RDD（转）：一种基于内存的集群计算的容错性抽象方法(二)
2013-01-29 11:40 Polarisary 阅读(639) 评论(0) 编辑 收藏 举报弹性分布式数据集：一种基于内存的集群计算的容（一）：摘要，引言
2.弹性分布式数据集（RDD）
本部分描述RDD和编程模型。首先讨论设计目标（2.1），然后定义RDD（2.2），接着讨论Spark的编程模型（2.3），并给出一个示例（2.4），最后将RDD与分布式共享内存进行比较（2.5）。
2.1 目标和概述
我们的目标是为基于工作集（working set）的应用（即多个并行操作重用中间结果的这类应用）提供抽象，同时保持MapReduce及其相关模型的优势特性：即自动容错、位置感知性调度和可 伸缩性。RDD比数据流模型更易于编程，同时基于工作集的计算也具有良好的描述能力。
在这些特性中，最难实现的是容错性。一般来说，分布式数据集的容错性有两种方式：即数据检查点和记录数据的更新。我们面向的是大规模数据分析，数据 检查点操作成本很高：需要通过数据中心的网络连接在机器之间复制庞大的数据集，而网络带宽往往比内存带宽低得多，同时还需要消耗更多的存储资源（在RAM 中复制数据可以减少需要缓存的数据量，而存储到磁盘则会拖慢应用程序）。所以，我们选择记录更新的方式。但是，如果更新太多，那么记录更新成本也不低。因 此，RDD只支持粗粒度转换（coarse-grained transformation），即在大量记录上执行的单个操作。将创建RDD的一系列转换记录下来（即lineage），以便恢复丢失的分区。
虽然只支持粗粒度转换限制了编程模型，但我们发现RDD仍然可以很好地适用于很多应用，特别是支持数据并行的批量分析应用，包括数据挖掘，机器学 习，图算法等，因为这些程序通常都会在很多记录上执行相同的操作。RDD不太适合那些异步更新共享状态的应用，例如并行web爬行器。因此，我们的目标是 为大多数分析型应用提供有效的编程模型，而其他类型的应用交给专门的系统。
2.2 RDD抽象方法
RDD是只读的记录分区的集合。RDD只能通过在——（1）稳定物理存储中的数据集；（2）其他已有的RDD——上执行确定性 （deterministic）操作来创建。这些操作称之为转换（transformation），如map, filter, groupBy, join。（转换不是程序员在RDD上执行的操作。）
RDD不需要物化。RDD含有如何从其他RDD衍生（即计算）出本RDD的相关信息（即lineage），据此可以从物理存储的数据计算出相应的RDD分区（partition）。
2.3 编程模型
在Spark中，RDD被表示为对象，通过这些对象上的方法（或函数）调用转换（transformation）。
定义RDD之后，程序员就可以在Action中使用RDD了。行为Action是向应用程序返回值，或向存储系统导出数据的那些操作，例 如，count（返回RDD中的元素个数），collect（返回元素本身），save（将RDD输出到存储系统）。在Spark中，只有在action 第一次使用RDD时，才会计算RDD（即懒计算，lazily evaluated）。这样在构建RDD的时候，运行时以流水线的方式执行（pipeline）多个转换。
程序员还可以从两个方面控制RDD，即缓存（caching）和分区（partitioning）。用户可以请求将RDD缓存，这样运行时将已经计 算好的RDD分区存储起来，以加速后期的重用。缓存的RDD一般存储在内存中，但如果内存不够，可以溢出（spill）到磁盘。
另一方面，RDD还允许用户根据关键字（key）指定分区顺序，这是一个可选的功能。目前支持哈希分区（hash partition）和范围分区（range partition）。例如，应用程序请求将两个RDD按照同样的哈希分区方式进行分区（将同一机器上具有相同关键字的记录放在一个分区），以加速它们之 间的join操作。在Pregel和HaLoop中，多次迭代之间采用一致性的分区放置策略（Consistent partition placement）进行优化，我们同样也允许用户指定这种优化。
2.4 示例：控制台日志挖掘
本部分我们通过一个具体示例来阐述RDD。假定有一个大型网站出错，操作员想要检查Hadoop文件系统（HDFS）中的日志文件（TB级大小）来 找出原因。通过使用Spark，操作员只需将日志中的错误信息装载到一组节点的RAM中，然后执行交互式查询。首先她需要在Spark解释器中敲入以下 Scala命令：
lines = spark.textFile("hdfs://...")
