Spark Tungsten-sort Based Shuffle 分析

Tungsten-sort 算不得一个全新的shuffle 方案，它在特定场景下基于类似现有的Sort Based Shuffle处理流程，对内存/CPU/Cache使用做了非常大的优化。带来高效的同时，也就限定了自己的使用场景。如果Tungsten-sort 发现自己无法处理，则会自动使用 Sort Based Shuffle进行处理。

前言

Tungsten 中文是钨丝的意思。 Tungsten Project 是 Databricks 公司提出的对Spark优化内存和CPU使用的计划，该计划初期似乎对Spark SQL优化的最多。不过部分RDD API 还有Shuffle也因此受益。

简述

Tungsten-sort优化点主要在三个方面:

1. 直接在serialized binary data上sort而不是java objects，减少了memory的开销和GC的overhead。

2. 提供cache-efficient sorter，使用一个8bytes的指针，把排序转化成了一个指针数组的排序。

3. spill的merge过程也无需反序列化即可完成

这些优化的实现导致引入了一个新的内存管理模型，类似OS的Page，对应的实际数据结构为MemoryBlock,支持off-heap 以及 in-heap 两种模式。为了能够对Record 在这些MemoryBlock进行定位，引入了Pointer（指针）的概念。

如果你还记得Sort Based Shuffle里存储数据的对象PartitionedAppendOnlyMap,这是一个放在JVM heap里普通对象，在Tungsten-sort中，他被替换成了类似操作系统内存页的对象。如果你无法申请到新的Page,这个时候就要执行spill操作，也就是写入到磁盘的操作。具体触发条件，和Sort Based Shuffle 也是类似的。

开启条件

Spark 默认开启的是Sort Based Shuffle,想要打开Tungsten-sort ,请设置

spark.shuffle.manager=tungsten-sort

对应的实现类是：

org.apache.spark.shuffle.unsafe.UnsafeShuffleManager

名字的来源是因为使用了大量JDK Sun Unsafe API。

当且仅当下面条件都满足时，才会使用新的Shuffle方式：

• Shuffle dependency 不能带有aggregation 或者输出需要排序

• Shuffle 的序列化器需要是 KryoSerializer 或者 Spark SQL's 自定义的一些序列化方式.

• Shuffle 文件的数量不能大于 16777216

• 序列化时，单条记录不能大于 128 MB

可以看到，能使用的条件还是挺苛刻的。

这些限制来源于哪里

参看如下代码，page的大小：

this.pageSizeBytes = (int) Math.min(  
                PackedRecordPointer.MAXIMUM_PAGE_SIZE_BYTES, 
                shuffleMemoryManager.pageSizeBytes());

这就保证了页大小不超过PackedRecordPointer.MAXIMUM_PAGE_SIZE_BYTES 的值，该值就被定义成了128M。

而产生这个限制的具体设计原因，我们还要仔细分析下Tungsten的内存模型:

来源于：https://github.com/hustnn/TungstenSecret/tree/master

这张图其实画的是 on-heap 的内存逻辑图，其中 #Page 部分为13bit, Offset 为51bit,你会发现 2^51 >>128M的。但是在Shuffle的过程中，对51bit 做了压缩，使用了27bit,具体如下：

 [24 bit partition number][13 bit memory page number][27 bit offset in page]

这里预留出的24bit给了partition number,为了后面的排序用。上面的好几个限制其实都是因为这个指针引起的：

1. 一个是partition 的限制，前面的数字 16777216 就是来源于partition number 使用24bit 表示的。

2. 第二个是page number

3. 第三个是偏移量，最大能表示到2^27=128M。那一个task 能管理到的内存是受限于这个指针的，最多是 2^13 * 128M 也就是1TB左右。

有了这个指针，我们就可以定位和管理到off-heap 或者 on-heap里的内存了。这个模型还是很漂亮的，内存管理也非常高效，记得之前的预估PartitionedAppendOnlyMap的内存是非常困难的，但是通过现在的内存管理机制，是非常快速并且精确的。

