7.spark core之数据分区
简介spark一个最重要的特性就是对数据集在各个节点的分区进行控制。控制数据分布可以减少网络开销，极大地提升整体性能。
只有Pair RDD才有分区，非Pair RDD分区的值是None。如果RDD只被扫描一次，没必要预先分区处理；如果RDD多次在诸如连接这种基于键的操作中使用时，分区才有作用。
分区器
分区器决定了RDD的分区个数及每条数据最终属于哪个分区。
spark提供了两个分区器：HashPartitioner和RangePartitioner,它们都继承于org.apache.spark.Partitioner类并实现三个方法。
[*]numPartitions: Int: 指定分区数
[*]getPartition(key: Any): Int: 分区编号（0~numPartitions-1）
[*]equals(): 检查分区器对象是否和其他分区器实例相同，判断两个RDD分区方式是否一样。
HashPartitioner分区
HashPartitioner分区执行原理：对于给定的key，计算其hashCode，再除以分区数取余，最后的值就是这个key所属的分区ID。实现如下：
class HashPartitioner(partitions: Int) extends Partitioner {
require(partitions >= 0, s"Number of partitions ($partitions) cannot be negative.")
def numPartitions: Int = partitions
def getPartition(key: Any): Int = key match {
case null => 0
case _ => Utils.nonNegativeMod(key.hashCode, numPartitions)
}
override def equals(other: Any): Boolean = other match {
case h: HashPartitioner =>
h.numPartitions == numPartitions
case _ =>
false
}
override def hashCode: Int = numPartitions
}
RangePartitioner分区
HashPartitioner分区可能导致每个分区中数据量的不均匀。而RangePartitioner分区则尽量保证每个分区中数据量的均匀，将一定范围内的数映射到某一个分区内。分区与分区之间数据是有序的，但分区内的元素是不能保证顺序的。
RangePartitioner分区执行原理：
[*]计算总体的数据抽样大小sampleSize，计算规则是：至少每个分区抽取20个数据或者最多1M的数据量。
[*]根据sampleSize和分区数量计算每个分区的数据抽样样本数量sampleSizePrePartition
[*]调用RangePartitioner的sketch函数进行数据抽样，计算出每个分区的样本。
[*]计算样本的整体占比以及数据量过多的数据分区，防止数据倾斜。
[*]对于数据量比较多的RDD分区调用RDD的sample函数API重新进行数据抽取。
[*]将最终的样本数据通过RangePartitoner的determineBounds函数进行数据排序分配，计算出rangeBounds。
class RangePartitioner(
partitions: Int,
rdd: RDD[_ = 0, s"Number of partitions cannot be negative but found $partitions.")
// 获取RDD中K类型数据的排序器
private var ordering = implicitly]
// An array of upper bounds for the first (partitions - 1) partitions
private var rangeBounds: Array = {
if (partitions
if (fraction * n > sampleSizePerPartition) {
// 如果fraction乘以当前分区中的数据量大于之前计算的每个分区的抽象数据大小，那么表示当前分区抽取的数据太少了，该分区数据分布不均衡，需要重新抽取
imbalancedPartitions += idx
} else {
// 当前分区不属于数据分布不均衡的分区，计算占比权重，并添加到candidates集合中
// The weight is 1 over the sampling probability.
