Spark运行原理剖析

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Apache Spark是一个开源的，强大的分布式查询和处理引擎。它提供MapReduce的灵活性和可扩展性，但速度明显更高。

Spark的核心是根据RDD来实现的，Spark Scheduler则为Spark核心实现的重要一环，其作用就是任务调度。Spark的任务调度就是如何组织任务去处理RDD中每个分区的数据，根据RDD的依赖关系构建DAG，基于DAG划分Stage，将每个Stage中的任务发到指定节点运行。基于Spark的任务调度原理，我们可以合理规划资源利用，做到尽可能用最少的资源高效地完成任务计算。

分布式运行框架

Spark可以部署在多种资源管理平台，例如Yarn、Mesos等，Spark本身也实现了一个简易的资源管理机制，称之为Standalone模式。以下所述均表示Spark-on-Yarn。Spark部署在Yarn上有两种运行模式，分别为yarn-client和yarn-cluster模式，它们的区别仅仅在于Spark Driver是运行在Client端还是ApplicationMater端。如下图所示为Spark部署在Yarn上，以yarn-cluster模式运行的分布式计算框架。

其中蓝色部分是Spark里的概念，包括Client、ApplicationMaster、Driver和Executor，其中Client和ApplicationMaster主要是负责与Yarn进行交互；Driver作为Spark应用程序的总控，负责分发任务以及监控任务运行状态；Executor负责执行任务，并上报状态信息给Driver，从逻辑上来看Executor是进程，运行在其中的任务是线程，所以说Spark的任务是线程级别的。通过下面的时序图可以更清晰地理解一个Spark应用程序从提交到运行的完整流程。

Client
提交一个Spark应用程序，首先通过Client向ResourceManager请求启动一个Application，同时检查是否有足够的资源满足Application的需求，如果资源条件满足，则准备ApplicationMaster的启动上下文，交给ResourceManager，并循环监控Application状态。

ResourceManager
当提交的资源队列中有资源时，ResourceManager会在某个NodeManager上启动ApplicationMaster进程，ApplicationMaster会单独启动Driver后台线程，当Driver启动后，ApplicationMaster会通过本地的RPC连接Driver，并开始向ResourceManager申请Container资源运行Executor进程（一个Executor对应与一个Container），当ResourceManager返回Container资源，则在对应的Container上启动Executor。

Driver
Driver线程主要是初始化SparkContext对象，准备运行所需的上下文，然后一方面保持与ApplicationMaster的RPC连接，通过ApplicationMaster申请资源，另一方面根据用户业务逻辑开始调度任务，将任务下发到已有的空闲Executor上。

Executor
当ResourceManager向ApplicationMaster返回Container资源时，ApplicationMaster就尝试在对应的Container上启动Executor进程，Executor进程起来后，会向Driver注册，注册成功后保持与Driver的心跳，同时等待Driver分发任务，当分发的任务执行完毕后，将任务状态上报给Driver。

Driver把资源申请的逻辑给抽象出来，以适配不同的资源管理系统，所以才间接地通过ApplicationMaster去和Yarn打交道。

从上述时序图可知，Client只管提交Application并监控Application的状态。对于Spark的任务调度主要是集中在两个方面: 资源申请和任务分发，其主要是通过ApplicationMaster、Driver以及Executor之间来完成，下面详细剖析Spark任务调度每个细节。

Spark任务调度总览

当Driver起来后，Driver则会根据用户程序逻辑准备任务，并根据Executor资源情况逐步分发任务。在详细阐述任务调度前，首先说明下Spark里的几个概念。一个Spark应用程序包括Job、Stage以及Task三个概念：

Job是以Action方法为界，遇到一个Action方法则触发一个Job；
Stage是Job的子集，以RDD宽依赖(即Shuffle)为界，遇到Shuffle做一次划分；
Task是Stage的子集，以并行度(分区数)来衡量，分区数是多少，则有多少个task。

Spark的任务调度总体来说分两路进行，一路是Stage级的调度，一路是Task级的调度，总体调度流程如下图所示。

Spark RDD通过其Transactions操作，形成了RDD血缘关系图，即DAG，最后通过Action的调用，触发Job并调度执行。DAGScheduler负责Stage级的调度，主要是将DAG切分成若干Stages，并将每个Stage打包成TaskSet交给TaskScheduler调度。TaskScheduler负责Task级的调度，将DAGScheduler给过来的TaskSet按照指定的调度策略分发到Executor上执行，调度过程中SchedulerBackend负责提供可用资源，其中SchedulerBackend有多种实现，分别对接不同的资源管理系统。有了上述感性的认识后，下面这张图描述了Spark-On-Yarn模式下在任务调度期间，ApplicationMaster、Driver以及Executor内部模块的交互过程。

