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Spark笔记(十一)-SparkCore的调优之数据倾斜调优

By timebusker on June 25, 2018

数据倾斜发生时的现象

  • 绝大多数task执行得都非常快，但个别task执行极慢。比如，总共有1000个task，997个task都在1分钟之内执行完了，但是剩余两三个task却要一两个小时。这种情况很常见。

  • 原本能够正常执行的Spark作业，某天突然报出OOM（内存溢出）异常，观察异常栈，是我们写的业务代码造成的。这种情况比较少见。

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join等操作。 此时如果某个key对应的数据量特别大的话，就会发生数据倾斜。比如大部分key对应10条数据，但是个别key却对应了100万条数据， 那么大部分task可能就只会分配到10条数据，然后1秒钟就运行完了；但是个别task可能分配到了100万数据，要运行一两个小时。 因此，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内存溢出。

数据倾斜发生的原理

如何定位导致数据倾斜的代码

数据倾斜只会发生在shuffle过程中。常用的并且可能会触发shuffle操作的算子：distinct、groupByKey、reduceByKey、aggregateByKey、join、cogroup、repartition等。 出现数据倾斜时，可能就是你的代码中使用了这些算子中的某一个所导致的。

  • 具体是某个task执行特别慢的情况：可以在spark任务管理页面查看。http://xxx.xxx.xxx.xxx:4040

  • 具体是某个task莫名其妙内存溢出的情况：可以查看spark运行日志定位到你的代码中哪一行发生了内存溢出。然后在那行代码附近找找，一般也会有shuffle类算子，此时很可能就是这个算子导致了数据倾斜。

数据倾斜的解决方案

解决方案一：使用Hive ETL预处理数据

方案适用场景：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（比如某个key对应了100万数据，其他key才对应了10条数据），而且业务场景需要频繁使用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。

方案实现思路：此时可以评估一下，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），然后在Spark作业中针对的数据源就不是原来的Hive表了，而是预处理后的Hive表。此时由于数据已经预先进行过聚合或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。

方案实现原理：这种方案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，那么肯定就不会有数据倾斜的问题了。但是这里也要提醒一下大家，这种方式属于治标不治本。因为毕竟数据本身就存在分布不均匀的问题，所以Hive ETL中进行group by或者join等shuffle操作时，还是会出现数据倾斜，导致Hive ETL的速度很慢。我们只是把数据倾斜的发生提前到了Hive ETL中，避免Spark程序发生数据倾斜而已。

方案优点：实现起来简单便捷，效果还非常好，完全规避掉了数据倾斜，Spark作业的性能会大幅度提升。

方案缺点：治标不治本，Hive ETL中还是会发生数据倾斜。

方案实践经验：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。

解决方案二：过滤少数导致倾斜的key

方案适用场景：如果发现导致倾斜的key就少数几个，而且对计算本身的影响并不大的话，那么很适合使用这种方案。比如99%的key就对应10条数据，但是只有一个key对应了100万数据，从而导致了数据倾斜。

方案实现思路：如果我们判断那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特别重要的话，那么干脆就直接过滤掉那少数几个key。比如，在Spark SQL中可以使用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的数据量最多然后再进行过滤，那么可以使用sample算子对RDD进行采样，然后计算出每个key的数量，取数据量最多的key过滤掉即可。

方案实现原理：将导致数据倾斜的key给过滤掉之后，这些key就不会参与计算了，自然不可能产生数据倾斜。

方案优点：实现简单，而且效果也很好，可以完全规避掉数据倾斜。

方案缺点：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。

解决方案三：提高shuffle操作的并行度

方案适用场景：如果我们必须要对数据倾斜迎难而上，那么建议优先使用这种方案，因为这是处理数据倾斜最简单的一种方案。

方案实现思路：在对RDD执行shuffle算子时，给shuffle算子传入一个参数，比如reduceByKey(1000)，该参数就设置了这个shuffle算子执行时shuffle read task的数量。对于Spark SQL中的shuffle类语句，比如group by、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，该值默认是200，对于很多场景来说都有点过小。 数据倾斜发生的原理

方案实现原理：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。具体原理如下图所示。

方案优点：实现起来比较简单，可以有效缓解和减轻数据倾斜的影响。

方案缺点：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。

解决方案四：两阶段聚合（局部聚合+全局聚合）

方案适用场景：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。

方案实现思路：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)。

方案实现原理：将原本相同的key通过附加随机前缀的方式，变成多个不同的key，就可以让原本被一个task处理的数据分散到多个task上去做局部聚合，进而解决单个task处理数据量过多的问题。接着去除掉随机前缀，再次进行全局聚合，就可以得到最终的结果。具体原理见下图。 数据倾斜发生的原理

