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af9f417165
@ -106,7 +106,7 @@
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| 第八章:分布式系统中的问题 | 初翻 | |
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| 第九章:一致性与共识 | 初翻 | |
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| 第三部分:衍生数据 | 精翻 | |
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| 第十章:批处理 | 80% | Vonng |
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| 第十章:批处理 | 精翻 | Vonng |
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| 第十一章:流处理 | 草翻 | |
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| 第十二章:数据系统的未来 | 初翻 40% | Vonng |
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| 术语表 | - | |
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ch10.md
193
ch10.md
@ -509,229 +509,228 @@ top5.each{|count, url| puts "#{count} #{url}" } # 5
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如果一个节点在执行查询时崩溃,大多数MPP数据库会中止整个查询,并让用户重新提交查询或自动重新运行它【3】。由于查询通常最多运行几秒钟或几分钟,所以这种错误处理的方法是可以接受的,因为重试的代价不是太大。 MPP数据库还倾向于在内存中保留尽可能多的数据(例如,使用散列连接)以避免从磁盘读取的开销。
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另一方面,MapReduce可以容忍单个Map或Reduce任务的失败,而不会影响作业的整体,通过以单个任务的粒度重试工作。它也非常希望将数据写入磁盘,一方面是为了容错,另一部分是假设数据集太大而不能适应内存。
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另一方面,MapReduce可以容忍单个Map或Reduce任务的失败,而不会影响作业的整体,通过以单个任务的粒度重试工作。它也会非常急切地将数据写入磁盘,一方面是为了容错,另一部分是因为假设数据集太大而不能适应内存。
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MapReduce方式更适用于较大的作业:要处理如此之多的数据并运行很长时间的作业,以至于在此过程中很可能至少遇到一个任务故障。在这种情况下,由于单个任务失败而重新运行整个作业将是非常浪费的。即使以单个任务的粒度进行恢复引入了使得无故障处理更慢的开销,但如果任务失败率足够高,这仍然是一种合理的权衡。
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但是这些假设有多现实呢?在大多数集群中,机器故障确实发生,但是它们不是很频繁 —— 可能很少到,大多数作业都不会经历机器故障。为了容错,真的值得招来这么大的额外开销吗?
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但是这些假设有多么现实呢?在大多数集群中,机器故障确实会发生,但是它们不是很频繁 —— 可能少到绝大多数作业都不会经历机器故障。为了容错,真的值得带来这么大的额外开销吗?
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要了解MapReduce节省使用内存和任务级恢复的原因,查看最初设计MapReduce的环境是很有帮助的。 Google拥有混合使用的数据中心,在线生产服务和离线批处理作业在同一台机器上运行。每个任务都有一个使用容器执行的资源分配(CPU核心,RAM,磁盘空间等)。每个任务也具有优先级,如果优先级较高的任务需要更多的资源,则可以终止(抢占)同一台机器上较低优先级的任务以释放资源。优先级还决定了计算资源的定价:团队必须为他们使用的资源付费,而优先级更高的流程花费更多【59】。
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要了解MapReduce节约使用内存和在任务的层次进行恢复的原因,了解最初设计MapReduce的环境是很有帮助的。 Google有着混用的数据中心,在线生产服务和离线批处理作业在同样机器上运行。每个任务都有一个通过容器强制执行的资源配给(CPU核心,RAM,磁盘空间等)。每个任务也具有优先级,如果优先级较高的任务需要更多的资源,则可以终止(抢占)同一台机器上较低优先级的任务以释放资源。优先级还决定了计算资源的定价:团队必须为他们使用的资源付费,而优先级更高的进程花费更多【59】。
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这种架构允许非生产(低优先级)计算资源被过度使用,因为系统知道如果必要的话它可以回收资源。与分离生产和非生产任务的系统相比,过度使用资源可以更好地利用机器和提高效率。但是,由于MapReduce作业以低优先级运行,因此它们随时都有被抢占的风险,因为优先级较高的进程需要其资源。批量工作有效地“拿起桌子下面的碎片”,利用高优先级进程已经采取的任何计算资源。
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这种架构允许非生产(低优先级)计算资源被**过量使用(overcommitted)**,因为系统知道必要时它可以回收资源。与分离生产和非生产任务的系统相比,过量使用资源可以更好地利用机器并提高效率。但由于MapReduce作业以低优先级运行,它们随时都有被抢占的风险,因为优先级较高的进程可能需要其资源。在高优先级进程拿走所需资源后,批量作业能有效地“捡面包屑”,利用剩下的任何计算资源。
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在谷歌,运行一个小时的MapReduce任务有大约5%被终止的风险,为更高优先级的进程腾出空间。由于硬件问题,机器重新启动或其他原因,这个速率比故障率高出一个数量级【59】。按照这种抢先率,如果一个作业有100个任务,每个任务运行10分钟,那么至少有一个任务在完成之前将被终止的风险大于50%。
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在谷歌,运行一个小时的MapReduce任务有大约有5%的风险被终止,为了给更高优先级的进程挪地方。这一概率比硬件问题,机器重启或其他原因的概率高了一个数量级【59】。按照这种抢占率,如果一个作业有100个任务,每个任务运行10分钟,那么至少有一个任务在完成之前被终止的风险大于50%。
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这就是为什么MapReduce能够容忍频繁意外的任务终止的原因:这不是因为硬件特别不可靠,这是因为任意终止进程的自由可以在计算集群中更好地利用资源。
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这就是MapReduce被设计为容忍频繁意外任务终止的原因:不是因为硬件很不可靠,而是因为任意终止进程的自由有利于提高计算集群中的资源利用率。
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在开源的集群调度器中,抢占的使用较少。 YARN的CapacityScheduler支持抢占以平衡不同队列的资源分配【58】,但在编写本文时,YARN,Mesos或Kubernetes不支持通用优先级抢占【60】。在任务不经常被终止的环境中,MapReduce的设计决策没有多少意义。在下一节中,我们将看看MapReduce的一些替代方案,这些替代方案做出了不同的设计决定。
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在开源的集群调度器中,抢占的使用较少。 YARN的CapacityScheduler支持抢占,以平衡不同队列的资源分配【58】,但在编写本文时,YARN,Mesos或Kubernetes不支持通用优先级抢占【60】。在任务不经常被终止的环境中,MapReduce的这一设计决策就没有多少意义了。在下一节中,我们将研究一些与MapReduce设计决策相异的替代方案。
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## 后MapReduce时代
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## MapReduce之后
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虽然MapReduce在二十世纪二十年代后期变得非常流行并受到大量的炒作,但它只是分布式系统的许多可能的编程模型之一。根据数据量,数据结构和处理类型,其他工具可能更适合表达计算。
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虽然MapReduce在二十世纪二十年代后期变得非常流行,并受到大量的炒作,但它只是分布式系统的许多可能的编程模型之一。对于不同的数据量,数据结构和处理类型,其他工具可能更适合表示计算。
