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Spark原始码系列(五)分布式缓存

时间:2020-05-27 15:59:00      阅读:71      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

标签:分布   sel   other   jpg   failure   ted   之间   remove   应该   

问题导读:spark缓存是如何实现的?BlockManager与BlockManagerMaster的关系是什么?

技术图片

 

这个persist方法是在RDD里面的,所以我们直接打开RDD这个类。

def persist(newLevel: StorageLevel): this.type = {
  // StorageLevel不能随意更改
  if (storageLevel != StorageLevel.NONE && newLevel != storageLevel) {
    throw new UnsupportedOperationException("Cannot change storage level of an RDD after it was already assigned a level")
  }
  sc.persistRDD(this)
  // Register the RDD with the ContextCleaner for automatic GC-based cleanup
  // 注册清理方法
  sc.cleaner.foreach(_.registerRDDForCleanup(this))
  storageLevel = newLevel
  this
}

它调用SparkContext去缓存这个RDD,追杀下去。

   private[spark] def persistRDD(rdd: RDD[_]) {
  persistentRdds(rdd.id) = rdd
}

它居然是用一个HashMap来存的,具体看这个地图的类型是TimeStampedWeakValueHashMap [Int,RDD [_]]类型。把存进去的值都隐式转换成WeakReference,然后加到一个内部的一个ConcurrentHashMap里面。这里貌似也没干干啥,这是有个鸟蛋用。。大神莫喷,知道干啥用的人希望告诉我一下。

1、 CacheManager

现在并没有保存,等到真正运行Task运行的时候才会去缓存起来。入口在Task的runTask方法里面,具体的我们可以看ResultTask,它调用了RDD的iterator方法。

  final def iterator(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[T] = {
  if (storageLevel != StorageLevel.NONE) {
    SparkEnv.get.cacheManager.getOrCompute(this, split, context, storageLevel)
  } else {
    computeOrReadCheckpoint(split, context)
  }
}

一旦设置了StorageLevel,就要从SparkEnv的cacheManager取数据。

def getOrCompute[T](rdd: RDD[T], split: Partition, context: TaskContext, storageLevel: StorageLevel): Iterator[T] = {
  val key = RDDBlockId(rdd.id, split.index)
  blockManager.get(key) match {
    case Some(values) =>
      // 已经有了,直接返回就可以了
      new InterruptibleIterator(context, values.asInstanceOf[Iterator[T]])
?
    case None =>
      // loading包含这个key表示已经有人在加载了,等到loading被释放了,就可以去blockManager里面取到了
      loading.synchronized {
        if (loading.contains(key)) {
          while (loading.contains(key)) {
            try {
              loading.wait()
            } catch {
              case e: Exception =>
                logWarning(s"Got an exception while waiting for another thread to load $key", e)
            }
          }
          // 别人成功拿到了,我们直接取结果就是了,如果别人取失败了,我们再来取一次
          blockManager.get(key) match {
            case Some(values) =>
              return new InterruptibleIterator(context, values.asInstanceOf[Iterator[T]])
            case None =>
              loading.add(key)
          }
        } else {
          loading.add(key)
        }
      }
      try {
        // 通过rdd自身的compute方法去计算得到结果,回去看看RDD那文章,自己看看源码就清楚了
        val computedValues = rdd.computeOrReadCheckpoint(split, context)
?
        // 如果是本地运行的,就没必要缓存了,直接返回即可
        if (context.runningLocally) {
          return computedValues
        }
?
        // 跟踪blocks的更新状态
        var updatedBlocks = Seq[(BlockId, BlockStatus)]()
        val returnValue: Iterator[T] = {
          if (storageLevel.useDisk && !storageLevel.useMemory) {
            /* 这是RDD采用DISK_ONLY的情况,直接扔给blockManager
              * 然后把结果直接返回,它不需要把结果一下子全部加载进内存
              * 这同样适用于MEMORY_ONLY_SER,但是我们需要在启用它之前确认blocks没被block store给丢弃 */
            updatedBlocks = blockManager.put(key, computedValues, storageLevel, tellMaster = true)
            blockManager.get(key) match {
              case Some(values) =>
                values.asInstanceOf[Iterator[T]]
              case None =>
                throw new Exception("Block manager failed to return persisted valued")
            }
          } else {
            // 先存到一个ArrayBuffer,然后一次返回,在blockManager里也存一份
            val elements = new ArrayBuffer[Any]
            elements ++= computedValues
            updatedBlocks = blockManager.put(key, elements, storageLevel, tellMaster = true)
            elements.iterator.asInstanceOf[Iterator[T]]
          }
        }
?
        // 更新task的监控参数
        val metrics = context.taskMetrics
        metrics.updatedBlocks = Some(updatedBlocks)
?
        new InterruptibleIterator(context, returnValue)
?
      } finally {
        // 改完了,释放锁
        loading.synchronized {
          loading.remove(key)
          loading.notifyAll()
        }
      }
  }
}