// 第一步，给RDD中的每个key都打上一个随机前缀。
JavaPairRDD<String, Long> randomPrefixRdd = rdd.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<Long,Long>, String, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<String, Long> call(Tuple2<Long, Long> tuple)
                    throws Exception {
                Random random = new Random();
                int prefix = random.nextInt(10);
                return new Tuple2<String, Long>(prefix + "_" + tuple._1, tuple._2);
            }
        });

// 第二步，对打上随机前缀的key进行局部聚合。
JavaPairRDD<String, Long> localAggrRdd = randomPrefixRdd.reduceByKey(
        new Function2<Long, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Long call(Long v1, Long v2) throws Exception {
                return v1 + v2;
            }
        });

// 第三步，去除RDD中每个key的随机前缀。
JavaPairRDD<Long, Long> removedRandomPrefixRdd = localAggrRdd.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<String,Long>, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<Long, Long> call(Tuple2<String, Long> tuple)
                    throws Exception {
                long originalKey = Long.valueOf(tuple._1.split("_")[1]);
                return new Tuple2<Long, Long>(originalKey, tuple._2);
            }
        });

// 第四步，对去除了随机前缀的RDD进行全局聚合。
JavaPairRDD<Long, Long> globalAggrRdd = removedRandomPrefixRdd.reduceByKey(
        new Function2<Long, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Long call(Long v1, Long v2) throws Exception {
                return v1 + v2;
            }
        });

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。

解决方案五：将reduce join转为map join

方案适用场景：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（比如几百M或者一两G），比较适用此方案。

方案实现思路：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类的操作，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；接着对另外一个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。

方案实现原理：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map join，此时就不会发生shuffle操作，也就不会发生数据倾斜。具体原理如下图所示。 数据倾斜发生的原理

// 首先将数据量比较小的RDD的数据，collect到Driver中来。
List<Tuple2<Long, Row>> rdd1Data = rdd1.collect()
// 然后使用Spark的广播功能，将小RDD的数据转换成广播变量，这样每个Executor就只有一份RDD的数据。
// 可以尽可能节省内存空间，并且减少网络传输性能开销。
final Broadcast<List<Tuple2<Long, Row>>> rdd1DataBroadcast = sc.broadcast(rdd1Data);

// 对另外一个RDD执行map类操作，而不再是join类操作。
JavaPairRDD<String, Tuple2<String, Row>> joinedRdd = rdd2.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<Long,String>, String, Tuple2<String, Row>>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<String, Tuple2<String, Row>> call(Tuple2<Long, String> tuple)
                    throws Exception {
                // 在算子函数中，通过广播变量，获取到本地Executor中的rdd1数据。
                List<Tuple2<Long, Row>> rdd1Data = rdd1DataBroadcast.value();
                // 可以将rdd1的数据转换为一个Map，便于后面进行join操作。
                Map<Long, Row> rdd1DataMap = new HashMap<Long, Row>();
                for(Tuple2<Long, Row> data : rdd1Data) {
                    rdd1DataMap.put(data._1, data._2);
                }
                // 获取当前RDD数据的key以及value。
                String key = tuple._1;
                String value = tuple._2;
                // 从rdd1数据Map中，根据key获取到可以join到的数据。
                Row rdd1Value = rdd1DataMap.get(key);
                return new Tuple2<String, String>(key, new Tuple2<String, Row>(value, rdd1Value));
            }
        });

// 这里得提示一下。
// 上面的做法，仅仅适用于rdd1中的key没有重复，全部是唯一的场景。
// 如果rdd1中有多个相同的key，那么就得用flatMap类的操作，在进行join的时候不能用map，而是得遍历rdd1所有数据进行join。
// rdd2中每条数据都可能会返回多条join后的数据。

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。

解决方案六：采样倾斜key并分拆join操作

方案适用场景：两个RDD/Hive表进行join的时候，如果数据量都比较大，无法采用“解决方案五”，那么此时可以看一下两个RDD/Hive表中的key分布情况。如果出现数据倾斜，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RDD/Hive表中的所有key都分布比较均匀，那么采用这个解决方案是比较合适的。

方案实现思路：

  • 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的数量，计算出来数据量最大的是哪几个key。
  • 然后将这几个key对应的数据从原来的RDD中拆分出来，形成一个单独的RDD，并给每个key都打上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，也过滤出来那几个倾斜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。
  • 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了。
  • 而另外两个普通的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，就是最终的join结果。

