最近因为手抖，在Spark中给自己挖了一个数据倾斜的坑。为了解决这个问题，顺便研究了下Spark分区器的原理，趁着周末加班总结一下~
先说说数据倾斜
数据倾斜是指Spark中的RDD在计算的时候，每个RDD内部的分区包含的数据不平均。比如一共有5个分区，其中一个占有了90%的数据，这就导致本来5个分区可以5个人一起并行干活，结果四个人不怎么干活，工作全都压到一个人身上了。遇到这种问题，网上有很多的解决办法：
比如这篇写的就不错：
但是如果是底层数据的问题，无论怎么优化，还是无法解决数据倾斜的。
比如你想要对某个rdd做groupby，然后做join操作，如果分组的key就是分布不均匀的，那么真样都是无法优化的。因为一旦这个key被切分，就无法完整的做join了，如果不对这个key切分，必然会造成对应的分区数据倾斜。
不过，了解数据为什么会倾斜还是很重要的，继续往下看吧！
分区的作用
在PairRDD即（key,value）这种格式的rdd中，很多操作都是基于key的，因此为了独立分割任务，会按照key对数据进行重组。比如groupbykey
重组肯定是需要一个规则的，最常见的就是基于Hash，Spark还提供了一种稍微复杂点的基于抽样的Range分区方法。
下面我们先看看分区器在Spark计算流程中是怎么使用的：
Paritioner的使用
就拿groupbykey来说：
def groupByKey(): JavaPairRDD[K, JIterable[V]] =
fromRDD(groupByResultToJava(rdd.groupByKey()))它会调用PairRDDFunction的groupByKey()方法
def groupByKey(): RDD[(K, Iterable[V])] = self.withScope {
groupByKey(defaultPartitioner(self))
}在这个方法里面创建了默认的分区器。默认的分区器是这样定义的：
def defaultPartitioner(rdd: RDD[_], others: RDD[_]*): Partitioner = {
val bySize = (Seq(rdd) ++ others).sortBy(_.partitions.size).reverse
for (r <- bySize if r.partitioner.isDefined && r.partitioner.get.numPartitions > 0) {
return r.partitioner.get
}
if (rdd.context.conf.contains("spark.default.parallelism")) {
new HashPartitioner(rdd.context.defaultParallelism)
} else {
new HashPartitioner(bySize.head.partitions.size)
}
}首先获取当前分区的分区个数，如果没有设置spark.default.parallelism参数，则创建一个跟之前分区个数一样的Hash分区器。
当然，用户也可以自定义分区器，或者使用其他提供的分区器。API里面也是支持的：
// 传入分区器对象
def groupByKey(partitioner: Partitioner): JavaPairRDD[K, JIterable[V]] =
fromRDD(groupByResultToJava(rdd.groupByKey(partitioner)))
// 传入分区的个数
def groupByKey(numPartitions: Int): JavaPairRDD[K, JIterable[V]] =
fromRDD(groupByResultToJava(rdd.groupByKey(numPartitions)))HashPatitioner
Hash分区器，是最简单也是默认提供的分区器，了解它的分区规则，对我们处理数据倾斜或者设计分组的key时，还是很有帮助的。
class HashPartitioner(partitions: Int) extends Partitioner {
require(partitions >= 0, s"Number of partitions ($partitions) cannot be negative.")
