一、Spark组件

Spark的基本组件，包括负责集群运行的Master和Worker，负责作业运行的Client和Driver，以及负责集群资源管理器（如YARN）和执行单元Executor等。
从架构层面上来说，每一个Spark Application都由控制集群的主控节点Master、负责集群资源管理的Cluster Manager、执行具体任务的Worker节点和执行单元Executor、负责作业提交的Client端和负责作业控制的Driver进程组成。

SparkClient负责任务的提交，Driver进程通过运行用户定义的main函数，在集群上执行各种并发操作和计算。其中，SparkContext是应用程序与集群交互的唯一通道，主要包括：获取数据、交互操作、分析和构建DAG图、通过Scheduler调度任务、Block跟踪、Shuffle跟踪等。
用户通过Client提交一个程序给Driver之后，Driver会将所有RDD的依赖关联在一起绘制成一张DAG图；当运行任务时，调度Scheduler会配合组件Block Tracker和Shuffle Tracker进行工作；通过ClusterManager进行资源统一调配；具体任务在Worker节点进行，由Task线程池负责具体任务执行，线程池通过多个Task运行任务。由BlockManager进行存储管理，数据在内存中可以保存多份，一方面进行备份，另一方面支持RetryTask和StragglingTask快速恢复。

二、RDD视图

Spark的核心是基于RDD的抽象，可分为基于RDD数据的静态视图和基于Partition分区的动态视图。

上图对三个数据分片的计算任务，启动了三个Task任务，每个任务都需要单独作用于RDD数据集的代码，返回执行结果给新的RDD。

示例：word count计算

上图中ShulffledRDD产生宽依赖而将整个DAG图划分成两个Stage。第一个Stage由HadoopRDD到MapPartitionsRDD，生成ShuffleMapTask，第二个Stage由ShulffledRDD到MapPartitionsRDD，生成ResultTask。第一个Stage是由三个ShuffleMapTask通过Pipeline的方式并行执行，直至三个Task均执行结束至MapPartitionsRDD处。ShuffleMapTask会产生一些中间结果，而这些中间结果又是第二个Stage中ResultTask的输入。那么这些中间结果是如何递交至ResultTask的呢？ShuffleMapTask的返回值类型是MapStatus，其中包含一些计算的状态，而具体的中间结果则是写入磁盘；而ResultTask在调用ShuffleRDD时则是通过BlockManager去磁盘中读取中间结果。

三、DAG图

在图论中，如果一个有向图无法从任一顶点出发经过若干条边回到该点，则这个图是一个有向无环图（Directed Acyclic Graph，DAG）。
有向无环图是描述一项工程进行过程的有效工具。除最简单的情况之外，几乎所有的工程（project）都可分为若干个称为“活动”（activity）的子工程，而这些活动子工程之间，通常受着一定条件的约束，如其中某些子工程的开始必须在另一些子工程完成之后。
定义节点为活动，有向边的指向表示活动执行的次序。举例来说，假设有A、B、C、D一共四个数据集，其中B数据集依赖于A，C数据集依赖于B，D数据集依赖于C，针对A、B、C、D数据集的依赖关系绘制成一张图DAG图。

如上图所示，针对该DAG图，集合的顶点是A，通过有向边A→B，连接到集合B，B通过有向边B→C，连接到集合C，C通过有向边C→D，连接到集合D。这样，在集合的顶点A开始，沿着有序的边，最终循环再次回到A是不可能的。
在Spark中，DAG图绘制完毕，不会被立即执行，而是仅仅对数据集进行标记。

四、作业执行流程

提交作业有两种方式，分别是Driver运行在集群中，Driver运行在客户端。
基本概念：
（1）Stage，一个Spark作业一般包含一到多个Stage。
（2）Task，一个Stage包含一到多个Task，通过多个Task实现并行运行的功能。
（3）DAGScheduler，实现将Spark作业分解成一到多个Stage，每个Stage根据RDD的Partition个数决定Task的个数，然后生成相应的TaskSet放到TaskScheduler中。

