对多次使用的RDD进行持久化的代码示例
// 如果要对一个RDD进行持久化，只要对这个RDD调用cache()和persist()即可。 // 正确的做法。 // cache()方法表示：使用非序列化的方式将RDD中的数据全部尝试持久化到内存中。 // 此时再对rdd1执行两次算子操作时，只有在第一次执行map算子时，才会将这个rdd1从源头处计算一次。 // 第二次执行reduce算子时，就会直接从内存中提取数据进行计算，不会重复计算一个rdd。 val rdd1 = sc.textFile("hdfs://192.168.0.1:9000/hello.txt").cache() rdd1.map(...) rdd1.reduce(...) // persist()方法表示：手动选择持久化级别，并使用指定的方式进行持久化。 // 比如说，StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER表示，内存充足时优先持久化到内存中，内存不充足时持久化到磁盘文件中。 // 而且其中的_SER后缀表示，使用序列化的方式来保存RDD数据，此时RDD中的每个partition都会序列化成一个大的字节数组，然后再持久化到内存或磁盘中。 // 序列化的方式可以减少持久化的数据对内存/磁盘的占用量，进而避免内存被持久化数据占用过多，从而发生频繁GC。 val rdd1 = sc.textFile("hdfs://192.168.0.1:9000/hello.txt").persist(StorageLevel.MEMORY_AND_DISK_SER) rdd1.map(...) rdd1.reduce(...) // 如果要对一个RDD进行持久化，只要对这个RDD调用cache()和persist()即可。 |
对于persist()方法而言，我们可以根据不同的业务场景选择不同的持久化级别。
Spark的持久化级别
如何选择一种最合适的持久化策略
默认情况下，性能最高的当然是MEMORY_ONLY，但前提是你的内存必须足够足够大，可以绰绰有余地存放下整个RDD的所有数据。因为不进行序列化与反序列化操作，就避免了这部分的性能开销;对这个RDD的后续算子操作，都是基于纯内存中的数据的操作，不需要从磁盘文件中读取数据，性能也很高;而且不需要复制一份数据副本，并远程传送到其他节点上。但是这里必须要注意的是，在实际的生产环境中，恐怕能够直接用这种策略的场景还是有限的，如果RDD中数据比较多时(比如几十亿)，直接用这种持久化级别，会导致JVM的OOM内存溢出异常。
如果使用MEMORY_ONLY级别时发生了内存溢出，那么建议尝试使用MEMORY_ONLY_SER级别。该级别会将RDD数据序列化后再保存在内存中，此时每个partition仅仅是一个字节数组而已，大大减少了对象数量，并降低了内存占用。这种级别比MEMORY_ONLY多出来的性能开销，主要就是序列化与反序列化的开销。但是后续算子可以基于纯内存进行操作，因此性能总体还是比较高的。此外，可能发生的问题同上，如果RDD中的数据量过多的话，还是可能会导致OOM内存溢出的异常。
如果纯内存的级别都无法使用，那么建议使用MEMORY_AND_DISK_SER策略，而不是MEMORY_AND_DISK策略。因为既然到了这一步，就说明RDD的数据量很大，内存无法完全放下。序列化后的数据比较少，可以节省内存和磁盘的空间开销。同时该策略会优先尽量尝试将数据缓存在内存中，内存缓存不下才会写入磁盘。
通常不建议使用DISK_ONLY和后缀为_2的级别：因为完全基于磁盘文件进行数据的读写，会导致性能急剧降低，有时还不如重新计算一次所有RDD。后缀为_2的级别，必须将所有数据都复制一份副本，并发送到其他节点上，数据复制以及网络传输会导致较大的性能开销，除非是要求作业的高可用性，否则不建议使用。
原则四：尽量避免使用shuffle类算子
如果有可能的话，要尽量避免使用shuffle类算子。因为Spark作业运行过程中，最消耗性能的地方就是shuffle过程。shuffle过程，简单来说，就是将分布在集群中多个节点上的同一个key，拉取到同一个节点上，进行聚合或join等操作。比如reduceByKey、join等算子，都会触发shuffle操作。
shuffle过程中，各个节点上的相同key都会先写入本地磁盘文件中，然后其他节点需要通过网络传输拉取各个节点上的磁盘文件中的相同key。而且相同key都拉取到同一个节点进行聚合操作时，还有可能会因为一个节点上处理的key过多，导致内存不够存放，进而溢写到磁盘文件中。因此在shuffle过程中，可能会发生大量的磁盘文件读写的IO操作，以及数据的网络传输操作。磁盘IO和网络数据传输也是shuffle性能较差的主要原因。
因此在我们的开发过程中，能避免则尽可能避免使用reduceByKey、join、distinct、repartition等会进行shuffle的算子，尽量使用map类的非shuffle算子。这样的话，没有shuffle操作或者仅有较少shuffle操作的Spark作业，可以大大减少性能开销。
Broadcast与map进行join代码示例