1,如果blockManager当中有,直接从blockManager当中取。

2,如果blockManager没有,就先用RDD的compute函数得到一个一个Iterable接口。

3,如果StorageLevel是只保存在硬盘的话,就把值存在blockManager当中,然后从blockManager当中取,这样的好处是不会一次把数据全部加载进内存。

4,如果StorageLevel是需要使用内存的情况,就把结果添加到一个ArrayBuffer其中一次返回,另外在blockManager存上一个,再次直接从blockManager取。

对StorageLevel说明一下吧,贴一下它的源码。

class StorageLevel private(
  private var useDisk_ : Boolean,
  private var useMemory_ : Boolean,
  private var useOffHeap_ : Boolean,
  private var deserialized_ : Boolean,
  private var replication_ : Int = 1)
?
val NONE = new StorageLevel(false, false, false, false)
val DISK_ONLY = new StorageLevel(true, false, false, false)
val DISK_ONLY_2 = new StorageLevel(true, false, false, false, 2)
val MEMORY_ONLY = new StorageLevel(false, true, false, true)
val MEMORY_ONLY_2 = new StorageLevel(false, true, false, true, 2)
val MEMORY_ONLY_SER = new StorageLevel(false, true, false, false)
val MEMORY_ONLY_SER_2 = new StorageLevel(false, true, false, false, 2)
val MEMORY_AND_DISK = new StorageLevel(true, true, false, true)
val MEMORY_AND_DISK_2 = new StorageLevel(true, true, false, true, 2)
val MEMORY_AND_DISK_SER = new StorageLevel(true, true, false, false)
val MEMORY_AND_DISK_SER_2 = new StorageLevel(true, true, false, false, 2)
val OFF_HEAP = new StorageLevel(false, false, true, false)

大家注意看它那几个参数,useDisk,useMemory,useOffHeap,deserialized,replication_在具体的类型的时候是传的什么值。

下面我们的目标要放到blockManager。

2、 BlockManager

BlockManager这个类比较大,我们从两方面开始看吧,putBytes和get方法。先从putBytes说起,之前说过任务运行结束之后,结果超过10M的话,会用BlockManager缓存起来。

env.blockManager.putBytes(blockId,serializedDirectResult,StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER)