1，基于Standalone模式的Spark架构

在Standalone模式下有两种运行方式：以Driver运行在Worker上和以Driver运行在客户端，如下图所示给出了Standalone模式下两种运行方式的架构。这两种运行方式可以通过参数–deploy-mode进行配置，默认是Client模式（即Driver运行在客户端）。集群启动Master与Worker进程，Master负责接收客户端提交的作业，管理Worker，并提供Web展示集群与作业信息。

整个框架下，各种进程角色如下。
（1）Master：主控节点，负责接收Client提交的作业，管理Worker，并命令Worker启动Driver和Executor。
（2）Worker：Slave节点上的守护进程，负责管理本节点的资源，定期向Master汇报心跳，接收Master的命令，启动Driver和Executor。
（3）Client：客户端进程，负责提交作业到Master。
（4）Driver：一个Spark作业运行时包括一个Driver进程，也是作业的主进程，负责DAG图的构建、Stage的划分、Task的管理及调度以及生成SchedulerBackend用于Akka通信。主要组件包括DAGScheduler、TaskScheduler及SchedulerBackend。
（5）Executor：执行作业的地方。每个Application一般会对应多个Worker，但是一个Application在每个Worker上只会产生一个Executor进程，每个Executor接收Driver的命令LaunchTask，一个Executor可以执行一到多个Task。

示例：提交一个任务到集群，以Standalone为例，首先启动Master，然后启动Worker，启动Worker时要向Master注册。

Standalone作业执行流程：
Master收到应用程序提交之后，需要注册并加载Driver，然后由Driver注册应用程序，由Master去Launch具体的Executor资源，由Driver去触发Executor进程Launch具体的Task。

作业执行流程详细描述：
客户端提交作业给Master，Master让一个Worker启动Driver，即SchedulerBackend。Worker创建一个DriverRunner线程，DriverRunner启动SchedulerBackend进程。另外，Master还会让其余Worker启动Executor，即ExecutorBackend。Worker创建一个ExecutorRunner线程，ExecutorRunner会启动ExecutorBackend进程。ExecutorBackend启动后会向Driver的SchedulerBackend注册。SchedulerBackend进程中包含DAGScheduler，它会根据用户程序生成执行计划，并调度执行。对于每个Stage的Task，都会被存放到TaskScheduler中，ExecutorBackend向SchedulerBackend汇报时把TaskScheduler中的Task调度到ExecutorBackend执行。所有Stage都完成后作业结束。

程序执行过程中，由Worker节点向Master发送心跳，随时汇报Worker的健康状况。
针对几种故障情况，给出了相应的处理方案：
第一种情况，Worker节点出现故障。Worker在退出之前，会将该Worker上的Executor杀掉；而Worker是需要定期发送心跳给Master的，Master通过心跳机制能够感知到该Worker节点的故障，而后将该情况汇报给Driver，并将该Worker从节点中移除；这样，Driver即可知道该Worker上对应的Executor已被杀死。
第二种情况，Executor出现问题。ExecutorRunner会将情况汇报给Master，从而Master便知道该Executor出现问题。但是此时运行该Executor的Worker是正常的，因此Master会发送LaunchExecutor指令给该Worker，让其再次启动一个Executor；而Worker收到LaunchExecutor指令后便再次启动Executor。
第三种情况，Master出现故障，通过Zookeeper搭建Master的HA，一个作为Active，其他的作为Standby，一旦Active节点出现故障，能够及时进行切换。
Driver运行在客户端，和Driver运行在Worker节点上类似，但也有几点不一样。

2，基于YARN模式的Spark架构

在YARN模式下有两种运行方式：Driver运行在集群NodeManager和Driver运行在客户端。

这里SparkAppMaster相当于Standalone模式下的SchedulerBackend，Executor相当于Standalone模式下的ExecutorBackend，SparkAppMaster包括DAGScheduler和YARNClusterScheduler。

