0x00 前言
本篇是Spark源码解析的第一篇，主要通过源码分析Spark设计中最重要的一个概念——RDD。
本文会主要讲解RDD的主要概念和源码中的设计，并通过一个例子详细地讲解RDD是如何生成的和转换的。
文章结构
- 先回顾一下RDD的一些特征以及几个基本概念
- RDD源码分析，整体的源码设计
- 举一个例子，通过这个例子来一步步地追踪源码。
0x01 概念
什么是RDD
RDD（Resilient Distributed Dataset）：弹性分布式数据集。
我们可以先大致这样理解RDD：RDD是一个容错的、并行的数据结构，可以让用户显式地将数据存储到磁盘和内存中，并能控制数据的分区。同时，RDD还提供了一组丰富的操作来处理这些数据。
注意：RDD作为数据结构，本质上是一个只读的分区记录集合。一个RDD可以包含多个分区，每个分区就是一个dataset片段。RDD可以相互依赖。
RDD的5个特征
下面是源码中对RDD类的注释：
Internally, each RDD is characterized by five main properties:
- A list of partitions
- A function for computing each split
- A list of dependencies on other RDDs
- Optionally, a Partitioner for key-value RDDs (e.g. to say that the RDD is hash-partitioned)
- Optionally, a list of preferred locations to compute each split on (e.g. block locations for an HDFS file)
也是说RDD会有5个基本特征:
有一个分片列表。就是能被切分，和hadoop一样的，能够切分的数据才能并行计算。
有一个函数计算每一个分片，这里指的是下面会提到的compute函数。
对其他的RDD的依赖列表，依赖还具体分为宽依赖和窄依赖。
可选：key-value型的RDD是根据哈希来分区的，类似于mapreduce当中的Paritioner接口，控制key分到哪个reduce。
可选：每一个分片的优先计算位置（preferred locations），比如HDFS的block的所在位置应该是优先计算的位置。
宽窄依赖
这里有必要稍微解释一下窄依赖（narrow dependency）和宽依赖（wide dependency）。
如果RDD的每个分区最多只能被一个Child RDD的一个分区使用，则称之为narrow dependency；若多个Child RDD分区都可以依赖，则称之为wide dependency。不同的操作依据其特性，可能会产生不同的依赖。
例如map操作会产生narrow dependency，而join操作则产生wide dependency。
如图，两种依赖的区别：
0x02 源码分析
RDD的5个特征会对应到源码中的4个方法和一个属性。
RDD.scala是一个总的抽象，不同的子类会对下面的方法进行定制化的实现。比如compute方法，不同的子类在实现的时候是不同的。 下面会对每一块单独分析。
//该方法只会被调用一次。由子类实现，返回这个RDD的所有partition。
protected def getPartitions: Array[Partition]
//该方法只会被调用一次。计算该RDD和父RDD的依赖关系
protected def getDependencies: Seq[Dependency[_]] = deps
// 对分区进行计算，返回一个可遍历的结果
def compute(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[T]
//可选的，指定优先位置，输入参数是split分片，输出结果是一组优先的节点位置
protected def getPreferredLocations(split: Partition): Seq[String] = Nil
//可选的，分区的方法，针对第4点，类似于mapreduce当中的Paritioner接口，控制key分到哪个reduce
@transient val partitioner: Option[Partitioner] = None
举个栗子
官网最基本的wordcount例子。虽简单，但是代表性很强。
val textFile = sc.textFile("hdfs://...")
val counts = textFile.flatMap(line => line.split(" "))
.filter(_.length >= 2)
.map(word => (word, 1))
.reduceByKey(_ + _)
counts.saveAsTextFile("hdfs://...")
这里涉及到了下面几个RDD转换：
- textFile是一个HadoopRDD经过map后的MapPartitionsRDD，
- 经过flatMap后仍然是一个MapPartitionsRDD，
- 经过filter方法之后生成了一个新的MapPartitionsRDD，
- 经过map函数之后，继续是一个MapPartitionsRDD，
- 最后经过reduceByKey变成了ShuffleRDD。
在正式看源码之前，上一个图。 这个图是整个流程中RDD的转换过程，这里先不讲解，后面看源码的时候如果有疑惑再回过头来看，就明白了。
1. 源码分析：SparkContext类
我们首先看textFile的这个方法，在SparkContext中。
看注释：
Read a text file from HDFS, a local file system (available on all nodes), or any Hadoop-supported file system URI, and return it as an RDD of Strings.