putBytes内部又掉了另外一个方法doPut,方法很大呀,先折叠起来。

private def doPut(
     blockId: BlockId,
     data: Values,
     level: StorageLevel,
     tellMaster: Boolean = true): Seq[(BlockId, BlockStatus)] = {// Return value
   val updatedBlocks = new ArrayBuffer[(BlockId, BlockStatus)]
?
   // 记录它的StorageLevel,以便我们可以在它加载进内存之后,可以按需写入硬盘。
  // 此外,在我们把调用BlockInfo的markReay方法之前,都没法通过get方法获得该部分内容
   val putBlockInfo = {
     val tinfo = new BlockInfo(level, tellMaster)
     // 如果不存在,就添加到blockInfo里面
     val oldBlockOpt = blockInfo.putIfAbsent(blockId, tinfo)
     if (oldBlockOpt.isDefined) {
       // 如果已经存在了,就不需要重复添加了
       if (oldBlockOpt.get.waitForReady()) {return updatedBlocks
      }
       // 存在于blockInfo当中->但是上一次保存失败了,拿出旧的信息,再试一遍
       oldBlockOpt.get
    } else {
       tinfo
    }
  }
?
   val startTimeMs = System.currentTimeMillis
   // 当我们需要存储数据,并且要复制数据到别的机器,我们需要访问它的值,但是因为我们的put操作会读取整个iterator,
   // 这就不会有任何的值留下。在我们保存序列化的数据的场景,我们可以记住这些bytes,但在其他场景,比如反序列化存储的
   // 时候,我们就必须依赖返回一个Iterator
   var valuesAfterPut: Iterator[Any] = null
   // Ditto for the bytes after the put
   var bytesAfterPut: ByteBuffer = null
   // Size of the block in bytes
   var size = 0L
?
   // 在保存数据之前,我们要实例化,在数据已经序列化并且准备好发送的情况下,这个过程是很快的
   val replicationFuture = if (data.isInstanceOf[ByteBufferValues] && level.replication > 1) {
     // duplicate并不是复制这些数据,只是做了一个包装
     val bufferView = data.asInstanceOf[ByteBufferValues].buffer.duplicate()
     Future {
       // 把block复制到别的机器上去
       replicate(blockId, bufferView, level)
    }
  } else {
     null
  }
?
   putBlockInfo.synchronized {
?
     var marked = false
     try {
       if (level.useMemory) {
         // 首先是保存到内存里面,尽管它也使用硬盘,等内存不够的时候,才会写入硬盘
         // 下面分了三种情况,但是Task的结果是ByteBufferValues这种情况,具体看putBytes方法
         val res = data match {
           case IteratorValues(iterator) =>
             memoryStore.putValues(blockId, iterator, level, true)
           case ArrayBufferValues(array) =>
             memoryStore.putValues(blockId, array, level, true)
           case ByteBufferValues(bytes) =>
             bytes.rewind()
             memoryStore.putBytes(blockId, bytes, level)
        }
         size = res.size
         // 这里写得那么恶心,是跟data的类型有关系的,data: Either[Iterator[_], ByteBuffer],Left是Iterator,Right是ByteBuffer
         res.data match {
           case Right(newBytes) => bytesAfterPut = newBytes
           case Left(newIterator) => valuesAfterPut = newIterator
        }
         // 把被置换到硬盘的blocks记录到updatedBlocks上
         res.droppedBlocks.foreach { block => updatedBlocks += block }
      } else if (level.useOffHeap) {
         // 保存到Tachyon上.
         val res = data match {
           case IteratorValues(iterator) =>
             tachyonStore.putValues(blockId, iterator, level, false)
           case ArrayBufferValues(array) =>
             tachyonStore.putValues(blockId, array, level, false)
           case ByteBufferValues(bytes) =>
             bytes.rewind()
             tachyonStore.putBytes(blockId, bytes, level)
        }
         size = res.size
         res.data match {
           case Right(newBytes) => bytesAfterPut = newBytes
           case _ =>
        }
      } else {
         // 直接保存到硬盘,不要复制到其它节点的就别返回数据了.
         val askForBytes = level.replication > 1
         val res = data match {
           case IteratorValues(iterator) =>
             diskStore.putValues(blockId, iterator, level, askForBytes)
           case ArrayBufferValues(array) =>
             diskStore.putValues(blockId, array, level, askForBytes)
           case ByteBufferValues(bytes) =>
             bytes.rewind()
             diskStore.putBytes(blockId, bytes, level)
        }
         size = res.size
         res.data match {
           case Right(newBytes) => bytesAfterPut = newBytes
           case _ =>
        }
      }
     // 通过blockId获得当前的block状态
       val putBlockStatus = getCurrentBlockStatus(blockId, putBlockInfo)
       if (putBlockStatus.storageLevel != StorageLevel.NONE) {
         // 成功了,把该block标记为ready,通知BlockManagerMaster
         marked = true
         putBlockInfo.markReady(size)
         if (tellMaster) {
           reportBlockStatus(blockId, putBlockInfo, putBlockStatus)
        }
         updatedBlocks += ((blockId, putBlockStatus))
      }
    } finally {
       // 如果没有标记成功,就把该block信息清除
      if (!marked) {
         blockInfo.remove(blockId)
         putBlockInfo.markFailure()
      }
    }
  }
?
   // 把数据发送到别的节点做备份
   if (level.replication > 1) {
     data match {
       case ByteBufferValues(bytes) => Await.ready(replicationFuture, Duration.Inf)
       case _ => {
         val remoteStartTime = System.currentTimeMillis
         // 把Iterator里面的数据序列化之后,发送到别的节点
         if (bytesAfterPut == null) {
           if (valuesAfterPut == null) {
             throw new SparkException("Underlying put returned neither an Iterator nor bytes! This shouldn‘t happen.")
          }
           bytesAfterPut = dataSerialize(blockId, valuesAfterPut)
        }
         replicate(blockId, bytesAfterPut, level)
      }
    }
  }
   // 销毁bytesAfterPut
   BlockManager.dispose(bytesAfterPut)
   updatedBlocks
}

从上面的来看:

1,存储的时候按照不同的存储级别分了3种情况来处理:存在内存当中(包括MEMORY字样的),存在tachyon上(OFF_HEAP),只存在硬盘上(DISK_ONLY)。

2,存储完成之后会根据存储级别决定是否发送到别的例程,在名字上最后带2字的都是这种,2表示一个块会在两个例程上保存。

3,存储完毕之后,会向BlockManagerMaster汇报块的情况。

4,此处面的序列化实际上是先压缩后序列化,替代使用的是LZF压缩,可以通过spark.io.compression.codec设置为snappy或者lzo,序列化方式通过spark.serializer设置,只能是JavaSerializer 。

 

 

技术图片

 

 

接下来我们再看get的情况。

   val local = getLocal(blockId)
  if (local.isDefined) return local
  val remote = getRemote(blockId)
  if (remote.isDefined) return remote
  None

先从本地取,本地没有再去别的例程取,都没有,返回None。从本地取就不说了,怎么进怎么出。讲一下怎么从别的例程去,它们是一个某种子的关系?