def numPartitions: Int = partitions
// 通过key计算其HashCode，并根据分区数取模。如果结果小于0，直接加上分区数。
def getPartition(key: Any): Int = key match {
case null => 0
case _ => Utils.nonNegativeMod(key.hashCode, numPartitions)
}
// 对比两个分区器是否相同，直接对比其分区个数就行
override def equals(other: Any): Boolean = other match {
case h: HashPartitioner =>
h.numPartitions == numPartitions
case _ =>
false
}
override def hashCode: Int = numPartitions
}这里最重要的是这个Utils.nonNegativeMod(key.hashCode, numPartitions),它决定了数据进入到哪个分区。
def nonNegativeMod(x: Int, mod: Int): Int = {
val rawMod = x % mod
rawMod + (if (rawMod < 0) mod else 0)
}说白了，就是基于这个key获取它的hashCode，然后对分区个数取模。由于HashCode可能为负，这里直接判断下，如果小于0，再加上分区个数即可。
因此，基于hash的分区，只要保证你的key是分散的，那么最终数据就不会出现数据倾斜的情况。
RangePartitioner
这个分区器，适合想要把数据打散的场景，但是如果相同的key重复量很大，依然会出现数据倾斜的情况。
每个分区器，最核心的方法，就是getPartition
def getPartition(key: Any): Int = {
val k = key.asInstanceOf[K]
var partition = 0
if (rangeBounds.length <= 128) {
// If we have less than 128 partitions naive search
while (partition < rangeBounds.length && ordering.gt(k, rangeBounds(partition))) {
partition += 1
}
} else {
// Determine which binary search method to use only once.
partition = binarySearch(rangeBounds, k)
// binarySearch either returns the match location or -[insertion point]-1
if (partition < 0) {
partition = -partition-1
}
if (partition > rangeBounds.length) {
partition = rangeBounds.length
}
}
if (ascending) {
partition
} else {
rangeBounds.length - partition
}
}在range分区中，会存储一个边界的数组，比如[1,100,200,300,400]，然后对比传进来的key，返回对应的分区id。
那么这个边界是怎么确定的呢？
这就是Range分区最核心的算法了，大概描述下，就是遍历每个paritiion，对里面的数据进行抽样，把抽样的数据进行排序，并按照对应的权重确定边界。
有几个比较重要的地方：
- 1 抽样
- 2 确定边界
关于抽样，有一个很常见的算法题，即在不知道数据规模的情况下，如何以等概率的方式，随机选择一个值。
最笨的办法，就是遍历一次数据，知道数据的规模，然后随机一个数，取其对应的值。其实这样相当于遍历了两次（第二次的取值根据不同的存储介质，可能不同）。
在Spark中，是使用水塘抽样这种算法。即首先取第一个值，然后依次往后遍历；第二个值有二分之一的几率替换选出来的值；第三个值有三分之一的几率替换选出来的值；...；直到遍历到最后一个值。这样，通过依次遍历就取出来随机的数值了。
算法参考源码：
private var rangeBounds: Array[K] = {
if (partitions <= 1) {
Array.empty
} else {
// This is the sample size we need to have roughly balanced output partitions, capped at 1M.
// 最大采样数量不能超过1M。比如，如果分区是5，采样数为100
val sampleSize = math.min(20.0 * partitions, 1e6)
// Assume the input partitions are roughly balanced and over-sample a little bit.
// 每个分区的采样数为平均值的三倍，避免数据倾斜造成的数据量过少
val sampleSizePerPartition = math.ceil(3.0 * sampleSize / rdd.partitions.size).toInt
// 真正的采样算法(参数1:rdd的key数组， 采样个数)
val (numItems, sketched) = RangePartitioner.sketch(rdd.map(_._1), sampleSizePerPartition)
if (numItems == 0L) {
Array.empty
} else {
// If a partition contains much more than the average number of items, we re-sample from it
// to ensure that enough items are collected from that partition.