其实textFile只是对hadoopFile方法做了一层封装。
注意： 此处有一个比较长的关系链，为了理解textfile中的逻辑，需要先看hadoopFile；hadoopFile最后返回的是一个HadoopRDD对象，然后HadoopRDD经过map变换后，转换成MapPartitionsRDD，由于HadoopRDD没有重写map函数，因此调用的是父类RDD的map；
def textFile(path: String, minPartitions: Int = defaultMinPartitions): RDD[String] = withScope {
assertNotStopped()//暂时不用看
hadoopFile(path, classOf[TextInputFormat], classOf[LongWritable], classOf[Text], minPartitions).map(pair => pair._2.toString).setName(path)
}
我们继续向下追，看一下hadoopFile方法，hadoopFile中做了这些事。
- 把hadoop的配置文件保存到广播变量里；
- 设置路径的方法；
- new了一个HadoopRDD,并返回。
def hadoopFile[K, V](path: String,inputFormatClass: Class[_ <: InputFormat[K, V]],keyClass: Class[K],valueClass: Class[V],minPartitions: Int = defaultMinPartitions): RDD[(K, V)] = withScope {
assertNotStopped()
// A Hadoop configuration can be about 10 KB, which is pretty big, so broadcast it.
val confBroadcast = broadcast(new SerializableConfiguration(hadoopConfiguration))
val setInputPathsFunc = (jobConf: JobConf) => FileInputFormat.setInputPaths(jobConf, path)
new HadoopRDD(this, confBroadcast,Some(setInputPathsFunc),inputFormatClass,keyClass,=valueClass,minPartitions).setName(path)
}
我们看一下它的输入参数。如果你写过MR程序，是不是特别熟悉？是不是和Mapper的API和接近？
Mapper<Object, Text, Text, IntWritable>
2. 源码分析：HadoopRDD类
下面专门来看一下HadoopRDD是干什么的。
An RDD that provides core functionality for reading data stored in Hadoop (e.g., files in HDFS, sources in HBase, or S3)
看注释可以知道，HadoopRDD是一个专为Hadoop（HDFS、Hbase、S3）设计的RDD。
HadoopRDD主要重写了三个方法，可以在源码中找到加override标识的方法：
override def getPartitions: Array[Partition]override def compute(theSplit: Partition, context: TaskContext): InterruptibleIterator[(K, V)]override def getPreferredLocations(split: Partition): Seq[String]
下面分别看一下这三个方法。
getPartitions方法最后是返回了一个array。它调用的是inputFormat自带的getSplits方法来计算分片，然后把分片信息放到array中。
这里，我们是不是就可以理解，Hadoop中的一个分片，就对应到Spark中的一个Partition。
override def getPartitions: Array[Partition] = {
val jobConf = getJobConf()
// add the credentials here as this can be called before SparkContext initialized
SparkHadoopUtil.get.addCredentials(jobConf)
val inputFormat = getInputFormat(jobConf)
val inputSplits = inputFormat.getSplits(jobConf, minPartitions)
val array = new Array[Partition](inputSplits.size)
for (i <- 0 until inputSplits.size) {
array(i) = new HadoopPartition(id, i, inputSplits(i))
}
array
}
compute方法的作用主要就是根据输入的partition信息生成一个InterruptibleIterator。如下面代码段。
override def compute(theSplit: Partition, context: TaskContext): InterruptibleIterator[(K, V)] = {
val iter = new NextIterator[(K, V)] {......}
new InterruptibleIterator[(K, V)](context, iter)
}
下面看一下iter中做了什么逻辑处理。
- 把Partition转成HadoopPartition，然后通过InputSplit创建一个RecordReader
- 重写Iterator的getNext方法，通过创建的reader调用next方法读取下一个值。
从这里我们可以看得出来compute方法是通过分片来获得Iterator接口，以遍历分片的数据。
override def compute(theSplit: Partition, context: TaskContext): InterruptibleIterator[(K, V)] = {
val iter = new NextIterator[(K, V)] {
//将compute的输入theSplit，转换为HadoopPartition
val split = theSplit.asInstanceOf[HadoopPartition]
......