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尽管如此,我们在讨论MapReduce的这一章花了很多时间,因为它是一个有用的学习工具,因为它是分布式文件系统的一个相当清晰和简单的抽象。也就是说,能够理解它在做什么,而不是在易于使用的意义上是简单的。恰恰相反:使用原始的MapReduce API来实现复杂的处理工作实际上是非常困难和费力的 —— 例如,你需要从头开始实现任何连接算法【37】。
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不管如何,我们在这一章花了大把时间来讨论MapReduce,因为它是一种有用的学习工具,它是分布式文件系统的一种相当简单明晰的抽象。在这里,**简单**意味着我们能理解它在做什么,而不是意味着使用它很简单。恰恰相反:使用原始的MapReduce API来实现复杂的处理工作实际上是非常困难和费力的 —— 例如,任意一种连接算法都需要你从头开始实现【37】。
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针对直接使用MapReduce的困难,在MapReduce上创建了各种更高级的编程模型(Pig,Hive,Cascading,Crunch)作为抽象。如果你了解MapReduce的工作原理,那么它们相当容易学习,而且它们的高级构造使许多常见的批处理任务更容易实现。
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针对直接使用MapReduce的困难,在MapReduce上有很多高级编程模型(Pig,Hive,Cascading,Crunch)被创造出来,作为建立在MapReduce之上的抽象。如果你了解MapReduce的原理,那么它们学起来相当简单。而且它们的高级结构能显著简化许多常见批处理任务的实现。
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但是,MapReduce执行模型本身也存在一些问题,这些问题并没有通过增加另一个抽象层次来解决,而且在某些类型的处理中表现得很差。一方面,MapReduce非常强大:你可以使用它来处理频繁任务终止的不可靠多租户系统上几乎任意大量的数据,并且仍然可以完成工作(虽然速度很慢)。另一方面,对于某些类型的处理来说,其他工具有时也会更快。
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但是,MapReduce执行模型本身也存在一些问题,这些问题并没有通过增加另一个抽象层次而解决,而对于某些类型的处理,它表现得非常差劲。一方面,MapReduce非常稳健:你可以使用它在任务会频繁终止的多租户系统上处理几乎任意大量级的数据,并且仍然可以完成工作(虽然速度很慢)。另一方面,对于某些类型的处理而言,其他工具有时会快上几个数量级。
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在本章的其余部分中,我们将介绍一些批处理方法。在第十一章我们将转向流处理,这可以看作是加速批处理的另一种方法。
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在本章的其余部分中,我们将介绍一些批处理方法。在[第11章](ch11.md)我们将转向流处理,它可以看作是加速批处理的另一种方法。
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### 内部状态表示
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### 物化中间状态
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如前所述,每个MapReduce作业都独立于其他任何作业。作业与世界其他地方的主要联系点是分布式文件系统上的输入和输出目录。如果希望一个作业的输出成为第二个作业的输入,则需要将第二个作业的输入目录配置为与第一个作业的输出目录相同,并且外部工作流调度程序必须仅在第一份工作已经完成。
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如前所述,每个MapReduce作业都独立于其他任何作业。作业与世界其他地方的主要连接点是分布式文件系统上的输入和输出目录。如果希望一个作业的输出成为第二个作业的输入,则需要将第二个作业的输入目录配置为第一个作业输出目录,且外部工作流调度程序必须在第一个作业完成后再启动第二个。
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如果第一个作业的输出是要在组织内广泛发布的数据集,则此设置是合理的。在这种情况下,你需要能够通过名称来引用它,并将其用作多个不同作业(包括由其他团队开发的作业)的输入。将数据发布到分布式文件系统中的众所周知的位置允许松耦合,这样作业就不需要知道是谁在输入输出或消耗其输出(参阅“[逻辑与布线相分离](#逻辑与布线相分离)”)。
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如果第一个作业的输出是要在组织内广泛发布的数据集,则这种配置是合理的。在这种情况下,你需要通过名称引用它,并将其重用为多个不同作业的输入(包括由其他团队开发的作业)。将数据发布到分布式文件系统中众所周知的位置能够带来**松耦合**,这样作业就不需要知道是谁在提供输入或谁在消费输出(参阅“[逻辑与布线相分离](#逻辑与布线相分离)”)。
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但是,在很多情况下,你知道一个工作的输出只能用作另一个工作的输入,这个工作由同一个团队维护。在这种情况下,分布式文件系统上的文件只是简单的中间状态:一种将数据从一个作业传递到下一个作业的方式。在用于构建由50或100个MapReduce作业【29】组成的推荐系统的复杂工作流程中,存在很多这样的中间状态。
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但在很多情况下,你知道一个作业的输出只能用作另一个作业的输入,这些作业由同一个团队维护。在这种情况下,分布式文件系统上的文件只是简单的**中间状态(intermediate state)**:一种将数据从一个作业传递到下一个作业的方式。在一个用于构建推荐系统的,由50或100个MapReduce作业组成的复杂工作流中,存在着很多这样的中间状态【29】。
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将这个中间状态写入文件的过程称为**物化**。 (我们在“[聚合:数据立方体和物化视图](ch2.md#聚合:数据立方体和物化视图)”中已经在物化视图的背景下遇到了这个术语。它意味着立即求值,某个操作的结果并写出来,而不是计算需要时按需计算)
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将这个中间状态写入文件的过程称为**物化(materialization)**。 (在“[聚合:数据立方体和物化视图](ch2.md#聚合:数据立方体和物化视图)”中已经在物化视图的背景中遇到过这个术语。它意味着对某个操作的结果立即求值并写出来,而不是在请求时按需计算)
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相反,本章开头的日志分析示例使用Unix管道将一个命令的输出与另一个命令的输出连接起来。管道并没有完全实现中间状态,而是只使用一个小的内存缓冲区,将输出逐渐流向输入。
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作为对照,本章开头的日志分析示例使用Unix管道将一个命令的输出与另一个命令的输入连接起来。管道并没有完全物化中间状态,而是只使用一个小的内存缓冲区,将输出增量地**流(stream)**向输入。
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MapReduce的完全实现中间状态的方法与Unix管道相比存在不足:
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与Unix管道相比,MapReduce完全物化中间状态的方法存在不足之处:
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- MapReduce作业只有在前面的作业(生成其输入)中的所有任务都完成时才能启动,而由Unix管道连接的进程同时启动,输出一旦生成就会被使用。不同机器上的偏差或不同的负荷意味着一份工作往往会有一些比其他人更快完成的离散任务。必须等到所有前面的工作完成才能减慢整个工作流程的执行。
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- Mapper通常是多余的:它们只读取刚刚由reducer写入的相同文件,并为下一个分区和排序阶段做好准备。在许多情况下,Mapper代码可能是以前的reducer的一部分:如果reducer输出被分区和排序的方式与mapper输出相同,那么reducers可以直接链接在一起,而不与mapper阶段交错。
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- 将中间状态存储在分布式文件系统中意味着这些文件被复制到多个节点,这对于这样的临时数据通常是过度的。
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- MapReduce作业只有在前驱作业(生成其输入)中的所有任务都完成时才能启动,而由Unix管道连接的进程会同时启动,输出一旦生成就会被消费。不同机器上的数据倾斜或负载不均意味着一个作业往往会有一些掉队的任务,比其他任务要慢得多才能完成。必须等待至前驱作业的所有任务完成,拖慢了整个工作流程的执行。
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- Mapper通常是多余的:它们仅仅是读取刚刚由Reducer写入的同样文件,为下一个阶段的分区和排序做准备。在许多情况下,Mapper代码可能是前驱Reducer的一部分:如果Reducer和Mapper的输出有着相同的分区与排序方式,那么Reducer就可以直接串在一起,而不用与Mapper相互交织。
