也無需等待其他父RDD中的partition

• 寬依賴：子RDD和父RDD中partition存在一對多的關(guān)系，也就是說生成子RDD中的某個(gè)partition不僅需要這個(gè)父RDD中的一個(gè)partition，還需要其他partition或其他父RDD的partition，由于依賴多個(gè)partition，所以是寬的，在實(shí)際執(zhí)行過程中要等到所有partition就位后方可執(zhí)行

也正因如此，對于整個(gè)DAG而言，依據(jù)依賴類型可將Spark執(zhí)行過程劃分為多個(gè)階段，同一階段內(nèi)部Spark還會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)度和優(yōu)化?？梢哉f，內(nèi)存計(jì)算+DAG兩大特性共同保證了Spark執(zhí)行的高效性。

RDD的創(chuàng)建主要有3類形式：

• 從Python中的其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建，用到的方法為parallelize()，接收一個(gè)本地Python集合對象，返回一個(gè)RDD對象，一般適用于較小的數(shù)據(jù)集

• 從本地或HDFS文件中創(chuàng)建RDD對象，適用于大數(shù)據(jù)集，也是生產(chǎn)部署中較為常用的方式

• 從一個(gè)已有RDD中生成另一個(gè)RDD，所有transformation類算子其實(shí)都是執(zhí)行這一過程

from?pyspark?import?SparkContext??#?SparkContext是spark?core的入口
sc?=?SparkContext()??#?sc是一個(gè)單例
rdd1?=?sc.parallelize(['Tom',?'John',?'Joy'])??#?從本地已有Python集合創(chuàng)建
rdd2?=?sc.textFile('test.txt')??#?從本地文件序列化一個(gè)RDD
rdd3?=?rdd1.map(lambda?x:(x,?1))??#?從一個(gè)RDD轉(zhuǎn)換為另一個(gè)RDD

需要指出的是，RDD作為分布式的數(shù)據(jù)集合，其本身是不可變對象（immutable），所以所有的transformation算子都是從一個(gè)RDD轉(zhuǎn)換生成了一個(gè)新的RDD，這也印證了DAG中無環(huán)的概念。

至于說轉(zhuǎn)換過程中仍然可以使用相同的變量名，這是由Python的特性所決定的，類似于字符串是不可變數(shù)據(jù)類型，但也可以由一個(gè)字符串生成另一個(gè)同名字符串一樣。

Spark中的算子，其實(shí)就是一類操作，或者更具體說是一個(gè)函數(shù)！

前面提到，Spark在執(zhí)行過程中，依據(jù)從一個(gè)RDD是生成另一個(gè)RDD還是其他數(shù)據(jù)類型，可將操作分為兩類：transformation和action。這實(shí)際上也是最為常用的RDD操作，甚至說Spark core編程模式就是先經(jīng)歷一系列的transformation，然后在action提取相應(yīng)的結(jié)果。

然而，在系列transformation過程中，由于其lazy特性，當(dāng)且僅當(dāng)遇到action操作時(shí)才真正從頭至尾的完整執(zhí)行，所以就不得不面對一個(gè)問題：假如有RDD6是由前面系列的RDD1-5轉(zhuǎn)換生成，而RDD6既是RDD7的父RDD，也是RDD8的父RDD，所以在獨(dú)立執(zhí)行RDD7和RDD8時(shí)，實(shí)際上會(huì)將RDD1=>RDD6的轉(zhuǎn)換操作執(zhí)行兩遍，存在資源和效率上的浪費(fèi)。當(dāng)存在2遍計(jì)算重復(fù)或許尚可接受，但若存在更多重復(fù)轉(zhuǎn)換時(shí)，這種模式或許不是一個(gè)明智之舉，為此Spark還為RDD設(shè)計(jì)了第三類算子：持久化操作persistence。

至此，RDD的三類常用算子介紹如下：

1. transformation算子

• map，接收一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)，實(shí)現(xiàn)將RDD中的每個(gè)元素一對一映射生成另一個(gè)RDD，其實(shí)與Python中的原生map函數(shù)功能類似

• filter，接收一個(gè)函數(shù)作為參數(shù)，實(shí)現(xiàn)將RDD中每個(gè)元素判斷條件是否滿足，進(jìn)行執(zhí)行過濾，與Python中的原生filter函數(shù)類似

• flatMap，實(shí)際上包含了兩個(gè)步驟，首先執(zhí)行map功能，將RDD中的每個(gè)元素執(zhí)行一個(gè)映射轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)果是多個(gè)元素時(shí)（例如轉(zhuǎn)換為列表），再將其各個(gè)元素展平，實(shí)現(xiàn)一對多映射