Driver初始化SparkContext过程中，会分别初始化DAGScheduler、TaskScheduler、SchedulerBackend以及HeartbeatReceiver，并启动SchedulerBackend以及HeartbeatReceiver。SchedulerBackend通过ApplicationMaster申请资源，并不断从TaskScheduler中拿到合适的Task分发到Executor执行。HeartbeatReceiver负责接收Executor的心跳信息，监控Executor的存活状况，并通知到TaskScheduler。下面着重剖析DAGScheduler负责的Stage调度以及TaskScheduler负责的Task调度。

Stage级的调度

Spark的任务调度是从DAG切割开始，主要是由DAGScheduler来完成。当遇到一个Action操作后就会触发一个Job的计算，并交给DAGScheduler来提交，下图是涉及到Job提交的相关方法调用流程图。

Job由最终的RDD和Action方法封装而成，SparkContext将Job交给DAGScheduler提交，它会根据RDD的血缘关系构成的DAG进行切分，将一个Job划分为若干Stages，具体划分策略是，由最终的RDD不断通过依赖回溯判断父依赖是否是款依赖，即以Shuffle为界，划分Stage，窄依赖的RDD之间被划分到同一个Stage中，可以进行pipeline式的计算，如上图紫色流程部分。划分的Stages分两类，一类叫做ResultStage，为DAG最下游的Stage，由Action方法决定，另一类叫做ShuffleMapStage，为下游Stage准备数据，下面看一个简单的例子WordCount。

Job由saveAsTextFile触发，该Job由RDD-3和saveAsTextFile方法组成，根据RDD之间的依赖关系从RDD-3开始回溯搜索，直到没有依赖的RDD-0，在回溯搜索过程中，RDD-3依赖RDD-2，并且是宽依赖，所以在RDD-2和RDD-3之间划分Stage，RDD-3被划到最后一个Stage，即ResultStage中，RDD-2依赖RDD-1，RDD-1依赖RDD-0，这些依赖都是窄依赖，所以将RDD-0、RDD-1和RDD-2划分到同一个Stage，即ShuffleMapStage中，实际执行的时候，数据记录会一气呵成地执行RDD-0到RDD-2的转化。不难看出，其本质上是一个深度优先搜索算法。

一个Stage是否被提交，需要判断它的父Stage是否执行，只有在父Stage执行完毕才能提交当前Stage，如果一个Stage没有父Stage，那么从该Stage开始提交。Stage提交时会将Task信息（分区信息以及方法等）序列化并被打包成TaskSet交给TaskScheduler，一个Partition对应一个Task，另一方面监控Stage的运行状态，只有Executor丢失或者Task由于Fetch失败才需要重新提交失败的Stage以调度运行失败的任务，其他类型的Task失败会在TaskScheduler的调度过程中重试。

相对来说DAGScheduler做的事情较为简单，仅仅是在Stage层面上划分DAG，提交Stage并监控相关状态信息。TaskScheduler则相对较为复杂，下面详细阐述其细节。

Task级的调度

Spark Task的调度是由TaskScheduler来完成，由前文可知，DAGScheduler将Stage打包到TaskSet交给TaskScheduler，TaskScheduler会将其封装为TaskSetManager加入到调度队列中，TaskSetManager负责监控管理同一个Stage中的Tasks，TaskScheduler就是以TaskSetManager为单元来调度任务。前面也提到，TaskScheduler初始化后会启动SchedulerBackend，它负责跟外界打交道，接收Executor的注册信息，并维护Executor的状态，所以说SchedulerBackend是管“粮食”的，同时它在启动后会定期地去“询问”TaskScheduler有没有任务要运行，也就是说，它会定期地“问”TaskScheduler“我有这么余量，你要不要啊”，TaskScheduler在SchedulerBackend“问”它的时候，会从调度队列中按照指定的调度策略选择TaskSetManager去调度运行，大致方法调用流程如下图所示。