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- 将中间状态存储在分布式文件系统中意味着这些文件被复制到多个节点,这些临时数据这么搞就比较过分了。
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#### 数据流引擎
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了解决MapReduce的这些问题,开发了几种用于分布式批量计算的新的执行引擎,其中最着名的是Spark 【61,62】,Tez 【63,64】和Flink 【65,66】。他们设计的方式有很多不同之处,但他们有一个共同点:他们把整个工作流作为一项工作来处理,而不是把它分解成独立的子作业。
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了解决MapReduce的这些问题,几种用于分布式批处理的新执行引擎被开发出来,其中最著名的是Spark 【61,62】,Tez 【63,64】和Flink 【65,66】。它们的设计方式有很多区别,但有一个共同点:把整个工作流作为单个作业来处理,而不是把它分解为独立的子作业。
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由于它们通过几个处理阶段明确地建模数据流,所以这些系统被称为数据流引擎。像MapReduce一样,它们通过反复调用用户定义的函数来在单个线程上一次处理一条记录。他们通过对输入进行分区来并行工作,并将一个功能的输出复制到网络上,成为另一个功能的输入。
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由于它们将工作流显式建模为 数据从几个处理阶段穿过,所以这些系统被称为**数据流引擎(dataflow engines)**。像MapReduce一样,它们在一条线上通过反复调用用户定义的函数来一次处理一条记录,它们通过输入分区来并行化载荷,它们通过网络将一个函数的输出复制到另一个函数的输入。
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与MapReduce不同,这些功能不需要交替Map和Reduce的严格角色,而是可以以更灵活的方式进行组合。我们称之为这些函数操作符,数据流引擎提供了几个不同的选项来连接一个操作符的输出到另一个的输入:
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与MapReduce不同,这些功能不需要严格扮演交织的Map与Reduce的角色,而是可以以更灵活的方式进行组合。我们称这些函数为**算子(operators)**,数据流引擎提供了几种不同的选项来将一个算子的输出连接到另一个算子的输入:
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- 一个选项是通过键对记录进行重新分区和排序,就像在MapReduce的混洗阶段一样(参阅“[分布式执行MapReduce](#分布式执行MapReduce)”)。此功能可以像在MapReduce中一样启用排序合并连接和分组。
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- 另一种可能是采取几个输入,并以相同的方式进行分区,但跳过排序。这节省了分区散列连接的工作,其中记录的分区是重要的,但顺序是不相关的,因为构建散列表随机化了顺序。
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- 对于广播散列连接,可以将一个运算符的相同输出发送到连接运算符的所有分区。
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- 一种选项是对记录按键重新分区并排序,就像在MapReduce的混洗阶段一样(参阅“[分布式执行MapReduce](#分布式执行MapReduce)”)。这种功能可以用于实现排序合并连接和分组,就像在MapReduce中一样。
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- 另一种可能是接受多个输入,并以相同的方式进行分区,但跳过排序。当记录的分区重要但顺序无关紧要时,这省去了分区散列连接的工作,因为构建散列表还是会把顺序随机打乱。
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- 对于广播散列连接,可以将一个算子的输出,发送到连接算子的所有分区。
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这种处理引擎的风格基于像Dryad 【67】和Nephele 【68】这样的研究系统,与MapReduce模型相比,它提供了几个优点:
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这种类型的处理引擎是基于像Dryad 【67】和Nephele 【68】这样的研究系统,与MapReduce模型相比,它有几个优点:
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- 排序等昂贵的工作只需要在实际需要的地方执行,而不是在每个Map和Reduce阶段之间默认发生。
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- 没有不必要的Map任务,因为Mapper所做的工作通常可以合并到前面的reduce操作器中(因为Mapper不会更改数据集的分区)。
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- 由于工作流程中的所有连接和数据依赖性都是明确声明的,因此调度程序会概述哪些数据是必需的,因此可以进行本地优化。例如,它可以尝试将占用某些数据的任务放在与生成它的任务相同的机器上,以便可以通过共享内存缓冲区交换数据,而不必通过网络复制数据。
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- 通常将运算符之间的中间状态保存在内存中或写入本地磁盘就足够了,这比写入HDFS需要更少的I/O(必须将其复制到多个计算机并写入到每个代理的磁盘上)。 MapReduce已经将这种优化用于Mapper的输出,但是数据流引擎将该思想推广到了所有的中间状态。
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- 运算符可以在输入准备就绪后立即开始执行;在下一个开始之前不需要等待整个前一阶段的完成。
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- 与MapReduce(为每个任务启动一个新的JVM)相比,现有的Java虚拟机(JVM)进程可以重用来运行新操作,从而减少启动开销。
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- 排序等昂贵的工作只需要在实际需要的地方执行,而不是默认地在每个Map和Reduce阶段之间出现。
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- 没有不必要的Map任务,因为Mapper所做的工作通常可以合并到前面的Reduce算子中(因为Mapper不会更改数据集的分区)。
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- 由于工作流中的所有连接和数据依赖都是显式声明的,因此调度程序能够总览全局,知道哪里需要哪些数据,因而能够利用局部性进行优化。例如,它可以尝试将消费某些数据的任务放在与生成这些数据的任务相同的机器上,从而数据可以通过共享内存缓冲区传输,而不必通过网络复制。
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- 通常,算子间的中间状态足以保存在内存中或写入本地磁盘,这比写入HDFS需要更少的I/O(必须将其复制到多台机器,并将每个副本写入磁盘)。 MapReduce已经对Mapper的输出做了这种优化,但数据流引擎将这种思想推广至所有的中间状态。
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- 算子可以在输入就绪后立即开始执行;后续阶段无需等待前驱阶段整个完成后再开始。
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- 与MapReduce(为每个任务启动一个新的JVM)相比,现有Java虚拟机(JVM)进程可以重用来运行新算子,从而减少启动开销。
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你可以使用数据流引擎来执行与MapReduce工作流相同的计算,并且由于此处所述的优化,通常执行速度会明显更快。既然操作符是Map和Reduce的泛化,相同的处理代码可以在任一执行引擎上运行:Pig,Hive或Cascading中实现的工作流可以通过简单的配置更改从MapReduce切换到Tez或Spark,而无需修改代码【64】。
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你可以使用数据流引擎执行与MapReduce工作流同样的计算,而且由于此处所述的优化,通常执行速度要明显快得多。既然算子是Map和Reduce的泛化,那么相同的处理代码就可以在任一执行引擎上运行:Pig,Hive或Cascading中实现的工作流可以无需修改代码,可以通过修改配置,简单地从MapReduce切换到Tez或Spark【64】。
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Tez是一个相当薄的库,它依赖于YARN shuffle服务来实现节点间数据的实际复制【58】,而Spark和Flink则是包含自己的网络通信层,调度器和面向用户的API的大型框架。我们将在短期内讨论这些高级API。