Spark on YARN的作业执行机制：

基于YARN的Spark作业首先由客户端生成作业信息，提交给ResourceManager，ResourceManager在某一NodeManager汇报时把AppMaster分配给NodeManager，NodeManager启动SparkAppMaster，SparkAppMaster启动后初始化作业，然后向ResourceManager申请资源，申请到相应资源后SparkAppMaster通过RPC让NodeManager启动相应的SparkExecutor，SparkExecutor向SparkAppMaster汇报并完成相应的任务。此外，SparkClient会通过AppMaster获取作业运行状态。

五、作业事件流和调度分析

1，Spark任务处理事件流

任务提交到集群，集群将任务分配到具体的工作节点去处理。运行任务有4个参数：targetRDD、partitions、func和listeners。runJob会把代码提交给DAGScheduler，DAGScheduler将代码绘制成DAG图，而根据依赖关系又将DAG图划分成不同的Stage，对应多个TaskSet，TaskSet交给TaskScheduler，TaskScheduler与资源管理器进行交互，资源管理再根据不同的部署模式与集群进行交互，当然也可以在Local级别进行运行。TaskScheduler有自己的事件处理机制，task finish和stage failure都是事件触发的。

2，作业处理的调度框架

整个调度过程包括：生成RDD对象、构建DAGScheduler、任务调度、作业执行等几个部分。
（1）生成RDD对象过程中，根据输入RDD进行解析，构建操作DAG图（build operator DAG）。代码中RDD进行转换（transformation）操作是惰性（lazy）的，转换操作只会产生标记，并不立即执行，只有遇到执行（action）操作时，执行操作调用runJob方法，从而递交至DAGScheduler，并绘制DAG图，程序才会真正执行。
（2）构建DAGScheduler过程中，根据DAG图划分任务阶段（split graph into stages of tasks），并将按照阶段（Stage）提交任务集（TaskSet）。首先将整个DAG图划分成一个完整的Stage（也称为finalStage），然后从Stage中的最后一个RDD起往前回溯。在回溯过程中，不断判断RDD的依赖关系，如果是窄依赖（narrowdependncy）则继续回溯，如果是宽依赖（wide dependncy）则划分出一个新的Stage。从而将整个DAG图划分成多个Stage，每个Stage有一组Task组成。如果满足；localExecutionEnabled为真；allowLocal为真；finalStage没有父Stage；Partition数目为1这四个条件，则会在本地开启Local模式执行任务。否则，采取集群模式运行任务。只要满足该Stage没有未执行完毕的父Stage，则该Stage可以提交任务，并将任务集（TaskSet）作为Stage的参数提交。
（3）任务调度过程中，通过集群管理器分配资源启动具体任务（launch tasks via cluster manager），并重试失败或运行较慢任务（retry failed or straggling tasks）。
DAGScheduler递交给TaskScheduler的是TaskSet，SchedulerBackend通过makeOffers申请资源，通过resourceOffers调度资源。另外，TaskScheduler是通过TaskSetManager来管理这些Task的，当满足一定的条件，包括调度策略（FIFO和FAIR）以及延迟调度（数据本地性），则会将LaunchTask消息发送给ExecutorBackend。当有任务失败或者Straggling Tasks时，在TaskScheduler层面会重新计算这些Task，只有超出Task的范围上升至Stage或者DAG层面时，才会交由DAGScheduler进行处理。任务失败之后，Straggling Tasks采取的措施是开启同样的一个节点，并对这个节点进行计算。此时就有两个阶段对同一个任务进行计算。Spark采取的措施是看谁计算完，就要谁的结果。
（4）作业执行过程中，执行任务（execute task），存储并管理数据块（store and server block）。
ExecutorBackend在接收到LaunchTask消息后，会在Executor上执行LaunchTask操作。LaunchTask操作中，会生成新的TaskRunner，并以线程池的方式进行执行。在Task执行时，是需要区分Task是ShuffleMapTask还是ResultTask的，两者的返回也不一样。通过BlockMananger接口对存储进行管理，包括内存的读写和磁盘的读写。其中，Shuffle的中间结果是需要写入磁盘的。