// 传统的join操作会导致shuffle操作。 // 因为两个RDD中，相同的key都需要通过网络拉取到一个节点上，由一个task进行join操作。 val rdd3 = rdd1.join(rdd2) // Broadcast+map的join操作，不会导致shuffle操作。 // 使用Broadcast将一个数据量较小的RDD作为广播变量。 val rdd2Data = rdd2.collect() val rdd2DataBroadcast = sc.broadcast(rdd2Data) // 在rdd1.map算子中，可以从rdd2DataBroadcast中，获取rdd2的所有数据。 // 然后进行遍历，如果发现rdd2中某条数据的key与rdd1的当前数据的key是相同的，那么就判定可以进行join。 // 此时就可以根据自己需要的方式，将rdd1当前数据与rdd2中可以连接的数据，拼接在一起（String或Tuple）。 val rdd3 = rdd1.map(rdd2DataBroadcast...) // 注意，以上操作，建议仅仅在rdd2的数据量比较少（比如几百M，或者一两G）的情况下使用。 // 因为每个Executor的内存中，都会驻留一份rdd2的全量数据。 |
原则五：使用map-side预聚合的shuffle操作
如果因为业务需要，一定要使用shuffle操作，无法用map类的算子来替代，那么尽量使用可以map-side预聚合的算子。
所谓的map-side预聚合，说的是在每个节点本地对相同的key进行一次聚合操作，类似于MapReduce中的本地combiner。map-side预聚合之后，每个节点本地就只会有一条相同的key，因为多条相同的key都被聚合起来了。其他节点在拉取所有节点上的相同key时，就会大大减少需要拉取的数据数量，从而也就减少了磁盘IO以及网络传输开销。通常来说，在可能的情况下，建议使用reduceByKey或者aggregateByKey算子来替代掉groupByKey算子。因为reduceByKey和aggregateByKey算子都会使用用户自定义的函数对每个节点本地的相同key进行预聚合。而groupByKey算子是不会进行预聚合的，全量的数据会在集群的各个节点之间分发和传输，性能相对来说比较差。
比如如下两幅图，就是典型的例子，分别基于reduceByKey和groupByKey进行单词计数。其中第一张图是groupByKey的原理图，可以看到，没有进行任何本地聚合时，所有数据都会在集群节点之间传输;第二张图是reduceByKey的原理图，可以看到，每个节点本地的相同key数据，都进行了预聚合，然后才传输到其他节点上进行全局聚合。
原则六：使用高性能的算子
除了shuffle相关的算子有优化原则之外，其他的算子也都有着相应的优化原则。
使用reduceByKey/aggregateByKey替代groupByKey
详情见“原则五：使用map-side预聚合的shuffle操作”。
使用mapPartitions替代普通map
mapPartitions类的算子，一次函数调用会处理一个partition所有的数据，而不是一次函数调用处理一条，性能相对来说会高一些。但是有的时候，使用mapPartitions会出现OOM(内存溢出)的问题。因为单次函数调用就要处理掉一个partition所有的数据，如果内存不够，垃圾回收时是无法回收掉太多对象的，很可能出现OOM异常。所以使用这类操作时要慎重!
使用foreachPartitions替代foreach
原理类似于“使用mapPartitions替代map”，也是一次函数调用处理一个partition的所有数据，而不是一次函数调用处理一条数据。在实践中发现，foreachPartitions类的算子，对性能的提升还是很有帮助的。比如在foreach函数中，将RDD中所有数据写MySQL，那么如果是普通的foreach算子，就会一条数据一条数据地写，每次函数调用可能就会创建一个数据库连接，此时就势必会频繁地创建和销毁数据库连接，性能是非常低下;但是如果用foreachPartitions算子一次性处理一个partition的数据，那么对于每个partition，只要创建一个数据库连接即可，然后执行批量插入操作，此时性能是比较高的。实践中发现，对于1万条左右的数据量写MySQL，性能可以提升30%以上。
使用filter之后进行coalesce操作*
通常对一个RDD执行filter算子过滤掉RDD中较多数据后(比如30%以上的数据)，建议使用coalesce算子，手动减少RDD的partition数量，将RDD中的数据压缩到更少的partition中去。因为filter之后，RDD的每个partition中都会有很多数据被过滤掉，此时如果照常进行后续的计算，其实每个task处理的partition中的数据量并不是很多，有一点资源浪费，而且此时处理的task越多，可能速度反而越慢。因此用coalesce减少partition数量，将RDD中的数据压缩到更少的partition之后，只要使用更少的task即可处理完所有的partition。在某些场景下，对于性能的提升会有一定的帮助。
使用repartitionAndSortWithinPartitions替代repartition与sort类操作
repartitionAndSortWithinPartitions是Spark官网推荐的一个算子，官方建议，如果需要在repartition重分区之后，还要进行排序，建议直接使用repartitionAndSortWithinPartitions算子。因为该算子可以一边进行重分区的shuffle操作，一边进行排序。shuffle与sort两个操作同时进行，比先shuffle再sort来说，性能可能是要高的。