val weight = (n.toDouble / sample.size).toFloat
for (key(x, weight))
}
// 将最终的抽样数据计算出rangeBounds出来
RangePartitioner.determineBounds(candidates, partitions)
}
}
}
// 下一个RDD的分区数量是rangeBounds数组中元素数量+ 1个
def numPartitions: Int = rangeBounds.length + 1
// 二分查找器，内部使用java中的Arrays类提供的二分查找方法
private var binarySearch: ((Array, K) => Int) = CollectionsUtils.makeBinarySearch
// 根据RDD的key值返回对应的分区id。从0开始
def getPartition(key: Any): Int = {
// 强制转换key类型为RDD中原本的数据类型
val k = key.asInstanceOf
var partition = 0
if (rangeBounds.lengthrangeBounds.length) {
partition = rangeBounds.length
}
}
// 根据数据排序是升序还是降序进行数据的排列，默认为升序
if (ascending) {
partition
} else {
rangeBounds.length - partition
}
}
影响分区的算子操作
影响分区的算子操作有：cogroup()、groupWith()、join()、leftOuterJoin()、rightOuterJoin()、groupByKey()、reduceByKey()、combineByKey()、partitionBy()、repartition()、coalesce()、sort()、mapValues()(如果父RDD有分区方式)、flatMapValues()(如果父RDD有分区方式)。
对于执行两个RDD的算子操作，输出数据的分区方式取决于父RDD的分区方式。默认情况下，结果会采用哈希分区，分区的数量和操作的并行度一样。不过，如果其中一个父RDD设置过分区方式，结果就采用那种分区方式；如果两个父RDD都设置过分区方式，结果RDD采用第一个父RDD的分区方式。
repartition和partitionBy的区别
repartition 和 partitionBy 都是对数据进行重新分区，默认都是使用 HashPartitioner。但是二者之间的区别有：
[*]partitionBy只能用于Pair RDD
[*]都作用于Pair RDD时，结果也不一样
其实partitionBy的结果才是我们所预期的。repartition 其实使用了一个随机生成的数来当作 key，而不是使用原来的key。
def repartition(numPartitions: Int)(implicit ord: Ordering = null): RDD = withScope {
coalesce(numPartitions, shuffle = true)
}
def coalesce(numPartitions: Int, shuffle: Boolean = false)(implicit ord: Ordering = null)
: RDD = withScope {
if (shuffle) {
/** Distributes elements evenly across output partitions, starting from a random partition. */
val distributePartition = (index: Int, items: Iterator) => {
var position = (new Random(index)).nextInt(numPartitions)
items.map { t =>
// Note that the hash code of the key will just be the key itself. The HashPartitioner
// will mod it with the number of total partitions.
position = position + 1
(position, t)
}
} : Iterator[(Int, T)]
// include a shuffle step so that our upstream tasks are still distributed
new CoalescedRDD(
new ShuffledRDD(mapPartitionsWithIndex(distributePartition),
new HashPartitioner(numPartitions)),
numPartitions).values
} else {
new CoalescedRDD(this, numPartitions)
}
}
repartition和coalesce的区别
两个算子都是对RDD的分区进行重新划分，repartition只是coalesce接口中shuffle为true的简易实现，（假设RDD有N个分区，需要重新划分成M个分区）
[*]NM并且N和M相差不多(假如N是1000，M是100)，这时可以将shuffle设置为false，不进行shuffle过程，父RDD和子RDD之间是窄依赖关系。在shuffle为false的情况下，如果NM并且两者相差悬殊，这时如果将shuffle设置为false，父子RDD是窄依赖关系，同处在一个Stage中，就可能造成spark程序的并行度不够，从而影响性能。如果在M为1的时候，为了使coalesce之前的操作有更好的并行度，可以将shuffle设置为true。
实例分析
需求
统计用户访问其未订阅主题页面的情况。
[*]用户信息表：由(UserID,UserInfo)组成的RDD，UserInfo包含该用户所订阅的主题列表。
[*]事件表：由(UserID,LinkInfo)组成的RDD，存放着每五分钟内网站各用户访问情况。
代码实现
val sc = new SparkContext()
val userData = sc.sequenceFile("hdfs://...").persist
def processNewLogs(logFileName:String){
val events = sc.sequenceFile(logFileName)
//RDD of (UserID,(UserInfo,LinkInfo)) pairs
val joined = usersData.join(events)
val offTopicVisits = joined.filter {
// Expand the tuple into its components
case (userId, (userInfo, linkInfo)) =>
!userInfo.topics.contains(linkInfo.topic)
}.count()
println("Number of visits to non-subscribed opics: " + offTopicVisits)
}
缺点
连接操作会将两个数据集中的所有键的哈希值都求出来，将哈希值相同的记录通过网络传到同一台机器上，然后再对所有键相同的记录进行连接操作。userData表数据量很大，所以这样进行哈希计算和跨节点数据混洗非常耗时。
改进代码实现
val userData = sc.sequenceFile("hdfs://...")
.partionBy(new HashPartiotioner(100))
.persist()
优点
userData表进行了重新分区，将键相同的数据都放在一个分区中。然后调用persist持久化结果数据，不用每次都计算哈希和跨节点混洗。程序运行速度显著提升。
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