调度策略

前面讲到，TaskScheduler会先把DAGScheduler给过来的TaskSet封装成TaskSetManager扔到任务队列里，然后再从任务队列里按照一定的规则把它们取出来在SchedulerBackend给过来的Executor上运行。这个调度过程实际上还是比较粗粒度的，是面向TaskSetManager的。

TaskScheduler是以树的方式来管理任务队列，树中的节点类型为Schdulable，叶子节点为TaskSetManager，非叶子节点为Pool，下图是它们之间的继承关系。

TaskScheduler支持两种调度策略，一种是FIFO，也是默认的调度策略，另一种是FAIR。在TaskScheduler初始化过程中会实例化rootPool，表示树的根节点，是Pool类型。如果是采用FIFO调度策略，则直接简单地将TaskSetManager按照先来先到的方式入队，出队时直接拿出最先进队的TaskSetManager，其树结构大致如下图所示，TaskSetManager保存在一个FIFO队列中。

在阐述FAIR调度策略前，先贴一段使用FAIR调度策略的应用程序代码，后面针对该代码逻辑来详细阐述FAIR调度的实现细节。

object MultiJobTest {// spark.scheduler.mode=FAIRdef main(args: Array[String]): Unit = {val spark = SparkSession.builder().getOrCreate()val rdd = spark.sparkContext.textFile(...).map(_.split("\\s+")).map(x => (x(0), x(1)))val jobExecutor = Executors.newFixedThreadPool(2)jobExecutor.execute(new Runnable {override def run(): Unit = {spark.sparkContext.setLocalProperty("spark.scheduler.pool", "count-pool")val cnt = rdd.groupByKey().count()println(s"Count: $cnt")}})jobExecutor.execute(new Runnable {override def run(): Unit = {spark.sparkContext.setLocalProperty("spark.scheduler.pool", "take-pool")val data = rdd.sortByKey().take(10)println(s"Data Samples: ")data.foreach { x => println(x.mkString(", ")) }}})jobExecutor.shutdown()while (!jobExecutor.isTerminated) {}println("Done!")}
}

上述应用程序中使用两个线程分别调用了Action方法，即有两个Job会并发提交，但是不管怎样，这两个Job被切分成若干TaskSet后终究会被交到TaskScheduler这里统一管理，其调度树大致如下图所示。

在出队时，则会对所有TaskSetManager排序，具体排序过程是从根节点rootPool开始，递归地去排序子节点，最后合并到一个ArrayBuffer里，代码逻辑如下。

def getSortedTaskSetQueue: ArrayBuffer[TaskSetManager] = {var sortedTaskSetQueue = new ArrayBuffer[TaskSetManager]val sortedSchedulableQueue = schedulableQueue.asScala.toSeq.sortWith(taskSetSchedulingAlgorithm.comparator)for (schedulable <- sortedSchedulableQueue) {sortedTaskSetQueue ++= schedulable.getSortedTaskSetQueue}sortedTaskSetQueue}

使用FAIR调度策略时，上面代码中的taskSetSchedulingAlgorithm的类型为FairSchedulingAlgorithm，排序过程的比较是基于Fair-share来比较的，每个要排序的对象包含三个属性: runningTasks值（正在运行的Task数）、minShare值、weight值，比较时会综合考量runningTasks值，minShare以及weight值。如果A对象的runningTasks大于它的minShare，B对象的runningTasks小于它的minShare，那么B排在A前面；如果A、B对象的runningTasks都小于它们的minShare，那么就比较runningTasks与minShare的比值，谁小谁排前面；如果A、B对象的runningTasks都大于它们的minShare，那么就比较runningTasks与weight的比值，谁小谁排前面。整体上来说就是通过minShare和weight这两个参数控制比较过程，可以做到不让资源被某些长时间Task给一直占了。

从调度队列中拿到TaskSetManager后，那么接下来的工作就是TaskSetManager按照一定的规则一个个取出Task给TaskScheduler，TaskScheduler再交给SchedulerBackend去发到Executor上执行。前面也提到，TaskSetManager封装了一个Stage的所有Task，并负责管理调度这些Task。