//c重写getNext方法
override def getNext(): (K, V) = {
try {
finished = !reader.next(key, value)
} catch {
case _: EOFException if ignoreCorruptFiles => finished = true
}
if (!finished) {
inputMetrics.incRecordsRead(1)
}
(key, value)
}
}
}
getPreferredLocations方法比较简单，直接调用SplitInfoReflections下的inputSplitWithLocationInfo方法获得所在的位置。
override def getPreferredLocations(split: Partition): Seq[String] = {
val hsplit = split.asInstanceOf[HadoopPartition].inputSplit.value
val locs: Option[Seq[String]] = HadoopRDD.SPLIT_INFO_REFLECTIONS match {
case Some(c) =>
try {
val lsplit = c.inputSplitWithLocationInfo.cast(hsplit)
val infos = c.getLocationInfo.invoke(lsplit).asInstanceOf[Array[AnyRef]]
Some(HadoopRDD.convertSplitLocationInfo(infos))
} catch {
case e: Exception =>
logDebug("Failed to use InputSplitWithLocations.", e)
None
}
case None => None
}
locs.getOrElse(hsplit.getLocations.filter(_ != "localhost"))
}
3. 源码分析：MapPartitionsRDD类
先看一在RDD类中的map方法。
Return a new RDD by applying a function to all elements of this RDD.
它最后返回的是一个MapPartitionsRDD。并且对RDD中的每一个元素都调用了一个function。
/**
*
*/
def map[U: ClassTag](f: T => U): RDD[U] = withScope {
val cleanF = sc.clean(f)
new MapPartitionsRDD[U, T](this, (context, pid, iter) => iter.map(cleanF))
}
那么MapPartitionsRDD是干什么的呢。
An RDD that applies the provided function to every partition of the parent RDD.
可以看到，它重写了父类RDD的partitioner、getPartitions和compute。
private[spark] class MapPartitionsRDD[U: ClassTag, T: ClassTag](
var prev: RDD[T],
f: (TaskContext, Int, Iterator[T]) => Iterator[U], // (TaskContext, partition index, iterator)
preservesPartitioning: Boolean = false)
extends RDD[U](prev) {
override val partitioner = if (preservesPartitioning) firstParent[T].partitioner else None
override def getPartitions: Array[Partition] = firstParent[T].partitions
override def compute(split: Partition, context: TaskContext): Iterator[U] =
f(context, split.index, firstParent[T].iterator(split, context))
override def clearDependencies() {
super.clearDependencies()
prev = null
}
}
可以看出在MapPartitionsRDD里面都用到一个firstParent函数。仔细看一下，可以发现，在MapPartitionsRDD其实没有重写partition和compute逻辑，只是从firstParent中取了出来。
那么firstParent是干什么的呢？其实是取到父依赖。
/** Returns the first parent RDD */
protected[spark] def firstParent[U: ClassTag]: RDD[U] = {
dependencies.head.rdd.asInstanceOf[RDD[U]]
}
注意： 不要忽略细节。不然不太容易理解。
现在再看一下MapPartitionsRDD继承的RDD，它继承的是RDD[U](prev)。 这里的prev其实指的就是我们的HadoopRDD，也也就是说HadoopRDD变成了这个MapPartitionsRDD的OneToOneDependency依赖。OneToOneDependency是窄依赖。
def this(@transient oneParent: RDD[_]) =
this(oneParent.context , List(new OneToOneDependency(oneParent)))
总结： 至此，我们阅读了第一行代码背后涉及的源码。val textFile = sc.textFile("hdfs://...")，我们继续进行。不要急，后面会快很多。
4. 源码分析：flatMap方法、filter方法
接下面看一下flatMap、filter和map操作，观察一下下面的代码，其实他们都是返回了MapPartitionsRDD对象，不同的仅仅是传入的function不同而已。
经过前面的分析我们也可以知道，这些都是窄依赖。
/**
* Return a new RDD by first applying a function to all elements of this
* RDD, and then flattening the results.
*/
def flatMap[U: ClassTag](f: T => TraversableOnce[U]): RDD[U] = withScope {
val cleanF = sc.clean(f)
new MapPartitionsRDD[U, T](this, (context, pid, iter) => iter.flatMap(cleanF))
}
/**
* Return a new RDD containing only the elements that satisfy a predicate.