方案实现原理：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分拆成独立RDD，并附加随机前缀打散成n份去进行join，此时这几个key对应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了。具体原理见下图。 数据倾斜发生的原理

// 首先从包含了少数几个导致数据倾斜key的rdd1中，采样10%的样本数据。
JavaPairRDD<Long, String> sampledRDD = rdd1.sample(false, 0.1);

// 对样本数据RDD统计出每个key的出现次数，并按出现次数降序排序。
// 对降序排序后的数据，取出top 1或者top 100的数据，也就是key最多的前n个数据。
// 具体取出多少个数据量最多的key，由大家自己决定，我们这里就取1个作为示范。
JavaPairRDD<Long, Long> mappedSampledRDD = sampledRDD.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<Long,String>, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<Long, Long> call(Tuple2<Long, String> tuple)
                    throws Exception {
                return new Tuple2<Long, Long>(tuple._1, 1L);
            }     
        });
JavaPairRDD<Long, Long> countedSampledRDD = mappedSampledRDD.reduceByKey(
        new Function2<Long, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Long call(Long v1, Long v2) throws Exception {
                return v1 + v2;
            }
        });
JavaPairRDD<Long, Long> reversedSampledRDD = countedSampledRDD.mapToPair( 
        new PairFunction<Tuple2<Long,Long>, Long, Long>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<Long, Long> call(Tuple2<Long, Long> tuple)
                    throws Exception {
                return new Tuple2<Long, Long>(tuple._2, tuple._1);
            }
        });
final Long skewedUserid = reversedSampledRDD.sortByKey(false).take(1).get(0)._2;

// 从rdd1中分拆出导致数据倾斜的key，形成独立的RDD。
JavaPairRDD<Long, String> skewedRDD = rdd1.filter(
        new Function<Tuple2<Long,String>, Boolean>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Boolean call(Tuple2<Long, String> tuple) throws Exception {
                return tuple._1.equals(skewedUserid);
            }
        });
// 从rdd1中分拆出不导致数据倾斜的普通key，形成独立的RDD。
JavaPairRDD<Long, String> commonRDD = rdd1.filter(
        new Function<Tuple2<Long,String>, Boolean>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Boolean call(Tuple2<Long, String> tuple) throws Exception {
                return !tuple._1.equals(skewedUserid);
            } 
        });

// rdd2，就是那个所有key的分布相对较为均匀的rdd。
// 这里将rdd2中，前面获取到的key对应的数据，过滤出来，分拆成单独的rdd，并对rdd中的数据使用flatMap算子都扩容100倍。
// 对扩容的每条数据，都打上0～100的前缀。
JavaPairRDD<String, Row> skewedRdd2 = rdd2.filter(
         new Function<Tuple2<Long,Row>, Boolean>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Boolean call(Tuple2<Long, Row> tuple) throws Exception {
                return tuple._1.equals(skewedUserid);
            }
        }).flatMapToPair(new PairFlatMapFunction<Tuple2<Long,Row>, String, Row>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Iterable<Tuple2<String, Row>> call(
                    Tuple2<Long, Row> tuple) throws Exception {
                Random random = new Random();
                List<Tuple2<String, Row>> list = new ArrayList<Tuple2<String, Row>>();
                for(int i = 0; i < 100; i++) {
                    list.add(new Tuple2<String, Row>(i + "_" + tuple._1, tuple._2));
                }
                return list;
            }

        });

// 将rdd1中分拆出来的导致倾斜的key的独立rdd，每条数据都打上100以内的随机前缀。
// 然后将这个rdd1中分拆出来的独立rdd，与上面rdd2中分拆出来的独立rdd，进行join。
JavaPairRDD<Long, Tuple2<String, Row>> joinedRDD1 = skewedRDD.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<Long,String>, String, String>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<String, String> call(Tuple2<Long, String> tuple)
                    throws Exception {
                Random random = new Random();
                int prefix = random.nextInt(100);
                return new Tuple2<String, String>(prefix + "_" + tuple._1, tuple._2);
            }
        })
        .join(skewedUserid2infoRDD)
        .mapToPair(new PairFunction<Tuple2<String,Tuple2<String,Row>>, Long, Tuple2<String, Row>>() {
                        private static final long serialVersionUID = 1L;
                        @Override
                        public Tuple2<Long, Tuple2<String, Row>> call(
                            Tuple2<String, Tuple2<String, Row>> tuple)
                            throws Exception {
                            long key = Long.valueOf(tuple._1.split("_")[1]);
                            return new Tuple2<Long, Tuple2<String, Row>>(key, tuple._2);
                        }
                    });