六、Spark 作业运行时环境

Spark中每个应用程序都维护了自己的一套运行时环境，该运行时环境在应用程序开始时构建，在运行结束时销毁。相对于所有应用程序共用一套运行时环境的方式，极大地缓解了应用程序之间的相互影响。

1，Spark的运行原理

一个Spark运行时环境由4个阶段构成。
·阶段一：构建应用程序运行时环境。
·阶段二：将应用程序转换成DAG图。
·阶段三：按照依赖关系调度执行DAG图。
·阶段四：销毁应用程序运行时环境。

2，构建应用程序运行时环境

为了运行一个应用程序，Spark首先根据应用程序资源需求构建一个运行时环境，这是通过与资源管理器交互来完成的。通常而言，存在两种运行时环境构建方式：粗粒度和细粒度。
（1）粗粒度：应用程序被提交到集群之后，它在正式运行任务之前，将根据应用程序资源需求一次性将这些资源凑齐，之后使用这些资源运行任务，整个运行过程中不再申请新资源。
（2）细粒度：应用程序被提交到集群之后，动态向集群管理器申请资源，只要等到资源满足一个任务的运行，便开始运行该任务，而不必等到所有资源全部到位。目前，基于Hadoop的MapReduce就是基于细粒度运行时环境构建方式。
对于Spark on YARN，目前仅支持粗粒度构建方式。不管何种方式，除了启动任务相关的组件外，每个Executor还需要启动一个RDD缓存管理服务BlockManager，该服务采用了分布式Master/Slaves架构，其中，主控节点上启动Master服务BlockManagerMaster，它掌握了所有的RDD缓存位置，而从节点则启动Slave服务BlockManager，供客户端存取RDD使用。

3，应用程序转换成DAG

Spark将依赖分为窄依赖与宽依赖；在将应用程序转换成DAG的过程中，Spark的调度程序会检查依赖关系的类型，根据RDD依赖关系将应用程序划分为若干个Stage，每个Stage启动一定数目的任务进行并行处理。
Spark采用了贪心算法划分阶段，即如果子RDD的分区到父RDD的分区是窄依赖，就实施经典的Fusion（融合）优化，把对应的操作划分到一个Stage，如果连续的变换算子序列都是窄依赖，就可以把很多个操作并到一个Stage，直到遇到一个宽依赖。这不但减少了大量的全局屏障（barrier），而且无须物化很多中间结果RDD，可极大地提升性能，Spark把这个称为流水线（pipeline）。
宽依赖在一个执行中会跨越连续的Stage，同时需要显式指定多个子RDD的分区。

上图是来自Matei Zaharia撰写的论文An Architecture for Fast and General Data Processing on Large Clusters，说明了窄依赖与宽依赖之间的Stage划分。
一个Box代表一个RDD，一个带阴影的矩形框代表一个Partition，红色矩形框代表Cached Partition。
我们知道，一个Stage的边界，输入是外部存储或者一个Stage shuffle的结果；输出则是Job的结果（result task对应的stage）或者shuffle的结果。图5-11中Stage3的输入则是RDD A和RDD Fshuffle的结果。而A和F由于到B和G需要shuffle，因此需要划分到不同的stage。该DAG图最终被转化为三个Stage，每个阶段将启动多个任务并行处理。
DAGScheduler将Stage划分完成后，提交实际上是通过把Stage转换为TaskSet，然后通过TaskScheduler将计算任务最终提交到集群。

4，调度执行DAG图

在该阶段中，DAGScheduler将按照依赖关系调度执行每个Stage：优先选择那些不依赖任何阶段的Stage，待这些阶段执行完成后，再调度那些需要依赖的阶段已经运行完成的Stage。依次进行，这样一直调度下去，直到所有阶段运行完成。
在处理某个阶段时，Spark将为之启动一定数目的Task并行执行，为了提高任务的执行效率，Spark借鉴