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Tez是一个相当薄的库,它依赖于YARN shuffle服务来实现节点间数据的实际复制【58】,而Spark和Flink则是包含了独立网络通信层,调度器,及用户向API的大型框架。我们将简要讨论这些高级API。
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#### 容错
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完全实现中间状态到分布式文件系统的一个优点是它是持久的,这使得MapReduce中的容错相当容易:如果一个任务失败,它可以在另一台机器上重新启动,并从文件系统重新读取相同的输入。
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完全物化中间状态至分布式文件系统的一个优点是,它具有持久性,这使得MapReduce中的容错相当容易:如果一个任务失败,它可以在另一台机器上重新启动,并从文件系统重新读取相同的输入。
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Spark,Flink和Tez避免将中间状态写入HDFS,因此他们采取了不同的方法来容错:如果一台机器发生故障,并且该机器上的中间状态丢失,则会从其他仍然可用的数据重新计算在可能的情况下是在先的中间阶段,或者是通常在HDFS上的原始输入数据)。
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Spark,Flink和Tez避免将中间状态写入HDFS,因此它们采取了不同的方法来容错:如果一台机器发生故障,并且该机器上的中间状态丢失,则它会从其他仍然可用的数据重新计算(在可行的情况下是先前的中间状态,要么就只能是原始输入数据,通常在HDFS上)。
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为了实现这个重新计算,框架必须跟踪一个给定的数据是如何计算的 —— 使用哪个输入分区,以及哪个操作符被应用到它。 Spark使用**弹性分布式数据集(RDD)**抽象来追踪数据的祖先【61】,而Flink检查点操作符状态,允许其恢复运行在执行过程中遇到错误的操作符【66】。
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为了实现这种重新计算,框架必须跟踪一个给定的数据是如何计算的 —— 使用了哪些输入分区?应用了哪些算子? Spark使用**弹性分布式数据集(RDD)**的抽象来跟踪数据的谱系【61】,而Flink对算子状态存档,允许恢复运行在执行过程中遇到错误的算子【66】。
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在重新计算数据时,重要的是要知道计算是否是确定性的:也就是说,给定相同的输入数据,操作员是否始终生成相同的输出?如果一些丢失的数据已经发送给下游运营商,这个问题就很重要。如果运营商重新启动,重新计算的数据与原有的丢失数据不一致,下游运营商很难解决新旧数据之间的矛盾。对于不确定性运营商来说,解决方案通常是杀死下游运营商,然后再运行新数据。
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在重新计算数据时,重要的是要知道计算是否是**确定性的**:也就是说,给定相同的输入数据,算子是否始终产生相同的输出?如果一些丢失的数据已经发送给下游算子,这个问题就很重要。如果算子重新启动,重新计算的数据与原有的丢失数据不一致,下游算子很难解决新旧数据之间的矛盾。对于不确定性算子来说,解决方案通常是杀死下游算子,然后再重跑新数据。
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为了避免这种级联故障,最好让运算符具有确定性。但是请注意,非确定性行为很容易发生意外蔓延:例如,许多编程语言在迭代哈希表的元素时不能保证任何特定顺序,许多概率和统计算法明确依赖于使用随机数,以及任何用途系统时钟或外部数据源是不确定的。为了可靠地从故障中恢复,例如通过使用固定种子产生伪随机数,需要消除这种不确定性的原因。
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为了避免这种级联故障,最好让算子具有确定性。但需要注意的是,非确定性行为很容易悄悄溜进来:例如,许多编程语言在迭代哈希表的元素时不能对顺序作出保证,许多概率和统计算法显式依赖于使用随机数,以及用到系统时钟或外部数据源,这些都是都不确定性的行为。为了能可靠地从故障中恢复,需要消除这种不确定性因素,例如使用固定的种子生成伪随机数。
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通过重新计算数据从故障中恢复并不总是正确的答案:如果中间数据比源数据小得多,或者如果计算量非常大,那么将中间数据转化为文件可能比将其重新计算更便宜。
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通过重算数据来从故障中恢复并不总是正确的答案:如果中间状态数据要比源数据小得多,或者如果计算量非常大,那么将中间数据物化为文件可能要比重新计算廉价的多。
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#### 关于物化的讨论
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回到Unix的类比,我们看到MapReduce就像是将每个命令的输出写入临时文件,而数据流引擎看起来更像是Unix管道。尤其是Flink是围绕流水线执行的思想而建立的:也就是说,将运算符的输出递增地传递给其他操作符,并且在开始处理之前不等待输入完成。
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回到Unix的类比,我们看到,MapReduce就像是将每个命令的输出写入临时文件,而数据流引擎看起来更像是Unix管道。尤其是Flink是基于管道执行的思想而建立的:也就是说,将算子的输出增量地传递给其他算子,不待输入完成便开始处理。
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排序操作不可避免地需要消耗其整个输入,然后才能生成任何输出,因为最后一个输入记录可能是具有最低键的输入记录,因此需要作为第一个输出记录。任何需要分类的运算符都需要至少暂时地累积状态。但是工作流程的许多其他部分可以以流水线方式执行。
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排序算子不可避免地需要消费全部的输入后才能生成任何输出,因为输入中最后一条输入记录可能具有最小的键,因此需要作为第一条记录输出。因此,任何需要排序的算子都需要至少暂时地累积状态。但是工作流的许多其他部分可以以流水线方式执行。
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当作业完成时,它的输出需要持续到某个地方,以便用户可以找到并使用它—— 很可能它会再次写入分布式文件系统。因此,在使用数据流引擎时,HDFS上的物化数据集通常仍是作业的输入和最终输出。和MapReduce一样,输入是不可变的,输出被完全替换。对MapReduce的改进是,你可以节省自己将所有中间状态写入文件系统。
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当作业完成时,它的输出需要持续到某个地方,以便用户可以找到并使用它—— 很可能它会再次写入分布式文件系统。因此,在使用数据流引擎时,HDFS上的物化数据集通常仍是作业的输入和最终输出。和MapReduce一样,输入是不可变的,输出被完全替换。比起MapReduce的改进是,你不用再自己去将中间状态写入文件系统了。
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### 图与迭代处理
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在“[图数据模型](ch2.md#图数据模型)”中,我们讨论了使用图形来建模数据,并使用图形查询语言来遍历图形中的边和顶点。[第2章](ch2.md)的讨论集中在OLTP风格的使用上:快速执行查询来查找少量符合特定条件的顶点。
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在“[图数据模型](ch2.md#图数据模型)”中,我们讨论了使用图来建模数据,并使用图查询语言来遍历图中的边与点。[第2章](ch2.md)的讨论集中在OLTP风格的应用场景:快速执行查询来查找少量符合特定条件的顶点。
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在批处理环境中查看图也很有趣,其目标是在整个图上执行某种离线处理或分析。这种需求经常出现在机器学习应用(如推荐引擎)或排序系统中。例如,最着名的图形分析算法之一是PageRank 【69】,它试图根据其他网页链接的网页来估计网页的流行度。它被用作确定网络搜索引擎呈现结果的顺序的公式的一部分。
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批处理上下文中的图也很有趣,其目标是在整个图上执行某种离线处理或分析。这种需求经常出现在机器学习应用(如推荐引擎)或排序系统中。例如,最着名的图形分析算法之一是PageRank 【69】,它试图根据链接到某个网页的其他网页来估计该网页的流行度。它作为配方的一部分,用于确定网络搜索引擎呈现结果的顺序
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> 像Spark,Flink和Tez这样的数据流引擎(参见“[中间状态的物化](#中间状态的物化)”)通常将操作符作为**有向无环图(DAG)**排列在作业中。这与图形处理不一样:在数据流引擎中,从一个操作符到另一个操作符的数据流被构造成一个图,而数据本身通常由关系式元组构成。在图处理中,数据本身具有图的形式。另一个不幸的命名混乱!
