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Spark 数据倾斜调优10策(三)

来源:千锋教育
发布:wjy
2022-06-22

  三、 数据倾斜解决方案

  3.1 Hive ETL处理

  3.1.1 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

  3.1.2 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。

  3.1.3 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。

  3.1.4 方案优缺点

  * 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。

  * 缺点:治标不治本,Hive ETL中还是会发生数据倾斜。

  3.1.5 企业最佳实践

  * 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。

  * 在美团·点评的交互式用户行为分析系统中使用了这种方案,该系统主要是允许用户通过 Java Web 系统 提交数据分析统计任务,后端通过Java 提交 Spark作业进行数据分析统计。要求 Spark 作业速度必须要 快,尽量在10 分钟以内,否则速度太慢,用户体验会很差。所以我们将有些 Spark 作业的shuffle操作 提前到了Hive ETL中,从而让 Spark 直接使用预处理的 Hive 中间表,尽可能地减少 Spark 的 shuffle操 作,大幅度提升了性能,将部分作业的性能提升了6倍以上。

  3.2 调整shuffle操作的并行度

  3.2.1 适用场景

  大量不同的Key被分配到了相同的Task造成该Task数据量过大。

  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。但是也是一种属于碰运气的方案。因为这种方案,并不能让你一定解决数据倾斜,甚至有可能 加重。那当然,总归,你会调整到一个合适的并行度是能解决的。前提是这种方案适用于 Hash散列的 分区方式。凑巧的是,各种分布式计算引擎,比如MapReduce,Spark 等默认都是使用 Hash散列的方 式来进行数据分区。

  Spark 在做 Shuffle 时,默认使用 HashPartitioner(非Hash Shuffle)对数据进行分区。如果并行度设 置的不合适,可能造成大量不相同的 Key 对应的数据被分配到了同一个 Task 上,造成该 Task 所处理 的数据远大于其它 Task,从而造成数据倾斜。

  如果调整 Shuffle 时的并行度,使得原本被分配到同一 Task 的不同 Key 发配到不同 Task 上处理,则可 降低原 Task 所需处理的数据量,从而缓解数据倾斜问题造成的短板效应。

  3.2.2 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 readTask 的并行度,该值默认是 200,对于很多场景来说都有点过小。

  3.2.3 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。

  一句话总结:调整并行度分散同一个 Task的不同 Key,之前由于运气比较差,多个数据比较多的 key 都分布式在同一个 Task 上,如果调整了并行度,极大可能会让这些 key 分布式到不同的 Task,有效缓 解数据倾斜。

01

 

  3.2.4 方案优缺点

  * 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。实现简单,可在需要Shuffle的操作算子上直接设 置并行度或者使用spark.default.parallelism设置。如果是Spark SQL,还可通过SET spark.sql.shuffle.partitions=[num_tasks]设置并行度。可用最小的代价解决问题。一般如果出现 数据倾斜,都可以通过这种方法先试验几次,如果问题未解决,再尝试其它方法。

  * 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。适用场景少,只能将分配到 同一Task的不同Key分散开,但对于同一Key倾斜严重的情况该方法并不适用。并且该方法一般只能缓解数据 倾斜,没有彻底消除问题。从实践经验来看,其效果一般。

  3.2.5 企业最佳实践

  * 该方案通常无法彻底解决数据倾斜,因为如果出现一些极端情况,比如某个key对应的数据量有100万, 那么无论你的task数量增加到多少,这个对应着100万数据的key肯定还是会分配到一个task中去处理, 因此注定还是会发生数据倾斜的。所以这种方案只能说是在发现数据倾斜时尝试使用的第一种手段,尝 试去用嘴简单的方法缓解数据倾斜而已,或者是和其他方案结合起来使用

  3.3 过滤少数导致倾斜的key

  3.3.1 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。

  3.3.2 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 SparkCore 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。

  3.2.3 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。

  3.3.4 方案优缺点

  * 优点:实现简单,而且效果也很好,可以完全规避掉数据倾斜。

  * 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

  3.3.5 企业最佳实践

  * 在项目中我们也采用过这种方案解决数据倾斜。有一次发现某一天 Spark 作业在运行的时候突然 OOM 了,追查之后发现,是 Hive 表中的某一个 key 在那天数据异常,导致数据量暴增。因此就采取每次执 行前先进行采样,计算出样本中数据量最大的几个 key 之后,直接在程序中将那些key给过滤掉。

  3.4 将reduce join转为map join

  3.4.1 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。

  在分布式计算引擎中,实现Join的思路有两种: 1、MapJoin,顾名思义,Join逻辑的完成是在 Mapper 阶段就完成了,这是假定执行的是 MapReduce任务,如果是 Spark任务,表示只用一个 Stage 就执行完了 Join 操作。

  * 优点:避免了两阶段之间的shuffle,效率高,没有shuffle也就没有了倾斜。

  * 缺点:多使用内存资源,只适合大小表做join的场景

  2、ReduceJoin,顾名思义,Join逻辑的完成是在 Reducer 阶段完成的。那么如果是MapReduce任 务,则表示 Maper阶段执行完之后把数据 Shuffle到 Reducer阶段来执行 Join 逻辑,那么就可能导致数 据倾斜。如果是 Spark任务,意味着,上一个stage的执行结果数据shuffle到 下一个stage中来完成 Join 操作,同样也可能产生数据倾斜。