我们先看getRemote方法

  private def doGetRemote(blockId: BlockId, asValues: Boolean): Option[Any] = {
  val locations = Random.shuffle(master.getLocations(blockId))
  for (loc <- locations) {
    val data = BlockManagerWorker.syncGetBlock(GetBlock(blockId), ConnectionManagerId(loc.host, loc.port))
    if (data != null) {
      if (asValues) {
        return Some(dataDeserialize(blockId, data))
      } else {
        return Some(data)
      }
    }
  }
  None
}

这个方法包括两个步骤:

1,用blockId通过master的getLocations方法找到它的位置。

2,通过BlockManagerWorker.syncGetBlock到指定的例程获取数据。

ok,下面就重点讲BlockManager和BlockManagerMaster之间的关系,以及BlockManager之间是如何相互传输数据。

3、BlockManager与BlockManagerMaster的关系

BlockManager我们使用的时候是从SparkEnv.get获得的,我们观察了一下SparkEnv,发现它包含了我们运行时候常用的那些东东。在SparkEnv的创建方法里面会实例化一个BlockManager和BlockManagerMaster。这里我们需要注意看BlockManagerMaster的实例化方法,里面调用了registerOrLookup方法。

?
  def registerOrLookup(name: String, newActor: => Actor): ActorRef = {
    if (isDriver) {
      actorSystem.actorOf(Props(newActor), name = name)
    } else {
      val driverHost: String = conf.get("spark.driver.host", "localhost")
      val driverPort: Int = conf.getInt("spark.driver.port", 7077)
      Utils.checkHost(driverHost, "Expected hostname")
      val url = s"akka.tcp://spark@$driverHost:$driverPort/user/$name"
      val timeout = AkkaUtils.lookupTimeout(conf)
      Await.result(actorSystem.actorSelection(url).resolveOne(timeout), timeout)
    }
  }

所以从这里可以抛光来,除了Driver之后的actor都是,都是持有的Driver的引用ActorRef。梳理一下,我们可以进行以下替换:

1,SparkContext持有一个BlockManager和BlockManagerMaster。

2,每一个执行人都持有一个BlockManager和BlockManagerMaster。

3,执行器和SparkContext的BlockManagerMaster通过BlockManagerMasterActor来通信。

接下来,我们看看BlockManagerMasterActor里的三组映射关系。

// 1、BlockManagerId和BlockManagerInfo的映射关系
private val blockManagerInfo = new mutable.HashMap[BlockManagerId, BlockManagerInfo]
// 2、Executor ID 和 Block manager ID的映射关系
private val blockManagerIdByExecutor = new mutable.HashMap[String, BlockManagerId]
// 3、BlockId和保存它的BlockManagerId的映射关系
private val blockLocations = new JHashMap[BlockId, mutable.HashSet[BlockManagerId]]

看到这三组关系,前面的getLocations方法不用看它的实现,我们都应该知道是怎么找了。

4、BlockManager相互传输数据

BlockManager之间发送数据和接受数据是通过BlockManagerWorker的syncPutBlock和syncGetBlock方法来实现。看BlockManagerWorker的注释,说是BlockManager的网络接口,采用的是事件驱动模型。

再仔细看这两个方法,它传输的数据包装成BlockMessage之后,通过ConnectionManager的sendMessageReliablySync方法来传输。

接下来的故事就是nio之间的发送和接收了,就简单说几点吧:

1,ConnectionManager内部实例化一个选择器线程线程来接收消息,具体请看运行方法。

2,Connection发送数据的时候,是一次把消息本身的消息全部发送,不是一个消息发送,具体看SendConnection的写方法,与之对应的接收看ReceivingConnection的读方法。