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> 像Spark,Flink和Tez这样的数据流引擎(参见“[中间状态的物化](#中间状态的物化)”)通常将算子作为**有向无环图(DAG)**的一部分安排在作业中。这与图处理不一样:在数据流引擎中,**从一个算子到另一个算子的数据流**被构造成一个图,而数据本身通常由关系型元组构成。在图处理中,数据本身具有图的形式。又一个不幸的命名混乱!
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许多图算法是通过一次遍历一个边来表示的,将一个顶点与相邻的顶点连接起来以便传播一些信息,并且重复直到满足一些条件为止——例如,直到没有更多的边要跟随,或者直到一些度量收敛。我们在[图2-6](img/fig2-6.png)中看到一个例子,它通过重复地跟踪指示哪个位置在哪个其他位置(这种算法被称为传递闭包)的边缘,列出了包含在数据库中的北美所有位置。
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许多图算法是通过一次遍历一条边来表示的,将一个顶点与近邻的顶点连接起来,以传播一些信息,并不断重复,直到满足一些条件为止 —— 例如,直到没有更多的边要跟进,或直到一些指标收敛。我们在[图2-6](img/fig2-6.png)中看到一个例子,它通过重复跟进标明地点归属关系的边,生成了数据库中北美包含的所有地点列表(这种算法被称为**闭包传递(transitive closure)**)。
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可以在分布式文件系统(包含顶点和边的列表的文件)中存储图形,但是这种“重复直到完成”的想法不能用普通的MapReduce来表示,因为它只执行一次数据传递。这种算法因此经常以迭代方式实现:
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可以在分布式文件系统中存储图(包含顶点和边的列表的文件),但是这种“重复至完成”的想法不能用普通的MapReduce来表示,因为它只扫过一趟数据。这种算法因此经常以**迭代**的风格实现:
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1. 外部调度程序运行批处理来计算算法的一个步骤。
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2. 当批处理过程完成时,调度器检查它是否完成(基于完成条件 - 例如,没有更多的边要跟随,或者与上次迭代相比的变化低于某个阈值)。
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2. 当批处理过程完成时,调度器检查它是否完成(基于完成条件 —— 例如,没有更多的边要跟进,或者与上次迭代相比的变化低于某个阈值)。
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3. 如果尚未完成,则调度程序返回到步骤1并运行另一轮批处理。
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这种方法是有效的,但是用MapReduce实现它往往是非常低效的,因为MapReduce没有考虑算法的迭代性质:它总是读取整个输入数据集并产生一个全新的输出数据集,即使只有一小部分该图与上次迭代相比已经改变。
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Pregel处理模型
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这种方法是有效的,但是用MapReduce实现它往往非常低效,因为MapReduce没有考虑算法的迭代性质:它总是读取整个输入数据集并产生一个全新的输出数据集,即使与上次迭代相比,改变的仅仅是图中的一小部分。
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作为批处理图形的优化,计算的**批量同步并行(BSP)**模型【70】已经流行起来。其中,它由Apache Giraph 【37】,Spark的GraphX API和Flink的Gelly API 【71】实现。它也被称为Pregel模型,正如Google的Pregel论文推广这种处理图的方法【72】。
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#### Pregel处理模型
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回想一下在MapReduce中,Mapper在概念上“发送消息”给Reducer的特定调用,因为框架将所有的Mapper输出集中在一起。 Pregel背后有一个类似的想法:一个顶点可以“发送消息”到另一个顶点,通常这些消息沿着图的边被发送。
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针对图批处理的优化 —— **批量同步并行(BSP)**计算模型【70】已经开始流行起来。其中,Apache Giraph 【37】,Spark的GraphX API和Flink的Gelly API 【71】实现了它。它也被称为**Pregel**模型,因为Google的Pregel论文推广了这种处理图的方法【72】。
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在每次迭代中,为每个顶点调用一个函数,将所有发送给它的消息传递给它 —— 就像调用Reducer一样。与MapReduce的不同之处在于,在Pregel模型中,顶点从一次迭代到下一次迭代记忆它的状态,所以这个函数只需要处理新的传入消息。如果在图的某个部分没有发送消息,则不需要做任何工作。
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回想一下在MapReduce中,Mapper在概念上向Reducer的特定调用“发送消息”,因为框架将所有具有相同键的Mapper输出集中在一起。 Pregel背后有一个类似的想法:一个顶点可以向另一个顶点“发送消息”,通常这些消息是沿着图的边发送的。
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这与Actor模型有些相似(参阅“[分布式的Actor框架](ch4.md#分布式的Actor框架)”),除非顶点状态和顶点之间的消息具有容错性和耐久性,并且通信以固定的方式进行,否则将每个顶点视为主角轮次:在每一次迭代中,框架传递在前一次迭代中发送的所有消息。Actor通常没有这样的时间保证。
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在每次迭代中,为每个顶点调用一个函数,将所有发送给它的消息传递给它 —— 就像调用Reducer一样。与MapReduce的不同之处在于,在Pregel模型中,顶点在一次迭代到下一次迭代的过程中会记住它的状态,所以这个函数只需要处理新的传入消息。如果图的某个部分没有被发送消息,那里就不需要做任何工作。
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这与Actor模型有些相似(参阅“[分布式的Actor框架](ch4.md#分布式的Actor框架)”),除了顶点状态和顶点之间的消息具有容错性和耐久性,且通信以固定的方式进行:在每次迭代中,框架递送上次迭代中发送的所有消息。Actor通常没有这样的时间保证。
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#### 容错
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顶点只能通过消息传递进行通信(而不是直接相互查询)的事实有助于提高Pregel作业的性能,因为消息可以成批处理,而且等待通信的次数也减少了。唯一的等待是在迭代之间:由于Pregel模型保证所有在一次迭代中发送的消息都在下一次迭代中传递,所以先前的迭代必须完全完成,并且所有的消息必须在网络上复制,然后下一个开始。
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顶点只能通过消息传递进行通信(而不是直接相互查询)的事实有助于提高Pregel作业的性能,因为消息可以成批处理,且等待通信的次数也减少了。唯一的等待是在迭代之间:由于Pregel模型保证所有在一轮迭代中发送的消息都在下轮迭代中送达,所以在下一轮迭代开始前,先前的迭代必须完全完成,而所有的消息必须在网络上完成复制。
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即使底层网络可能丢失,重复或任意延迟消息(参阅“[不可靠的网络](ch8.md#不可靠的网络)”),Pregel实施可保证在接下来的迭代中消息在其目标顶点处理一次。像MapReduce一样,该框架透明地从故障中恢复,以简化Pregel顶层算法的编程模型。
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即使底层网络可能丢失,重复或任意延迟消息(参阅“[不可靠的网络](ch8.md#不可靠的网络)”),Pregel的实现能保证在后续迭代中消息在其目标顶点恰好处理一次。像MapReduce一样,框架能从故障中透明地恢复,以简化在Pregel上实现算法的编程模型。