// 将rdd1中分拆出来的包含普通key的独立rdd，直接与rdd2进行join。
JavaPairRDD<Long, Tuple2<String, Row>> joinedRDD2 = commonRDD.join(rdd2);

// 将倾斜key join后的结果与普通key join后的结果，uinon起来。
// 就是最终的join结果。
JavaPairRDD<Long, Tuple2<String, Row>> joinedRDD = joinedRDD1.union(joinedRDD2);

方案优点：对于join导致的数据倾斜，如果只是某几个key导致了倾斜，采用该方式可以用最有效的方式打散key进行join。而且只需要针对少数倾斜key对应的数据进行扩容n倍，不需要对全量数据进行扩容。避免了占用过多内存。

方案缺点：如果导致倾斜的key特别多的话，比如成千上万个key都导致数据倾斜，那么这种方式也不适合。

解决方案七：使用随机前缀和扩容RDD进行join

方案适用场景：如果在进行join操作时，RDD中有大量的key导致数据倾斜，那么进行分拆key也没什么意义，此时就只能使用最后一种方案来解决问题了。

方案实现思路： _ 该方案的实现思路基本和“解决方案六”类似，首先查看RDD/Hive表中的数据分布情况，找到那个造成数据倾斜的RDD/Hive表，比如有多个key都对应了超过1万条数据。 _ 然后将该RDD的每条数据都打上一个n以内的随机前缀。 _ 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。 _ 方案实现原理：将原先一样的key通过附加随机前缀变成不一样的key，然后就可以将这些处理后的“不同key”分散到多个task中去处理，而不是让一个task处理大量的相同key。该方案与“解决方案六”的不同之处就在于，上一种方案是尽量只对少数倾斜key对应的数据进行特殊处理，由于处理过程需要扩容RDD，因此上一种方案扩容RDD后对内存的占用并不大；而这一种方案是针对有大量倾斜key的情况，没法将部分key拆分出来进行单独处理，因此只能对整个RDD进行数据扩容，对内存资源要求很高。

方案优点：对join类型的数据倾斜基本都可以处理，而且效果也相对比较显著，性能提升效果非常不错。

方案缺点：该方案更多的是缓解数据倾斜，而不是彻底避免数据倾斜。而且需要对整个RDD进行扩容，对内存资源要求很高。

// 首先将其中一个key分布相对较为均匀的RDD膨胀100倍。
JavaPairRDD<String, Row> expandedRDD = rdd1.flatMapToPair(
        new PairFlatMapFunction<Tuple2<Long,Row>, String, Row>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Iterable<Tuple2<String, Row>> call(Tuple2<Long, Row> tuple)
                    throws Exception {
                List<Tuple2<String, Row>> list = new ArrayList<Tuple2<String, Row>>();
                for(int i = 0; i < 100; i++) {
                    list.add(new Tuple2<String, Row>(0 + "_" + tuple._1, tuple._2));
                }
                return list;
            }
        });

// 其次，将另一个有数据倾斜key的RDD，每条数据都打上100以内的随机前缀。
JavaPairRDD<String, String> mappedRDD = rdd2.mapToPair(
        new PairFunction<Tuple2<Long,String>, String, String>() {
            private static final long serialVersionUID = 1L;
            @Override
            public Tuple2<String, String> call(Tuple2<Long, String> tuple)
                    throws Exception {
                Random random = new Random();
                int prefix = random.nextInt(100);
                return new Tuple2<String, String>(prefix + "_" + tuple._1, tuple._2);
            }
        });

// 将两个处理后的RDD进行join即可。
JavaPairRDD<String, Tuple2<String, Row>> joinedRDD = mappedRDD.join(expandedRDD);

解决方案八：多种方案组合使用

在实践中发现，很多情况下，如果只是处理较为简单的数据倾斜场景，那么使用上述方案中的某一种基本就可以解决。 但是如果要处理一个较为复杂的数据倾斜场景，那么可能需要将多种方案组合起来使用。比如说，我们针对出现了多个数据倾斜环节的Spark作业， 可以先运用解决方案一和二，预处理一部分数据，并过滤一部分数据来缓解；其次可以对某些shuffle操作提升并行度，优化其性能； 最后还可以针对不同的聚合或join操作，选择一种方案来优化其性能。大家需要对这些方案的思路和原理都透彻理解之后， 在实践中根据各种不同的情况，灵活运用多种方案，来解决自己的数据倾斜问题。

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