本地化调度

在TaskSetManager初始化过程中，会对Tasks按照Locality级别进行分类，Task的Locality有五种，优先级由高到低顺序：PROCESS_LOCAL(指定的Executor)，NODE_LOCAL(指定的主机节点)，NO_PREF(无所谓)，RACK_LOCAL(指定的机架)，ANY(满足不了Task的Locality就随便调度)。这五种Locality级别存在包含关系，RACK_LOCAL包含NODE_LOCAL，NODE_LOCAL包含PROCESS_LOCAL，然而ANY包含其他所有四种。初始化阶段在对Task分类时，根据Task的preferredLocations判断它属于哪个Locality级别，属于PROCESS_LOCAL的Task同时也会被加入到NODE_LOCAL、RACK_LOCAL类别中，比如，一个Task的preferredLocations指定了在Executor-2上执行，那么它属于Executor-2对应的PROCESS_LOCAL类别，同时也把他加入到Executor-2所在的主机对应的NODE_LOCAL类别，Executor-2所在的主机的机架对应的RACK_LOCAL类别中，以及ANY类别，这样在调度执行时，满足不了PROCESS_LOCAL，就逐步退化到NODE_LOCAL，RACK_LOCAL，ANY。

TaskSetManager在决定调度哪些Task时，是通过上面流程图中的resourceOffer方法来实现，为了尽可能地将Task调度到它的preferredLocations上，它采用一种延迟调度算法。resourceOffer方法原型如下，参数包括要调度任务的Executor Id、主机地址以及最大可容忍的Locality级别。

def resourceOffer(execId: String,host: String,maxLocality: TaskLocality.TaskLocality): Option[TaskDescription]

延迟调度算法的大致流程如下图所示。

首先看是否存在execId对应的PROCESS_LOCAL类别的任务，如果存在，取出来调度，否则根据当前时间，判断是否超过了PROCESS_LOCAL类别最大容忍的延迟，如果超过，则退化到下一个级别NODE_LOCAL，否则等待不调度。退化到下一个级别NODE_LOCAL后调度流程也类似，看是否存在host对应的NODE_LOCAL类别的任务，如果存在，取出来调度，否则根据当前时间，判断是否超过了NODE_LOCAL类别最大容忍的延迟，如果超过，则退化到下一个级别RACK_LOCAL，否则等待不调度，以此类推…..。当不满足Locatity类别会选择等待，直到下一轮调度重复上述流程，如果你比较激进，可以调大每个类别的最大容忍延迟时间，如果不满足Locatity时就会等待多个调度周期，直到满足或者超过延迟时间退化到下一个级别为止。

失败重试与黑名单机制

除了选择合适的Task调度运行外，还需要监控Task的执行状态，前面也提到，与外部打交道的是SchedulerBackend，Task被提交到Executor启动执行后，Executor会将执行状态上报给SchedulerBackend，SchedulerBackend则告诉TaskScheduler，TaskScheduler找到该Task对应的TaskSetManager，并通知到该TaskSetManager，这样TaskSetManager就知道Task的失败与成功状态，对于失败的Task，会记录它失败的次数，如果失败次数还没有超过最大重试次数，那么就把它放回待调度的Task池子中，否则整个Application失败。

在记录Task失败次数过程中，会记录它上一次失败所在的Executor Id和Host，这样下次再调度这个Task时，会使用黑名单机制，避免它被调度到上一次失败的节点上，起到一定的容错作用。黑名单记录Task上一次失败所在的Executor Id和Host，以及其对应的“黑暗”时间，“黑暗”时间是指这段时间内不要再往这个节点上调度这个Task了。

推测式执行

TaskScheduler在启动SchedulerBackend后，还会启动一个后台线程专门负责推测任务的调度，推测任务是指对一个Task在不同的Executor上启动多个实例，如果有Task实例运行成功，则会干掉其他Executor上运行的实例。推测调度线程会每隔固定时间检查是否有Task需要推测执行，如果有，则会调用SchedulerBackend的reviveOffers去尝试拿资源运行推测任务。

检查是否有Task需要推测执行的逻辑最后会交到TaskSetManager，TaskSetManager采用基于统计的算法，检查Task是否需要推测执行，算法流程大致如下图所示。

TaskSetManager首先会统计成功的Task数，当成功的Task数超过75%(可通过参数spark.speculation.quantile控制)时，再统计所有成功的Tasks的运行时间，得到一个中位数，用这个中位数乘以1.5(可通过参数spark.speculation.multiplier控制)得到运行时间门限，如果在运行的Tasks的运行时间超过这个门限，则对它启用推测。算法逻辑较为简单，其实就是对那些拖慢整体进度的Tasks启用推测，以加速整个TaskSet即Stage的运行。