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这种容错是通过在迭代结束时定期检查所有顶点的状态来实现的,即将其全部状态写入持久存储。如果某个节点发生故障并且其内存中状态丢失,则最简单的解决方法是将整个图计算回滚到上一个检查点,然后重新启动计算。如果算法是确定性的并且记录了消息,那么也可以选择性地只恢复丢失的分区(就像我们之前讨论过的数据流引擎)【72】。
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这种容错是通过在迭代结束时,定期存档所有顶点的状态来实现的,即将其全部状态写入持久化存储。如果某个节点发生故障并且其内存中的状态丢失,则最简单的解决方法是将整个图计算回滚到上一个存档点,然后重启计算。如果算法是确定性的,且消息记录在日志中,那么也可以选择性地只恢复丢失的分区(就像之前讨论过的数据流引擎)【72】。
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#### 并行执行
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顶点不需要知道它正在执行哪个物理机器;当它发送消息到其他顶点时,它只是将它们发送到一个顶点ID。分配图的框架,即确定哪个顶点运行在哪个机器上,以及如何通过网络路由消息,以便它们结束在正确的位置。
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顶点不需要知道它在哪台物理机器上执行;当它向其他顶点发送消息时,它只是简单地将消息发往某个顶点ID。图的分区取决于框架 —— 即,确定哪个顶点运行在哪台机器上,以及如何通过网络路由消息,以便它们到达正确的地方。
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由于编程模型一次仅处理一个顶点(有时称为“像顶点一样思考”),所以框架可以以任意方式划分图形。理想情况下,如果它们需要进行大量的通信,那么它将被分割,以使顶点在同一台机器上共置。然而,寻找这样一个优化的分割在实践中是困难的,图形经常被任意分配的顶点ID分割,而不会尝试将相关的顶点分组在一起。
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由于编程模型一次仅处理一个顶点(有时称为“像顶点一样思考”),所以框架可以以任意方式对图分区。理想情况下如果顶点需要进行大量的通信,那么它们最好能被分区到同一台机器上。然而找到这样一种优化的分区方法是很困难的 —— 在实践中,图经常按照任意分配的顶点ID分区,而不会尝试将相关的顶点分组在一起。
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因此,图算法通常会有很多跨机器通信,而中间状态(节点之间发送的消息)往往比原始图大。通过网络发送消息的开销会显着减慢分布式图算法的速度。
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因此,图算法通常会有很多跨机器通信的额外开销,而中间状态(节点之间发送的消息)往往比原始图大。通过网络发送消息的开销会显着拖慢分布式图算法的速度。
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出于这个原因,如果你的图可以放在一台计算机的内存中,那么单机(甚至可能是单线程)算法很可能会超越分布式批处理【73,74】。即使图大于内存,也可以放在单个计算机的磁盘上,使用GraphChi等框架进行单机处理是一个可行的选择【75】。如果图太大而不适合单个机器,像Pregel这样的分布式方法是不可避免的。有效的并行化图算法是一个正在进行的领域。
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出于这个原因,如果你的图可以放入一台计算机的内存中,那么单机(甚至可能是单线程)算法很可能会超越分布式批处理【73,74】。图比内存大也没关系,只要能放入单台计算机的磁盘,使用GraphChi等框架进行单机处理是就一个可行的选择【75】。如果图太大,不适合单机处理,那么像Pregel这样的分布式方法是不可避免的。高效的并行图算法是一个进行中的研究领域【76】。
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### 高级API和语言
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自MapReduce第一次流行以来,分布式批处理的执行引擎已经成熟。到目前为止,基础设施已经足够强大,能够存储和处理超过10,000台机器群集上的数PB的数据。由于在这种规模下物理操作批处理过程的问题已经或多或少得到了解决,所以已经转向其他领域:改进编程模型,提高处理效率,扩大这些技术可以解决的问题集。
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自MapReduce开始流行的这几年以来,分布式批处理的执行引擎已经很成熟了。到目前为止,基础设施已经足够强大,能够存储和处理超过10,000台机器群集上的数PB的数据。由于在这种规模下物理执行批处理的问题已经被认为或多或少解决了,所以关注点已经转向其他领域:改进编程模型,提高处理效率,扩大这些技术可以解决的问题集。
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如前所述,Hive,Pig,Cascading和Crunch等高级语言和API由于手工编写MapReduce作业而变得非常流行。随着Tez的出现,这些高级语言还有额外的好处,可以移动到新的数据流执行引擎,而无需重写作业代码。 Spark和Flink也包括他们自己的高级数据流API,经常从FlumeJava中获得灵感【34】。
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如前所述,Hive,Pig,Cascading和Crunch等高级语言和API变得越来越流行,因为手写MapReduce作业实在是个苦力活。随着Tez的出现,这些高级语言还有一个额外好处,可以迁移到新的数据流执行引擎,而无需重写作业代码。 Spark和Flink也有它们自己的高级数据流API,通常是从FlumeJava中获取的灵感【34】。
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这些数据流API通常使用关系式构建块来表达一个计算:连接数据集以获取某个字段的值;按键分组元组;过滤一些条件;并通过计数,求和或其他函数来聚合元组。在内部,这些操作是使用本章前面讨论过的各种连接和分组算法来实现的。
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这些数据流API通常使用关系型构建块来表达一个计算:按某个字段连接数据集;按键对元组做分组;按某些条件过滤;并通过计数求和或其他函数来聚合元组。在内部,这些操作是使用本章前面讨论过的各种连接和分组算法来实现的。
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除了需要较少代码的明显优势之外,这些高级接口还允许交互式使用,在这种交互式使用中,你可以将分析代码逐步编写到shell中并经常运行,以观察它正在做什么。这种发展风格在探索数据集和试验处理方法时非常有用。这也让人联想到Unix哲学,我们“[Unix哲学](#Unix哲学)”中讨论过这个问题。
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除了少写代码的明显优势之外,这些高级接口还支持交互式用法,在这种交互式使用中,你可以在Shell中增量式编写分析代码,频繁运行来观察它做了什么。这种开发风格在探索数据集和试验处理方法时非常有用。这也让人联想到Unix哲学,我们在“[Unix哲学](#Unix哲学)”中讨论过这个问题。
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而且,这些高级接口不仅使人类使用系统的效率更高,而且提高了机器层面的工作执行效率。
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此外,这些高级接口不仅提高了人类的工作效率,也提高了机器层面的作业执行效率。
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#### 向声明式查询语言的转变
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与拼写执行连接的代码相比,指定连接为关系运算符的优点是,框架可以分析连接输入的属性,并自动决定哪个上述连接算法最适合手头的任务。 Hive,Spark和Flink都有基于代价的查询优化器,可以做到这一点,甚至可以改变连接顺序,使中间状态的数量最小化【66,77,78,79】。
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与硬写执行连接的代码相比,指定连接关系算子的优点是,框架可以分析连接输入的属性,并自动决定哪种上述连接算法最适合当前任务。 Hive,Spark和Flink都有基于代价的查询优化器可以做到这一点,甚至可以改变连接顺序,最小化中间状态的数量【66,77,78,79】。
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连接算法的选择可以对批处理作业的性能产生很大的影响,不必理解和记住本章中讨论的各种连接算法。如果以声明的方式指定连接,则这是可能的:应用程序简单地说明哪些连接是必需的,查询优化器决定如何最好地执行连接。我们以前在第42页的“数据的查询语言”中遇到了这个想法。