3,read完了之后,调用初始化函数ConnectionManager的receiveMessage方法,它又调用了handleMessage方法,handleMessage又调用了BlockManagerWorker的onBlockMessageReceive方法。传说中的事件驱动又出现了。

def processBlockMessage(blockMessage: BlockMessage): Option[BlockMessage] = {
  blockMessage.getType match {
    case BlockMessage.TYPE_PUT_BLOCK => {
      val pB = PutBlock(blockMessage.getId, blockMessage.getData, blockMessage.getLevel)
      putBlock(pB.id, pB.data, pB.level)
      None
    }
    case BlockMessage.TYPE_GET_BLOCK => {
      val gB = new GetBlock(blockMessage.getId)
      val buffer = getBlock(gB.id)
      Some(BlockMessage.fromGotBlock(GotBlock(gB.id, buffer)))
    }
    case _ => None
  }
}

根据BlockMessage的类型进行处理,输入类型就保存数据,getType就从本地把块重定向来给给它。

技术图片

 

注:BlockManagerMasterActor是存在于BlockManagerMaster内部,在外面只是因为它在通信的时候起了关键的作用的,执行程序上持有的BlockManagerMasterActor是驱动程序的那些演员的引用。

5、广播变量

先回顾一下怎么使用广播变量:

 

scala> val broadcastVar = sc.broadcast(Array(1、2、3))
broadcastVar:spark.Broadcast [Array [Int]] = spark.Broadcast(b5c40191-a864-4c7d-b9bf-d87e1a4e787c)
?
scala> broadcastVar.value
res0:Array [Int] = Array(1、2、3)

看了一下实现调用的是broadcastFactory的newBroadcast方法。

  def newBroadcast [T:ClassTag](value_:T,isLocal:Boolean)= {
  broadcastFactory.newBroadcast [T](value_,isLocal,nextBroadcastId.getAndIncrement())
}

默认的broadcastFactory是HttpBroadcastFactory,内部还有另外一个实现TorrentBroadcastFactory,先说HttpBroadcastFactory的newBroadcast方法。

它直接新了一个HttpBroadcast。

  HttpBroadcast.synchronized {
  SparkEnv.get.blockManager.putSingle(blockId,value_,StorageLevel.MEMORY_AND_DISK,tellMaster = false)
}
?
if(!isLocal){
  HttpBroadcast.write(id,value_)
}

它的内部既两个操作,把数据保存到驱动程序端的BlockManager和写入到硬盘。

TorrentBroadcast和HttpBroadcast都把数据存进了BlockManager做备份,但是TorrentBroadcast接着并没有把数据写入文件,或者采用了以下这种方式:

 

  def sendBroadcast(){
   //把数据给切分了,每4M一个分片
   val tInfo = TorrentBroadcast.blockifyObject(value_)
   totalBlocks = tInfo.totalBlocks
   totalBytes = tInfo.totalBytes
   hasBlocks = tInfo.totalBlocks
?
   //把分片的信息存到BlockManager,并通知Master
   val metaId = BroadcastBlockId(id,“ meta”)
   val metaInfo = TorrentInfo(null,totalBlocks,totalBytes)
   TorrentBroadcast.synchronized {
     SparkEnv.get.blockManager.putSingle(
       metaId,metaInfo,StorageLevel.MEMORY_AND_DISK,tellMaster = true)
  }
?
   //遍历所有分片,存到BlockManager上面,并通知Master
   为(i <-0直到totalBlocks){
     val pieceId = BroadcastBlockId(id,“ piece” + i)
     TorrentBroadcast.synchronized {
       SparkEnv.get.blockManager.putSingle(
         pieceId,tInfo.arrayOfBlocks(i),StorageLevel.MEMORY_AND_DISK,tellMaster = true)
    }
  }
}

1,把数据序列化之后,每4M切分一下。

2,切分完了之后,把所有分片写入BlockManager。

但是发现它们是怎么传播的??

未完待续!

6、相关参数
// BlockManager的最大内存
spark.storage.memoryFraction默认值0.6
//文件保存的位置
spark.local.dir默认为系统变量java.io.tmpdir的值
// tachyon保存的地址
spark.tachyonStore.url默认值tachyon:// localhost:19998
//默认不启用netty来传输shuffle的数据
spark.shuffle.use.netty默认值是false
spark.shuffle.sender.port默认值是0
//一个减少抓取映射中间结果的最大的同时抓取数量大小(以避免过度分配用于接收随机输出的内存)
spark.reducer.maxMbInFlight默认值是48 * 1024 * 1024
// TorrentBroadcast切分数据块的分片大小
spark.broadcast.blockSize默认为4096
//广播变量的工厂类
spark.broadcast.factory默认为org.apache.spark.broadcast.HttpBroadcastFactory,也可以设置为org.apache.spark.broadcast.TorrentBroadcastFactory
//压缩格式
spark.io.compression.codec默认为LZF,可以设置成Snappy或者Lzo

Spark原始码系列(五)分布式缓存

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