MapReduce中的优化机制，包括数据本地性和推测执行：
（1）数据本地性，是指对任务进行调度时为算子选择数据匹配的节点，优先选择数据所在节点，其次选择数据所在机架上的节点，最后选择其他机架上的节点。针对输入数据量较少时本地性变差的情况采用了延迟调度（delay scheduling）机制，即当不存在满足本地性的资源时，暂时将资源分配给其他任务，直到出现满足本地性的资源或者达到设定的最大时间延迟。
（2）推测执行，当检查到同类任务中存在明显比较慢的任务时，尝试为这些比较慢的任务启动备份任务，并将最先完成任务的计算结果作为最终结果。DAG的推测执行开始于DAG的叶节点，往上追溯父RDD需要的依赖性，最终追溯到源节点。

相对于传统的MapReduce计算框架，Executor针对以下两个方面进行了改进：
（1）采取多线程执行具体的任务，减少了多进程任务频繁的启动开销，使任务执行变得非常可靠和高效。
（2）Executor上会有一个BlockManager存储模块，类似于KV系统（内存和磁盘共同作为存储设备），当需要多轮迭代时，可以将中间过程的数据先放到这个存储系统上，后续需要时直接读取该存储数据，而不需要读写到HDFS等相关的文件系统里；或者在交互式查询场景下，事先将表缓存到该存储系统上，提高读写IO性能。

典型的DAG执行流程如下：
（1）RDD直接从外部数据源（HDFS、本地文件等）创建。
（2）RDD经历一系列的Transformation（Map、flatMap、Filter、groupBy、Join），每一次都会产生不同的RDD，供给下一个Transformation使用。
（3）当触发Action（Count、Collect、Save、Take）时，将最后一个RDD进行转换，输出到外部数据源。
这一系列处理过程称为一个血统（lineage），即DAG拓扑排序的结果。在Lineage中生成的每个RDD都是不可变的。事实上，除非被缓存，每个RDD在进入下一个Transformation操作之前都只使用一次。

以人类进化的方式显示了基于RDD的血统进化图：

如果按照MapReduce，流程中任何一个步骤出了问题，都会重新计算，但是在Spark中，由于有血统Lineage的存在，可以采取中间持久化的方式进行容错处理，避免全部重新计算。
执行DAG的过程如下：首先应用程序创建SparkContext的实例，如实例为sc，这是应用程序与集群交互的唯一通道；其次，利用SparkContext的实例创建生成RDD，经过一连串的Transformation操作，原始的RDD转换成其他类型的RDD；最后，当Action作用于转换之后的RDD时，会调用SparkContext的runJob方法。sc.runmlil的调用是后面一连串反应的起点，提交应用程序进行针对性的计算。
任务执行完毕，将销毁运行时环境，释放应用程序占用的资源，归还给集群，以供其他程序使用。

5，Spark 作业执行 运行实例

示例：以从日志中找出标有“error”的记录为例，说明Spark的运行原理。

第一步，根据代码和集群交互，申请资源，初始化运行时环境。
第二步，将应用程序转换成DAG图。
将应用程序转换成DAG图，实质上是通过Spark的操作函数来标记各种RDD，关联各种RDD之间的依赖关系构成DAG图，并划分成不同的Stage。如图5-13所示，textFile、Filter、Map都属于Transformation操作，并不立即执行，而是处于延迟操作状态；Cache也是惰性（lazy）执行的，只有当Cache过的数据做Action操作时，才会将Cache的RDD缓存起来，供后续迭代使用。
第三步，按照依赖关系调度执行DAG图。
从HDFS文件中记录读取log（日志）的信息，产生MappedRDD；经过Filter过滤函数，结果产生FilteredRDD；使用Map执行分词取第一列的函数，返回新的MappedRDD；最后将其Cache在内存。
最后，执行完毕，销毁应用程序运行时环境，释放资源。

文章来源：《Spark核心技术与高级应用》 作者：于俊；向海；代其锋；马海平

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