  * 优点:这是一种通用的join,在不产生数据倾斜的情况下,能完成各种类型的join

  * 缺点:会发生数据倾斜的情况

  3.4.2 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。

  3.4.3 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。

  3.4.4 方案优缺点

  * 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。

  * 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。

  3.5 采样倾斜 key并分拆 join操作

  3.5.1 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3.5方案,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。

  3.5.2 实现思路

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 而另外两个普通的RDD就照常join即可。

  6. 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。

  3.5.3 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。

  3.5.4 方案优缺点

  * 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。

  * 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。

  3.6 两阶段聚合(局部聚合+全局聚合)

  3.6.1 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。

  3.6.2 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(1hello, 1) (1hello, 1) (2hello, 1) (2hello, 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(1hello, 2) (2hello, 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)。

  3.6.3 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。

Spark 数据倾斜调优10策02

 

  3.6.4 方案优缺点

  * 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。

  * 缺点: 仅仅适用于聚合类的shuffle操作,适用范围相对较窄。如果是join类的shuffle操作,还得用其他的解决 方案。

  3.7 使用随机前缀和扩容 RDD 进行 join

  3.7.1 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。

  3.7.2 实现思路

  1. 该方案的实现思路基本和3.5方案类似,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。

  2. 然后将该RDD的每条数据都打上一个n以内的随机前缀。

  3. 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。

  4. 最后将两个处理后的RDD进行join即可。

  3.7.3 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3.6方案的不同之处就在于,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。

Spark 数据倾斜调优10策03

 

  3.7.4 方案优缺点

  * 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。

  * 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。

  3.7.5 企业最佳实践

  * 开发一个数据需求的时候,发现一个join导致了数据倾斜。优化之前,作业的执行时间大约是60分钟左右;使用该方案优化之后,执行时间缩短到10分钟左右,性能提升了6倍。

  3.8 任务横切,一分为二,单独处理

  3.8.1 适用场景

  有时候,一个Spark应用程序中,导致倾斜的因素不是一个单一的,比如有一部分倾斜的因素是null, 有一部分倾斜的因素是某些个key分布特别多。那么拆分出来也得使用不同的手段来处理

  3.8.2 实现思路

  在了解清楚数据的分布规律,以及确定了数据倾斜是由何种原因导致的,那么按照这些原因,进行数据的拆分,然后单独处理每个部分的数据,最后把结果合起来。

  3.8.3 实现原理

  3.6方案其实是一种纵切,3.8方案就是一种横切。原理同思路。

  3.8.4 方案优缺点

  * 优点: 将多种简单的方案综合起来,解决一个复杂的问题。可以算上一种万能的方案。

  * 缺点: 确定数据倾斜的因素比较复杂,导致解决该数据倾斜的方案比较难实现落地。代码复杂度也较高。

  3.9 多方案组合使用

  * 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3.1和3.2方案,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。

  * 如果这多种方案,组合使用也不行,最后一招:自定义分区规则

  3.10 自定义Partitioner

  3.10.1 适用场景

  大量不同的Key被分配到了相同的Task造成该Task数据量过大。

  3.10.2 实现思路

  先通过抽样,了解数据的 key 的分布规律,然后根据规律,去定制自己的数据分区规则,尽量保证所有 的 Task 的数据量相差无几。

  3.10.3 实现原理

  使用自定义的 Partitioner(默认为HashPartitioner),将原本被分配到同一个 Task 的不同 Key 分配 到不同 Task。

  3.10.4 分区方案

  • 随机分区

  * 优点: 数据分布均匀

  * 缺点: 具有相同特点的数据不会保证被分配到相同的分区

  • 轮询分区

  * 优点: 确保一定不会出现数据倾斜

  * 缺点: 无法根据存储/计算能力分配存储/计算压力

  • Hash散列

  * 优点: 具有相同特点的数据保证被分配到相同的分区

  * 缺点: 极容易产生数据倾斜

  • 范围分区

  * 优点: 相邻的数据都在相同的分区

  * 缺点: 部分分区的数据量会超出其他的分区,需要进行裂变以保持所有分区的数据量是均匀的,如果每个分区不排序,那么裂变就会非常困难

  3.10.5 方案优缺点

  * 优点: 灵活,通用。

  * 缺点: 必须根据对应的场景设计合理的分区方案。没有现成的方案可用,需临时实现。

  四、案例

  4.1 问题

  如果是两张特大宽表做 Join 怎么办?

  # 解决方案: 位图法

  4.2 例子

  最近7天连续登录的用户有哪些?假如每天登陆的用户存在多张表或者一张表的多个分区中。如果用户基数很高比如10亿。 那Join的方案将会比较低效。位图解决是一个不错的方案

  4.3 实现思路

  对每一天的用户登陆数据维护一个Bitmap, 如果用户登录对应的Bitmap位就置为1。将7个Bitmap按位求与,就可以得到7天连续登录的用户了。

Spark 数据倾斜调优10策04

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