• groupByKey，適用于RDD中每個(gè)元素是一個(gè)包含兩個(gè)元素的元組格式，例如（key, value）形式，進(jìn)而將相同key對應(yīng)的value構(gòu)成一個(gè)特殊的集合對象，實(shí)質(zhì)與SQL或者pandas中g(shù)roupby操作類似，一般還需與其他聚合函數(shù)配合操作

• reduceByKey，實(shí)際上groupByKey只執(zhí)行了一半的聚合動(dòng)作，即只有"聚"的過程，而缺少實(shí)質(zhì)性的"合"的操作。reduceByKey則是在groupby之后加入了reduce的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)真正聚合。換句話說，reduceByKey = groupByKey + aggFunction

• sortByKey，也比較簡單，即根據(jù)key值進(jìn)行排序的過程
  

另外，針對以上函數(shù)還有一些功能相近的函數(shù)，不再列出。

2. action算子

action算子Spark中真正執(zhí)行的操作，當(dāng)一個(gè)算子的執(zhí)行結(jié)果不再是RDD時(shí)，那么它就是一個(gè)action算子，此時(shí)Spark意識到不能再簡單的進(jìn)行邏輯運(yùn)算標(biāo)記，而需要實(shí)質(zhì)性的執(zhí)行計(jì)算。常用的action算子包括如下：

• collect，可能是日常功能調(diào)試中最為常用的算子，用于將RDD實(shí)際執(zhí)行并返回所有元素的列表格式，在功能調(diào)試或者數(shù)據(jù)集較小時(shí)較為常用，若是面對大數(shù)據(jù)集或者線上部署時(shí)切忌使用，因?yàn)橛锌赡茉斐蓛?nèi)存溢出

• take，接收整數(shù)n，返回特定記錄條數(shù)

• first，返回第一條記錄，相當(dāng)于take(1)

• count，返回RDD記錄條數(shù)

• reduce，對RDD的所有元素執(zhí)行聚合操作，與Python中的原生reduce功能類似，返回一個(gè)標(biāo)量

• foreach，對RDD中每個(gè)元素執(zhí)行特定的操作，功能上類似map，但會(huì)實(shí)際執(zhí)行并返回結(jié)果
  

3. persistence算子

持久化的目的是為了短期內(nèi)將某一RDD存儲于內(nèi)存或硬盤中，使其可復(fù)用。主要操作有兩類：

• persist，接收參數(shù)可以指定持久化級別，例如MEMORY_ONLY和MEMORY_AND_DISK，其中前者表示僅存儲于內(nèi)存中；后者表示優(yōu)先放于內(nèi)存，內(nèi)存不足再放硬盤中

• cache，緩存，即僅將RDD存于內(nèi)存中，相當(dāng)于持久化級別為MEMORY_ONLY的persist操作

另外，還有checkpoint也屬于持久化操作。對于一個(gè)已經(jīng)持久化的對象，當(dāng)無需繼續(xù)使用時(shí)，可使用unpersist完成取消持久化。

需知，持久化操作是為了便于多次重復(fù)調(diào)用同一RDD時(shí)，防止發(fā)生重復(fù)計(jì)算而設(shè)計(jì)的操作，但其本身仍然是偏lazy的模式，即執(zhí)行了persist或者cache操作后，僅僅是將其標(biāo)記為需要持久化，而直至第一次遇到action觸發(fā)其執(zhí)行時(shí)才會(huì)真正的完成持久化。

最后，舉一個(gè)Spark中hello world級別的WordCount例子，實(shí)戰(zhàn)一下各類算子的應(yīng)用：

texts?=?['this?is?spark',?'this?is?RDD']
rdd?=?sc.parallelize(texts)??#?從已有集合創(chuàng)建RDD對象
#?rdd?=?['this?is?spark',?'this?is?RDD']
rdd1?=?rdd.flatMap(lambda?x:x.split('?'))??#?flatMap將原來的句子用空格分割，并展平至單個(gè)詞
#?rdd1?=?['this',?'is',?'spark',?'this',?'is',?'RDD']
rdd2?=?rdd1.map(lambda?x:(x,?1))??#?將每個(gè)單詞映射為(單詞，1)的(key?value)對象格式
#?rdd2?=?[('this',?1),?('is',?1),?('spark',?1),?('this',?1),?('is',?1),?('RDD',?1)]
rdd3?=?rdd2.reduceByKey(lambda?a,?b:a+b)??#?依據(jù)單詞相同進(jìn)行聚合
#?rdd3?=?[('spark',?1),?('RDD',?1),?('this',?2),?('is',?2)]
rdd3.collect()??#?遇到action算子，將上述rdd=>rdd1=>rdd2=>rdd3有向無環(huán)圖真正執(zhí)行，并返回列表

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