原则七：广播大变量
有时在开发过程中，会遇到需要在算子函数中使用外部变量的场景(尤其是大变量，比如100M以上的大集合)，那么此时就应该使用Spark的广播(Broadcast)功能来提升性能。
在算子函数中使用到外部变量时，默认情况下，Spark会将该变量复制多个副本，通过网络传输到task中，此时每个task都有一个变量副本。如果变量本身比较大的话(比如100M，甚至1G)，那么大量的变量副本在网络中传输的性能开销，以及在各个节点的Executor中占用过多内存导致的频繁GC，都会极大地影响性能。
因此对于上述情况，如果使用的外部变量比较大，建议使用Spark的广播功能，对该变量进行广播。广播后的变量，会保证每个Executor的内存中，只驻留一份变量副本，而Executor中的task执行时共享该Executor中的那份变量副本。这样的话，可以大大减少变量副本的数量，从而减少网络传输的性能开销，并减少对Executor内存的占用开销，降低GC的频率。
广播大变量的代码示例
// 以下代码在算子函数中，使用了外部的变量。 // 此时没有做任何特殊操作，每个task都会有一份list1的副本。 val list1 = ... rdd1.map(list1...) // 以下代码将list1封装成了Broadcast类型的广播变量。 // 在算子函数中，使用广播变量时，首先会判断当前task所在Executor内存中，是否有变量副本。 // 如果有则直接使用；如果没有则从Driver或者其他Executor节点上远程拉取一份放到本地Executor内存中。 // 每个Executor内存中，就只会驻留一份广播变量副本。 val list1 = ... val list1Broadcast = sc.broadcast(list1) rdd1.map(list1Broadcast...) |
原则八：使用Kryo优化序列化性能
在Spark中，主要有三个地方涉及到了序列化：
在算子函数中使用到外部变量时，该变量会被序列化后进行网络传输(见“原则七：广播大变量”中的讲解)。
将自定义的类型作为RDD的泛型类型时(比如JavaRDD，Student是自定义类型)，所有自定义类型对象，都会进行序列化。因此这种情况下，也要求自定义的类必须实现Serializable接口。
使用可序列化的持久化策略时(比如MEMORY_ONLY_SER)，Spark会将RDD中的每个partition都序列化成一个大的字节数组。
对于这三种出现序列化的地方，我们都可以通过使用Kryo序列化类库，来优化序列化和反序列化的性能。Spark默认使用的是Java的序列化机制，也就是ObjectOutputStream/ObjectInputStream API来进行序列化和反序列化。但是Spark同时支持使用Kryo序列化库，Kryo序列化类库的性能比Java序列化类库的性能要高很多。官方介绍，Kryo序列化机制比Java序列化机制，性能高10倍左右。Spark之所以默认没有使用Kryo作为序列化类库，是因为Kryo要求最好要注册所有需要进行序列化的自定义类型，因此对于开发者来说，这种方式比较麻烦。
以下是使用Kryo的代码示例，我们只要设置序列化类，再注册要序列化的自定义类型即可(比如算子函数中使用到的外部变量类型、作为RDD泛型类型的自定义类型等)：
// 创建SparkConf对象。 val conf = new SparkConf().setMaster(...).setAppName(...) // 设置序列化器为KryoSerializer。 conf.set("spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.KryoSerializer") // 注册要序列化的自定义类型。 conf.registerKryoClasses(Array(classOf[MyClass1], classOf[MyClass2])) |
原则九：优化数据结构
Java中，有三种类型比较耗费内存：
对象，每个Java对象都有对象头、引用等额外的信息，因此比较占用内存空间。
字符串，每个字符串内部都有一个字符数组以及长度等额外信息。
集合类型，比如HashMap、LinkedList等，因为集合类型内部通常会使用一些内部类来封装集合元素，比如Map.Entry。
因此Spark官方建议，在Spark编码实现中，特别是对于算子函数中的代码，尽量不要使用上述三种数据结构，尽量使用字符串替代对象，使用原始类型(比如Int、Long)替代字符串，使用数组替代集合类型，这样尽可能地减少内存占用，从而降低GC频率，提升性能。
但是在笔者的编码实践中发现，要做到该原则其实并不容易。因为我们同时要考虑到代码的可维护性，如果一个代码中，完全没有任何对象抽象，全部是字符串拼接的方式，那么对于后续的代码维护和修改，无疑是一场巨大的灾难。同理，如果所有操作都基于数组实现，而不使用HashMap、LinkedList等集合类型，那么对于我们的编码难度以及代码可维护性，也是一个极大的挑战。因此笔者建议，在可能以及合适的情况下，使用占用内存较少的数据结构，但是前提是要保证代码的可维护性。
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