资源申请机制

在前文已经提过，ApplicationMaster和SchedulerBackend起来后，SchedulerBackend通过ApplicationMaster申请资源，ApplicationMaster就是用来专门适配YARN申请Container资源的，当申请到Container，会在相应Container上启动Executor进程，其他事情就交给SchedulerBackend。Spark早期版本只支持静态资源申请，即一开始就指定用多少资源，在整个Spark应用程序运行过程中资源都不能改变，后来支持动态Executor申请，用户不需要指定确切的Executor数量，Spark会动态调整Executor的数量以达到资源利用的最大化。

静态资源申请

静态资源申请是用户在提交Spark应用程序时，就要提前估计应用程序需要使用的资源，包括Executor数(num_executor)、每个Executor上的core数(executor_cores)、每个Executor的内存(executor_memory)以及Driver的内存(driver_memory)。

在估计资源使用时，应当首先了解这些资源是怎么用的。任务的并行度由分区数(Partitions)决定，一个Stage有多少分区，就会有多少Task。每个Task默认占用一个Core，一个Executor上的所有core共享Executor上的内存，一次并行运行的Task数等于num_executor*executor_cores，如果分区数超过该值，则需要运行多个轮次，一般来说建议运行3～5轮较为合适，否则考虑增加num_executor或executor_cores。由于一个Executor的所有tasks会共享内存executor_memory，所以建议executor_cores不宜过大。executor_memory的设置则需要综合每个分区的数据量以及是否有缓存等逻辑。下图描绘了一个应用程序内部资源利用情况。

动态资源申请

动态资源申请目前只支持到Executor，即可以不用指定num_executor，通过参数spark.dynamicAllocation.enabled来控制。由于许多Spark应用程序一开始可能不需要那么多Executor或者其本身就不需要太多Executor，所以不必一次性申请那么多Executor，根据具体的任务数动态调整Executor的数量，尽可能做到资源的不浪费。由于动态Executor的调整会导致Executor动态的添加与删除，如果删除Executor，其上面的中间Shuffle结果可能会丢失，这就需要借助第三方的ShuffleService了，如果Spark是部署在Yarn上，则可以在Yarn上配置Spark的ShuffleService，具体操作仅需做两点:

1.首先在yarn-site.xml中加上如下配置：

<property><name>yarn.nodemanager.aux-services</name><value>mapreduce_shuffle,spark_shuffle</value>
</property>
<property><name>yarn.nodemanager.aux-services.spark_shuffle.class</name><value>org.apache.spark.network.yarn.YarnShuffleService</value>
</property>
<property><name>spark.shuffle.service.port</name><value>7337</value>
</property>

2.将Spark ShuffleService jar包$SPARK_HOME/lib/spark-*-yarn-shuffle.jar拷贝到每台NodeManager的$HADOOP_HOME/share/hadoop/yarn/lib/下，并重启所有的NodeManager。

当启用动态Executor申请时，在SparkContext初始化过程中会实例化ExecutorAllocationManager，它是被用来专门控制动态Executor申请逻辑的，动态Executor申请是一种基于当前Task负载压力实现动态增删Executor的机制。一开始会按照参数spark.dynamicAllocation.initialExecutors设置的初始Executor数申请，然后根据当前积压的Task数量，逐步增长申请的Executor数，如果当前有积压的Task，那么取积压的Task数和spark.dynamicAllocation.maxExecutors中的最小值作为Executor数上限，每次新增加申请的Executor为2的次方，即第一次增加1，第二次增加2，第三次增加4，…。另一方面，如果一个Executor在一段时间内都没有Task运行，则将其回收，但是在Remove Executor时，要保证最少的Executor数，该值通过参数spark.dynamicAllocation.minExecutors来控制，如果Executor上有Cache的数据，则永远不会被Remove，以保证中间数据不丢失。

结语

本文详细阐述了Spark的任务调度，着重讨论Spark on Yarn的部署调度，剖析了从应用程序提交到运行的全过程。Spark Schedule算是Spark中的一个大模块，它负责任务下发与监控等，基本上扮演了Spark大脑的角色。了解Spark Schedule有助于帮助我们清楚地认识Spark应用程序的运行轨迹，同时在我们实现其他系统时，也可以借鉴Spark的实现。

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