// 如果有的分区包含的数量远超过平均值，那么需要对它重新采样。每个分区的采样数/采样返回的总的记录数
val fraction = math.min(sampleSize / math.max(numItems, 1L), 1.0)
//保存有效的采样数
val candidates = ArrayBuffer.empty[(K, Float)]
//保存数据倾斜导致的采样数过多的信息
val imbalancedPartitions = mutable.Set.empty[Int]
sketched.foreach { case (idx, n, sample) =>
if (fraction * n > sampleSizePerPartition) {
imbalancedPartitions += idx
} else {
// The weight is 1 over the sampling probability.
val weight = (n.toDouble / sample.size).toFloat
for (key <- sample) {
candidates += ((key, weight))
}
}
}
if (imbalancedPartitions.nonEmpty) {
// Re-sample imbalanced partitions with the desired sampling probability.
val imbalanced = new PartitionPruningRDD(rdd.map(_._1), imbalancedPartitions.contains)
val seed = byteswap32(-rdd.id - 1)
//基于RDD获取采样数据
val reSampled = imbalanced.sample(withReplacement = false, fraction, seed).collect()
val weight = (1.0 / fraction).toFloat
candidates ++= reSampled.map(x => (x, weight))
}
RangePartitioner.determineBounds(candidates, partitions)
}
}
}
def sketch[K : ClassTag](
rdd: RDD[K],
sampleSizePerPartition: Int): (Long, Array[(Int, Long, Array[K])]) = {
val shift = rdd.id
// val classTagK = classTag[K] // to avoid serializing the entire partitioner object
val sketched = rdd.mapPartitionsWithIndex { (idx, iter) =>
val seed = byteswap32(idx ^ (shift << 16))
val (sample, n) = SamplingUtils.reservoirSampleAndCount(
iter, sampleSizePerPartition, seed)
//包装成三元组，（索引号，分区的内容个数，抽样的内容）
Iterator((idx, n, sample))
}.collect()
val numItems = sketched.map(_._2).sum
//返回（数据条数，（索引号，分区的内容个数，抽样的内容））
(numItems, sketched)
}真正的抽样算法在SamplingUtils中,由于在Spark中是需要一次性取多个值的，因此直接去前n个数值，然后依次概率替换即可：
def reservoirSampleAndCount[T: ClassTag](
input: Iterator[T],
k: Int,
seed: Long = Random.nextLong())
: (Array[T], Long) = {
//创建临时数组
val reservoir = new Array[T](k)
// Put the first k elements in the reservoir.
// 取出前k个数，并把对应的rdd中的数据放入对应的序号的数组中
var i = 0
while (i < k && input.hasNext) {
val item = input.next()
reservoir(i) = item
i += 1
}
// If we have consumed all the elements, return them. Otherwise do the replacement.
// 如果全部的元素，比要抽取的采样数少，那么直接返回
if (i < k) {
// If input size < k, trim the array to return only an array of input size.
val trimReservoir = new Array[T](i)
System.arraycopy(reservoir, 0, trimReservoir, 0, i)
(trimReservoir, i)
// 否则开始抽样替换
} else {
// If input size > k, continue the sampling process.
// 从刚才的序号开始，继续遍历
var l = i.toLong
// 随机数
val rand = new XORShiftRandom(seed)
while (input.hasNext) {
val item = input.next()
// 随机一个数与当前的l相乘，如果小于采样数k，就替换。（越到后面，替换的概率越小...）
val replacementIndex = (rand.nextDouble() * l).toLong
if (replacementIndex < k) {
reservoir(replacementIndex.toInt) = item
}
l += 1
}
(reservoir, l)
}
}确定边界
最后就可以通过获取的样本数据，确定边界了。
def determineBounds[K : Ordering : ClassTag](
candidates: ArrayBuffer[(K, Float)],
partitions: Int): Array[K] = {
val ordering = implicitly[Ordering[K]]
// 数据格式为（key，权重）
val ordered = candidates.sortBy(_._1)
val numCandidates = ordered.size
val sumWeights = ordered.map(_._2.toDouble).sum
val step = sumWeights / partitions
var cumWeight = 0.0
var target = step
val bounds = ArrayBuffer.empty[K]
var i = 0
var j = 0
var previousBound = Option.empty[K]
while ((i < numCandidates) && (j < partitions - 1)) {
val (key, weight) = ordered(i)
cumWeight += weight
if (cumWeight >= target) {
// Skip duplicate values.