errors = lines.filter(_.startsWith("ERROR"))
errors.cache()
第1行从HDFS文件定义了一个RDD（即一个文本行集合），第2行获得一个过滤后的RDD，第3行请求将errors缓存起来。注意在Scala语法中filter的参数是一个闭集（closure）。
这时集群还没有开始执行任何任务。但是，用户已经可以在这个RDD上执行action操作了，例如统计错误消息的数目：
errors.count()
用户还可以在RDD上执行更多的转换（transformation）操作，并使用转换结果，如：
//Count errors mentioning MySQL:
errors.filter(_.contains("MySQL")).count()
// Return the time fields of errors mentioning
// HDFS as an array (assuming time is field
// number 3 in a tab-separated format):
errors.filter(_.contains("HDFS"))
.map(_.split('\t')(3)).collect()
使用errors的第一个action运行以后，Spark会把errors的分区缓存在内存中，极大地加速了后续计算。注意，最初的RDD lines不会被缓存。因为错误信息可能只占原数据集的很小一部分（小到足以放入内存）。
最后，为了说明模型的容错性，图1给出了第3个查询的血统（lineage）关系图。在lines RDD上执行filter操作，得到errors，然后再filter、map后得到新的RDD，在这个RDD上执行collect行为。Spark调度 器以流水线的方式执行后两个转换，向拥有errors分区缓存的节点发送一组任务。此外，如果某个errors分区丢失，Spark只在相应的lines 分区上执行filter操作来重建该errors分区。
图1 示例中第三个查询的血统关系图。（方框表示RDD，箭头表示转换）
2.5 RDD与分布式共享内存
为了进一步理解RDD是一种分布式的内存抽象，表1列出了RDD与分布式共享内存（DSM，distributed shared memory）的对比。在DSM系统中，应用可以向全局地址空间的任意位置进行读写操作。（注意这里的DSM，不仅指传统的共享内存系统，还包括那些通过 分布式哈希表或分布式文件系统进行数据共享的系统，比如Piccolo。）DSM是一种通用的抽象，但这种通用性同时也使得在商用集群上实现有效的容错性 更加困难。
RDD与DSM主要区别在于，不仅可以通过批量转换创建（即“写”）RDD，还可以对任意内存位置读写。也就是说，RDD限制应用执行批量写操作， 这样有利于实现有效的容错。特别地，RDD没有检查点开销，因为可以使用lineage来恢复RDD。而且，失效时只需要重新计算丢失的那些RDD分区， 可以在不同节点上并行执行，而不需要回滚（roll back）整个程序。
| 对比项目 | RDD | 分布式共享内存 |
| 读 | 批量或细粒度操作 | 细粒度操作 |
| 写 | 批量转换操作 | 细粒度操作 |
| 一致性 | 不重要（RDD是不可更改的） | 取决于应用程序或运行时 |
| 容错性 | 细粒度，低开销使用血统（lineage） | 需要检查点操作和程序回滚 |
| 落后任务的处理 | 任务备份 | 很难处理 |
| 任务安排 | 基于数据存放的位置自动实现 | 取决于应用程序（通过运行时实现透明性） |
| 如果内存不够 | 与已有的数据流系统类似 | 性能较差（交换？） |
表1 RDD与分布式共享内存的对比
注意，通过备份任务的拷贝，RDD还可以处理落后任务（即运行很慢的节点），这点与MapReduce类似。而DSM则难以实现备份任务，因为任务及其副本都需要读写同一个内存位置。
与DSM相比，RDD模型有两个好处。第一，对于RDD中的批量操作，运行时将根据数据存放的位置来调度任务，从而提高性能。第二，对于基于扫描的操作，如果内存不足以缓存整个RDD，就进行部分缓存。把内存放不下的分区存储到磁盘上，此时性能与现有的数据流系统差不多。
最后看一下读操作的粒度。RDD上的很多行为（action，如count和collect）都是批量读操作，即扫描整个数据集，可以将任务分配到距离数据最近的节点上。同时，RDD也支持细粒度操作，即在哈希或范围分区的RDD上执行关键字查找。