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连接算法的选择可以对批处理作业的性能产生巨大影响,而无需理解和记住本章中讨论的各种连接算法。如果连接是以**声明式(declarative)**的方式指定的,那这就这是可行的:应用只是简单地说明哪些连接是必需的,查询优化器决定如何最好地执行连接。我们以前在“[数据查询语言](ch2.md#数据查询语言)”中见过这个想法。
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但是,在其他方面,MapReduce及其数据流后继与SQL的完全声明性查询模型有很大不同。 MapReduce是围绕回调函数的思想构建的:对于每个记录或者一组记录,调用一个用户定义的函数(Mapper或Reducer),并且该函数可以自由地调用任意代码来决定输出什么。这种方法的优点是可以绘制在现有库的大型生态系统上进行分析,自然语言分析,图像分析以及运行数字或统计算法等。
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但MapReduce及其后继者数据流在其他方面,与SQL的完全声明式查询模型有很大区别。 MapReduce是围绕着回调函数的概念建立的:对于每条记录或者一组记录,调用一个用户定义的函数(Mapper或Reducer),并且该函数可以自由地调用任意代码来决定输出什么。这种方法的优点是可以基于大量已有库的生态系统创作:解析,自然语言分析,图像分析以及运行数值算法或统计算法等。
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轻松运行任意代码的自由是从MPP数据库(参见“[比较Hadoop和分布式数据库](#比较Hadoop和分布式数据库)”一节)中分离出来的MapReduce传统批处理系统。虽然数据库具有编写用户定义函数的功能,但是它们通常使用起来很麻烦,而且与大多数编程语言中广泛使用的程序包管理器和依赖管理系统(例如Maven for Java,npm for Java-Script,和Ruby的Ruby的Ruby)。
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自由运行任意代码,长期以来都是传统MapReduce批处理系统与MPP数据库的区别所在(参见“[比较Hadoop和分布式数据库](#比较Hadoop和分布式数据库)”一节)。虽然数据库具有编写用户定义函数的功能,但是它们通常使用起来很麻烦,而且与大多数编程语言中广泛使用的程序包管理器和依赖管理系统兼容不佳(例如Java的Maven, Javascript的npm,以及Ruby的gems)。
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但是,数据流引擎已经发现,除了连接之外,在合并更多的声明性特征方面也是有优势的。例如,如果一个回调函数只包含一个简单的过滤条件,或者只是从一条记录中选择了一些字段,那么在调用每条记录的函数时会有相当大的CPU开销。如果以声明方式表示这样简单的过滤和映射操作,那么查询优化器可以利用面向列的存储布局(参阅“[列存储](ch3.md#列存储)”),并从磁盘只读取所需的列。 Hive,Spark DataFrames和Impala也使用向量化执行(参阅“[内存带宽和向量处理](ch3.md#内存带宽和向量处理)”):在对CPU缓存很友好的内部循环中迭代数据,并避免函数调用。
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然而数据流引擎已经发现,支持除连接之外的更多**声明式特性**还有其他的优势。例如,如果一个回调函数只包含一个简单的过滤条件,或者只是从一条记录中选择了一些字段,那么在为每条记录调用函数时会有相当大的额外CPU开销。如果以声明方式表示这些简单的过滤和映射操作,那么查询优化器可以利用面向列的存储布局(参阅“[列存储](ch3.md#列存储)”),只从磁盘读取所需的列。 Hive,Spark DataFrames和Impala还使用了向量化执行(参阅“[内存带宽和向量处理](ch3.md#内存带宽和向量处理)”):在对CPU缓存友好的内部循环中迭代数据,避免函数调用。Spark生成JVM字节码【79】,Impala使用LLVM为这些内部循环生成本机代码【41】。
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Spark生成JVM字节码【79】,Impala使用LLVM为这些内部循环生成本机代码【41】。
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通过将声明性方面与高级API结合起来,并使查询优化器可以在执行期间利用这些优化方法,批处理框架看起来更像MPP数据库(并且可以实现可与之相比的性能)。同时,通过具有运行任意代码和以任意格式读取数据的可扩展性,它们保持了灵活性的优势。
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通过在高级API中引入声明式的部分,并使查询优化器可以在执行期间利用这些来做优化,批处理框架看起来越来越像MPP数据库了(并且能实现可与之媲美的性能)。同时,通过拥有运行任意代码和以任意格式读取数据的可扩展性,它们保持了灵活性的优势。
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#### 专业化的不同领域
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尽管能够运行任意代码的可扩展性是有用的,但是在标准处理模式不断重复发生的情况下也有许多常见的情况,所以值得重用通用构建块的实现。传统上,MPP数据库满足了商业智能分析师和业务报告的需求,但这只是许多使用批处理的领域之一。
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尽管能够运行任意代码的可扩展性是很有用的,但是也有很多常见的例子,不断重复着标准的处理模式。因而这些模式值得拥有自己的可重用通用构建模块实现,传统上,MPP数据库满足了商业智能分析和业务报表的需求,但这只是许多使用批处理的领域之一。
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另一个越来越重要的领域是统计和数值算法,它们是机器学习应用(如分类和推荐系统)所需要的。可重复使用的实现正在出现:例如,Mahout在MapReduce,Spark和Flink之上实现了用于机器学习的各种算法,而MADlib在关系型MPP数据库(Apache HAWQ)中实现了类似的功能【54】。
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另一个越来越重要的领域是统计和数值算法,它们是机器学习应用所需要的(例如分类器和推荐系统)。可重用的实现正在出现:例如,Mahout在MapReduce,Spark和Flink之上实现了用于机器学习的各种算法,而MADlib在关系型MPP数据库(Apache HAWQ)中实现了类似的功能【54】。
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空间算法也是有用的,例如最近邻搜索(kNN)【80】,它在一些多维空间中搜索与给定物品接近的物品 —— 这是一种类似的搜索。近似搜索对于基因组分析算法也很重要,它们需要找到相似但不相同的字符串【81】。
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空间算法也是有用的,例如**最近邻搜索(k-nearest neghbors, kNN)**【80】,它在一些多维空间中搜索与给定项最近的项目 —— 这是一种相似性搜索。近似搜索对于基因组分析算法也很重要,它们需要找到相似但不相同的字符串【81】。
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批处理引擎正被用于分布式执行来自日益广泛的领域的算法。随着批处理系统获得内置功能和高级声明性操作符,并且随着MPP数据库变得更加可编程和灵活,两者开始看起来更相似:最终,它们都只是存储和处理数据的系统。
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批处理引擎正被用于分布式执行日益广泛的各领域算法。随着批处理系统获得各种内置功能以及高级声明式算子,且随着MPP数据库变得更加灵活和易于编程,两者开始看起来相似了:最终,它们都只是存储和处理数据的系统。
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## 本章小结
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在本章中,我们探讨了批处理的主题。我们首先查看了诸如awk,grep和sort之类的Unix工具,然后我们看到了这些工具的设计理念是如何运用到MapReduce和更新的数据流引擎中的。这些设计原则中的一些是输入是不可变的,输出是为了成为另一个(还未知的)程序的输入,而复杂的问题是通过编写“做一件好事”的小工具来解决的。
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在本章中,我们探索了批处理的主题。我们首先看到了诸如awk,grep和sort之类的Unix工具,然后我们看到了这些工具的设计理念是如何应用到MapReduce和更近的数据流引擎中的。一些设计原则包括:输入是不可变的,输出是为了作为另一个(仍未知的)程序的输入,而复杂的问题是通过编写“做好一件事”的小工具来解决的。
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在Unix世界中,允许一个程序与另一个程序组合的统一界面是文件和管道;在MapReduce中,该接口是一个分布式文件系统。我们看到数据流引擎添加了自己的管道式数据传输机制,以避免将中间状态转化为分布式文件系统,但作业的初始输入和最终输出通常仍然是HDFS。