对于第一个限制，那是因为后续Shuffle Write的sort 部分，只对前面24bit的partiton number 进行排序，key的值没有被编码到这个指针，所以没办法进行ordering

同时，因为整个过程是追求不反序列化的，所以不能做aggregation。

Shuffle Write

核心类：

 org.apache.spark.shuffle.unsafe.UnsafeShuffleWriter

数据会通过 UnsafeShuffleExternalSorter.insertRecordIntoSorter 一条一条写入到 serOutputStream 序列化输出流。

这里消耗内存的地方是

 serBuffer = new MyByteArrayOutputStream(1024 * 1024)

默认是1M,类似于Sort Based Shuffle 中的ExternalSorter，在Tungsten Sort 对应的为UnsafeShuffleExternalSorter,记录序列化后就通过sorter.insertRecord方法放到sorter里去了。

这里sorter 负责申请Page,释放Page,判断是否要进行spill都这个类里完成。代码的架子其实和Sort Based 是一样的。

图片来源:https://www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-cn-spark-core/

(另外，值得注意的是，这张图里进行spill操作的同时检查内存可用而导致的Exeception 的bug 已经在1.5.1版本被修复了,忽略那条路径)

内存是否充足的条件依然shuffleMemoryManager 来决定，也就是所有task shuffle 申请的Page内存总和不能大于下面的值：

 ExecutorHeapMemeory * 0.2 * 0.8

上面的数字可通过下面两个配置来更改：

spark.shuffle.memoryFraction=0.2
spark.shuffle.safetyFraction=0.8

UnsafeShuffleExternalSorter 负责申请内存，并且会生成该条记录最后的逻辑地址，也就前面提到的 Pointer。

接着Record 会继续流转到UnsafeShuffleInMemorySorter中，这个对象维护了一个指针数组：

  private long[] pointerArray;

数组的初始大小为 4096，后续如果不够了，则按每次两倍大小进行扩充。

假设100万条记录，那么该数组大约是8M 左右，所以其实还是很小的。一旦spill后该UnsafeShuffleInMemorySorter就会被赋为null,被回收掉。

我们回过头来看spill,其实逻辑上也异常简单了，UnsafeShuffleInMemorySorter 会返回一个迭代器，该迭代器粒度每个元素就是一个指针，然后到根据该指针可以拿到真实的record,然后写入到磁盘，因为这些record 在一开始进入UnsafeShuffleExternalSorter 就已经被序列化了，所以在这里就纯粹变成写字节数组了。形成的结构依然和Sort Based Shuffle 一致，一个文件里不同的partiton的数据用fileSegment来表示，对应的信息存在一个index文件里。

另外写文件的时候也需要一个 buffer :

 spark.shuffle.file.buffer = 32k

另外从内存里拿到数据放到DiskWriter,这中间还要有个中转，是通过

 final byte[] writeBuffer = new byte[DISK_WRITE_BUFFER_SIZE=1024 * 1024];

来完成的，都是内存，所以很快。

Task结束前，我们要做一次mergeSpills操作，然后形成一个shuffle 文件。这里面其实也挺复杂的，
如果开启了

 `spark.shuffle.unsafe.fastMergeEnabled=true`

并且没有开启

`spark.shuffle.compress=true`

或者压缩方式为：

 LZFCompressionCodec

则可以非常高效的进行合并,叫做transferTo。不过无论是什么合并，都不需要进行反序列化。

Shuffle Read

Shuffle Read 完全复用HashShuffleReader,具体参看 Sort-Based Shuffle。

总结

我个人感觉，Tungsten-sort 实现了内存的自主管理，管理方式模拟了操作系统的方式，通过Page可以使得大量的record被顺序存储在内存，整个shuffle write 排序的过程只需要对指针进行运算(二进制排序)，并且无需反序列化，整个过程非常高效，对于减少GC,提高内存访问效率，提高CPU使用效率确实带来了明显的提升。

作者：祝威廉
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