*/
def filter(f: T => Boolean): RDD[T] = withScope {
val cleanF = sc.clean(f)
new MapPartitionsRDD[T, T](
this,
(context, pid, iter) => iter.filter(cleanF),
preservesPartitioning = true)
}
注意： 这里，我们可以明白了MapPartitionsRDD的compute方法的作用了：
- 在没有依赖的条件下，根据分片的信息生成遍历数据的Iterable接口
- 在有前置依赖的条件下，在父RDD的Iterable接口上给遍历每个元素的时候再套上一个方法
5. 源码分析：PairRDDFunctions 类
接下来，该reduceByKey操作了。它在PairRDDFunctions里面。
reduceByKey稍微复杂一点，因为这里有一个同相同key的内容聚合的一个过程，它调用的是combineByKey方法。
/**
* Merge the values for each key using an associative reduce function. This will also perform
* the merging locally on each mapper before sending results to a reducer, similarly to a
* "combiner" in MapReduce.
*/
def reduceByKey(partitioner: Partitioner, func: (V, V) => V): RDD[(K, V)] = self.withScope {
combineByKeyWithClassTag[V]((v: V) => v, func, func, partitioner)
}
下面详细看一下combineByKeyWithClassTag。英文的注释写的挺清晰的，不再做讲解了。只提一点，这个操作，最后会new一个ShuffledRDD，然后调用它的一些方法，下面专门分析一下这个步骤。
Generic function to combine the elements for each key using a custom set of aggregation functions. Turns an RDD[(K, V)] into a result of type RDD[(K, C)], for a “combined type” C (Int, Int) into an RDD of type (Int, Seq[Int]). Users provide three functions:
createCombiner, which turns a V into a C (e.g., creates a one-element list)mergeValue, to merge a V into a C (e.g., adds it to the end of a list)mergeCombiners, to combine two C’s into a single one.
In addition, users can control the partitioning of the output RDD, and whether to perform map-side aggregation (if a mapper can produce multiple items with the same key).
def combineByKeyWithClassTag[C]( createCombiner: V => C,mergeValue: (C, V) => C,mergeCombiners: (C, C) => C,partitioner: Partitioner,mapSideCombine: Boolean = true,serializer: Serializer = null)(implicit ct: ClassTag[C]): RDD[(K, C)] = self.withScope {
require(mergeCombiners != null, "mergeCombiners must be defined") // required as of Spark 0.9.0
// 判断keyclass是不是array类型，如果是array并且在两种情况下throw exception。
if (keyClass.isArray) {
if (mapSideCombine) {
throw new SparkException("Cannot use map-side combining with array keys.")
}
if (partitioner.isInstanceOf[HashPartitioner]) {
throw new SparkException("Default partitioner cannot partition array keys.")
}
}
val aggregator = new Aggregator[K, V, C](
self.context.clean(createCombiner),
self.context.clean(mergeValue),
self.context.clean(mergeCombiners))
//虽然不太明白，但是此处基本上一直是false，感兴趣的看后面的参考文章
if (self.partitioner == Some(partitioner)) {
self.mapPartitions(iter => {
val context = TaskContext.get()
new InterruptibleIterator(context, aggregator.combineValuesByKey(iter, context))
}, preservesPartitioning = true)
} else {
// 默认是走的这个方法
new ShuffledRDD[K, V, C](self, partitioner)
.setSerializer(serializer)
.setAggregator(aggregator)
.setMapSideCombine(mapSideCombine)
}
}
6. 源码分析：ShuffledRDD 类
看一下上一段代码最后做了什么？这里传入了partitioner，并分别set了三个值。
new ShuffledRDD[K, V, C](self, partitioner)
.setSerializer(serializer)
.setAggregator(aggregator)
.setMapSideCombine(mapSideCombine)
shuffle的过程有点复杂，先不深入讲解，后面专门来分析。这里先看一下依赖的关系ShuffleDependency，它是一个宽依赖。
override def getDependencies: Seq[Dependency[_]] = {
List(new ShuffleDependency(prev, part, serializer, keyOrdering, aggregator, mapSideCombine))
}
总结： 至此，我们大致理了一遍RDD的转换过程，其实到现在为止还都是RDD的变换，还没有真正的执行，真正的执行会在最后一句的地方出发。
0x03 总结
本来在这篇博客中是想把RDD的shuffle的原理也写清楚，但是错估了一些工作量，前面的东西从学习整理到写出来就画了5个多小时。有点累了，加上已经10点半了，准备休息。 下次会专门讲清楚。
2017-05-21 22:34:00 wxxy
参考
- Matei Zaharia’s paper
- http://spark.apache.org/
- http://www.cnblogs.com/cenyuhai/p/3779125.html
- http://www.infoq.com/cn/articles/spark-core-rdd/
- http://bit1129.iteye.com/blog/2178322
作者：dantezhao |简书 | CSDN | GITHUB
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