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在Unix世界中,允许程序与程序组合的统一接口是文件与管道;在MapReduce中,该接口是一个分布式文件系统。我们看到数据流引擎添加了自己的管道式数据传输机制,以避免将中间状态物化至分布式文件系统,但作业的初始输入和最终输出通常仍是HDFS。
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分布式批处理框架需要解决的两个主要问题是:
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分布式批处理框架需要解决的两个主要问题是:
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***分区***
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在MapReduce中,Mapper根据输入文件块进行分区。Mapper的输出被重新分区,分类并合并到可配置数量的Reducer分区中。这个过程的目的是把所有的相关数据 —— 例如,所有的记录都放在同一个地方。
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在MapReduce中,Mapper根据输入文件块进行分区。Mapper的输出被重新分区,排序,并合并到可配置数量的Reducer分区中。这一过程的目的是把所有的**相关**数据(例如带有相同键的所有记录)都放在同一个地方。
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后MapReduce数据流引擎尽量避免排序,除非它是必需的,但它们采取了大致类似的分区方法。
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后MapReduce时代的数据流引擎若非必要会尽量避免排序,但它们也采取了大致类似的分区方法。
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***容错***
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MapReduce经常写入磁盘,这使得从单个失败的任务中轻松地恢复,而无需重新启动整个作业,但在无故障的情况下减慢了执行速度。数据流引擎对中间状态执行的实现较少,并且保留在内存中,这意味着如果节点发生故障,则需要推荐更多的数据。确定性运算符减少了需要重新计算的数据量。
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MapReduce经常写入磁盘,这使得从单个失败的任务恢复很轻松,无需重新启动整个作业,但在无故障的情况下减慢了执行速度。数据流引擎更多地将中间状态保存在内存中,更少地物化中间状态,这意味着如果节点发生故障,则需要重算更多的数据。确定性算子减少了需要重算的数据量。
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我们讨论了几种MapReduce的连接算法,其中大多数也是在MPP数据库和数据流引擎中使用的。他们还提供了分区算法如何工作的一个很好的例子:
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我们讨论了几种MapReduce的连接算法,其中大多数也在MPP数据库和数据流引擎内部使用。它们也很好地演示了分区算法是如何工作的:
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***排序合并连接***
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每个正在连接的输入都通过一个提取连接键的Mapper。通过分区,排序和合并,具有相同键的所有记录最终都会进入Reducer的相同调用。这个函数可以输出连接的记录。
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每个参与连接的输入都通过一个提取连接键的Mapper。通过分区,排序和合并,具有相同键的所有记录最终都会进入相同的Reducer调用。这个函数能输出连接好的记录。
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***广播散列连接***
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两个连接输入之一是小的,所以它没有分区,它可以被完全加载到一个哈希表。因此,你可以为大连接输入的每个分区启动一个Mapper,将小输入的散列表加载到每个Mapper中,然后一次扫描大输入一条记录,查询每条记录的散列表。
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两个连接输入之一很小,所以它并没有分区,而且能被完全加载进一个哈希表中。因此,你可以为连接输入大端的每个分区启动一个Mapper,将输入小端的散列表加载到每个Mapper中,然后扫描大端,一次一条记录,并为每条记录查询散列表。
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***分区散列连接***
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如果两个连接输入以相同的方式分区(使用相同的键,相同的散列函数和相同数量的分区),则可以独立地为每个分区使用散列表方法。
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如果两个连接输入以相同的方式分区(使用相同的键,相同的散列函数和相同数量的分区),则可以独立地对每个分区应用散列表方法。
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分布式批处理引擎有一个刻意限制的编程模型:回调函数(比如Mapper和Reducer)被认为是无状态的,除了指定的输出外,没有外部可见的副作用。这个限制允许框架隐藏抽象背后的一些困难的分布式系统问题:面对崩溃和网络问题,任务可以安全地重试,任何失败任务的输出都被丢弃。如果某个分区的多个任务成功,则只有其中一个实际上使其输出可见。
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分布式批处理引擎有一个刻意限制的编程模型:回调函数(比如Mapper和Reducer)被假定是无状态的,而且除了指定的输出外,必须没有任何外部可见的副作用。这一限制允许框架在其抽象下隐藏一些困难的分布式系统问题:当遇到崩溃和网络问题时,任务可以安全地重试,任何失败任务的输出都被丢弃。如果某个分区的多个任务成功,则其中只有一个能使其输出实际可见。
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得益于这个框架,你在批处理作业中的代码无需担心实现容错机制:框架可以保证作业的最终输出与没有发生错误的情况相同,也许不得不重新尝试各种任务。这些可靠的语义要比在线服务处理用户请求时经常使用的要多得多,而且在处理请求的副作用时写入数据库。
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得益于这个框架,你在批处理作业中的代码无需操心实现容错机制:框架可以保证作业的最终输出与没有发生错误的情况相同,也许不得不重试各种任务。在线服务处理用户请求,并将写入数据库作为处理请求的副作用,比起在线服务,批处理提供的这种可靠性语义要强得多。
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批量处理工作的显着特点是它读取一些输入数据并产生一些输出数据,而不修改输入—— 换句话说,输出是从输入派生出的。重要的是,输入数据是有界的:它有一个已知的,固定的大小(例如,它包含一些时间点的日志文件或数据库内容的快照)。因为它是有界的,一个工作知道什么时候它完成了整个输入的读取,所以一个工作最终完成。
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批处理作业的显著特点是,它读取一些输入数据并产生一些输出数据,但不修改输入—— 换句话说,输出是从输入衍生出的。最关键的是,输入数据是**有界的(bounded)**:它有一个已知的,固定的大小(例如,它包含一些时间点的日志文件或数据库内容的快照)。因为它是有界的,一个作业知道自己什么时候完成了整个输入的读取,所以一个工作在做完后,最终总是会完成的。
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在下一章中,我们将转向流处理,其中的输入是未知的 —— 也就是说,你还有一份工作,但是它的输入是永无止境的数据流。在这种情况下,工作永远不会完成,因为在任何时候都可能有更多的工作进来。我们将看到流和批处理在某些方面是相似的。但是关于无尽数据流的假设,也对我们构建系统的方式产生了很大的改变。
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在下一章中,我们将转向流处理,其中的输入是**无界的(unbounded)** —— 也就是说,你还有活儿要干,然而它的输入是永无止境的数据流。在这种情况下,作业永无完成之日。因为在任何时候都可能有更多的工作涌入。我们将看到,在某些方面上,流处理和批处理是相似的。但是关于无尽数据流的假设也对我们构建系统的方式产生了很多改变。
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