Spark Shuffle Write的演化

目前，spark shuffle write有三种方法：hash shuffle、sort shuffle和tungsten-sort shuffle。从1.2版本开始默认为sort shuffle， 之前采用hash shuffle。在1.4版本以后可以通过（spark.shuffle.manager = tungsten-sort）开启tungsten-sort shuffle。

Hash shuffle

Hash shuffle 经历了有两个阶段，前一阶段的过程如图：

Hash shuffle第一阶段

1. 每一个Mapper创建出和Reducer数目相同的bucket，bucket实际上是一个buffer，其大小为spark.shuffle.file.buffer.kb（默认32KB）。

2. Mapper产生的结果会根据设置的partition算法填充到每个bucket中去，然后再写入到磁盘文件。

3. Reducer从远端或是本地的block manager中找到相应的文件读取数据。

这一阶段的问题：

1. 当Mapper数量和Reducer数量比较大时，产生输出大量文件（M * R），这对文件系统是一个非常大的负担。同时在shuffle数据量不大而shuffle文件又非常多的情况下，随机写也会严重降低IO的性能。

2. 缓存空间占用比较大，一个 worker node 上同时存在的 bucket 个数可以达到 cores*R 个（一般 worker 同时可以运行 cores 个 ShuffleMapTask）。

第二阶段改善了第一阶段出现的中间shuffle文件数量多的问题。

Hash shuffle第二阶段

与上一阶段相比，在同一个 core 上连续运行的 ShuffleMapTasks 共用一个输出文件，这样产生shuffle文件的数量是cores*R，比上一阶段减少。

Sort shuffle

sort-shuffle.png

与hash shuffle相比，sort shuffle中每个Mapper只产生一个数据文件和一个索引文件，数据文件中的数据按照Reducer排序，但属于同一个Reducer的数据不排序。Mapper产生的数据先放到AppendOnlyMap这个数据结构中，如果内存不够，数据则会spill到磁盘，最后合并成一个文件。
与Hash shuffle相比，shuffle文件数量减少，内存使用更加可控。但排序会影响速度。In case you use SSD drives for the temporary data of Spark shuffles, hash shuffle might work better for you（来自于https://0x0fff.com/spark-architecture-shuffle/）。

Tungsten-sort shuffle

与Sort shuffle相比，Tungsten最大不同在于内存管理机制。Tungsten采用独特的内存模型来存储数据，而Sort shuffle采用Java的数据结构AppendOnlyMap来存储数据，并且存储的数据是序列化的。这种独特的内存模型叫做page。序列化后的数据放在page中，当page满后，spill到磁盘文件，然后从新allocate一个新的page（如果spark.unsafe.offHeap=true，会从off-heap分配内存，否则，从in-heap分配内存）。最后将page里数据和spilled磁盘文件merge到一个文件里。注意merge的时候不需要反序列化（sort shuffle需要）。
为了数据record在page中寻址，定义了PackedRecordPointer对象用一个64bit的long型变量来记录如下信息：

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

注意这些信息是用来将数据按照partition进行排序。从这些信息中，我们得到如下的约束。
一是partition 的数量（Reducer的数目）最多为2^24=16777216。
二是单条记录不能大于 2^27=128 MB，加上page数目限制，一个task 能管理到的内存最多是 2^13 * 128M 也就是1TB左右。

Paste_Image.png

数据是序列化后放在内存，所以占据的内存空间小，减少了spill的次数。sort是在序列化的数据上进行，效率更高。merge时不需要反序列数据。

作者：imarch1
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