if (previousBound.isEmpty || ordering.gt(key, previousBound.get)) {
bounds += key
target += step
j += 1
previousBound = Some(key)
}
}
i += 1
}
bounds.toArray
}直接看代码，还是有些晦涩难懂，我们举个例子，一步一步解释下：
按照上面的算法流程，大致可以理解：
抽样-->确定边界（排序）首先对spark有一定了解的都应该知道，在spark中每个RDD可以理解为一组分区，这些分区对应了内存块block,他们才是数据最终的载体。那么一个RDD由不同的分区组成，这样在处理一些map,filter等算子的时候，就可以直接以分区为单位并行计算了。直到遇到shuffle的时候才需要和其他的RDD配合。
在上面的图中，如果我们不特殊设置的话，一个RDD由3个分区组成，那么在对它进行groupbykey的时候，就会按照3进行分区。
按照上面的算法流程，如果分区数为3，那么采样的大小为：
val sampleSize = math.min(20.0 * partitions, 1e6)即采样数为60，每个分区取60个数。但是考虑到数据倾斜的情况，有的分区可能数据很多，因此在实际的采样时，会按照3倍大小采样：
val sampleSizePerPartition = math.ceil(3.0 * sampleSize / rdd.partitions.size).toInt也就是说，最多会取60个样本数据。
然后就是遍历每个分区，取对应的样本数。
val sketched = rdd.mapPartitionsWithIndex { (idx, iter) =>
val seed = byteswap32(idx ^ (shift << 16))
val (sample, n) = SamplingUtils.reservoirSampleAndCount(
iter, sampleSizePerPartition, seed)
//包装成三元组，（索引号，分区的内容个数，抽样的内容）
Iterator((idx, n, sample))
}.collect()然后检查，是否有分区的样本数过多，如果多于平均值，则继续采样，这时直接用sample 就可以了
sketched.foreach { case (idx, n, sample) =>
if (fraction * n > sampleSizePerPartition) {
imbalancedPartitions += idx
} else {
// The weight is 1 over the sampling probability.
val weight = (n.toDouble / sample.size).toFloat
for (key <- sample) {
candidates += ((key, weight))
}
}
}
if (imbalancedPartitions.nonEmpty) {
// Re-sample imbalanced partitions with the desired sampling probability.
val imbalanced = new PartitionPruningRDD(rdd.map(_._1), imbalancedPartitions.contains)
val seed = byteswap32(-rdd.id - 1)
//基于RDD获取采样数据
val reSampled = imbalanced.sample(withReplacement = false, fraction, seed).collect()
val weight = (1.0 / fraction).toFloat
candidates ++= reSampled.map(x => (x, weight))
}取出样本后，就到了确定边界的时候了。
注意每个key都会有一个权重，这个权重是 【分区的数据总数/样本数】
RangePartitioner.determineBounds(candidates, partitions)首先排序val ordered = candidates.sortBy(_._1)，然后确定一个权重的步长
val sumWeights = ordered.map(_._2.toDouble).sum
val step = sumWeights / partitions基于该步长，确定边界，最后就形成了几个范围数据。
然后分区器形成二叉树，遍历该数确定每个key对应的分区id
partition = binarySearch(rangeBounds, k)实践 —— 自定义分区器
自定义分区器，也是很简单的，只需要实现对应的两个方法就行：
public class MyPartioner extends Partitioner {
@Override
public int numPartitions() {
return 1000;
}
@Override
public int getPartition(Object key) {
String k = (String) key;
int code = k.hashCode() % 1000;
System.out.println(k+":"+code);
return code < 0?code+1000:code;
}
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if(obj instanceof MyPartioner){
if(this.numPartitions()==((MyPartioner) obj).numPartitions()){
return true;
}
return false;
}
return super.equals(obj);
}
}使用的时候，可以直接new一个对象即可。
pairRdd.groupbykey(new MyPartitioner())这样自定义分区器就完成了。
