Spark的job、stage和task的机制论述

Spark任务调度机制论述

在生产环境下,Spark集群的部署方式一般为YARN-Cluster模式。 Driver线程主要是初始化SparkContext对象,准备运行所需的上下文,然后一方面保持与ApplicationMaster的RPC连接,通过ApplicationMaster申请资源,另一方面根据用户业务逻辑开始调度任务,将任务下发到已有的空闲Executor上。
当ResourceManager向ApplicationMaster返回Container资源时,ApplicationMaster就尝试在对应的Container上启动Executor进程,Executor进程起来后,会向Driver反向注册,注册成功后保持与Driver的心跳,同时等待Driver分发任务,当分发的任务执行完毕后,将任务状态上报给Driver。

  1. Spark任务调度概述

1.1 基础概念

当Driver起来后,Driver则会根据用户程序逻辑准备任务,并根据Executor资源情况逐步分发任务。在详细阐述任务调度前,首先说明下Spark里的几个概念。一个Spark应用程序包括Job、Stage以及Task三个概念:

job:以 action 方法为界,一个 action 触发一个 job

stage:它是 job 的子集,以 RDD 宽依赖为界,遇到宽依赖即划分 stage

task:它是 stage 的子集,以分区数来衡量,分区数多少,task 就有多少

1.2 任务调度

spark 任务从发起到执行可用下图表示

1.3 Client—>ResourceManage

(1). Client 端通过 spark-submit + 参数 发起任务,即向ResourceManage 提交 application,注意该 application 包含了一堆参数,如 Executor 数,Executor 内存,Driver 内存等;

(2). ResourceManage 需要先判断现在资源是否能满足该 application,如果满足,则响应该 application,如果不满足,报错;

(3). 如果资源满足,Client 端准备 ApplicationMaster 的启动上下文,并交给 ResourceManage;

(4). 并且循环监控 application 的状态;

1.4 ResourceManage—>ApplicationMaster

(1). ResourceManage 找一个 worker 启动 ApplicationMaster;

(2). ApplicationMaster 向 ResourceManage 申请 Container;

(3). ResourceManage 收集可用资源,并告诉 ApplicationMaster;

(4). ApplicationMaster 尝试在对应的 Container 上启动 Executor 进程;

1.5 ApplicationMaster-Driver

(1). 有了资源,ApplicationMaster 启动 Driver;

//Driver 线程主要是初始化 SparkContext 对象,准备运行所需上下文,并保持与 ApplicationMaster 的 RPC 连接,通过 ApplicationMaster 申请资源

(2). Driver 启动成功后,告诉 ApplicationMaster;

1.6 Driver-Executor

(1). Executor 启动成功后,反向注册到 Driver 上,并持续向 Driver 发送心跳;

(2). Driver 启动 task,分发给 Executor,并监控 task 状态;

(3). 当 Executor 任务执行完毕后,将任务状态发送给 Driver;

spark 的核心就是资源申请和任务调度,主要通过 ApplicationMaster、Driver、Executor 来完成

spark 任务调度分为两层,一层是 stage 级的调度,一层是 task 级的调度

RDD 间的血缘关系,代表了计算的流程,构成了 有向无环图,即 DAG;

最后通过 action 触发 job 并调度执行;

DAGScheduler 负责 stage 级的调度,主要是将 DAG 切分成多个 stage,并将 stage 打包成 TaskSet 交给 TaskScheduler;

TaskScheduler 负责 task 级的调度,将 DAGScheduler 发过来的 TaskSet 按照指定的调度策略发送给 Executor;

SchedulerBackend 负责给 调度策略 提供可用资源,调度策略决定把 task 发送给哪个 Executor;【其中 SchedulerBackend 有多种实现,分别对接不同的资源管理系统】

基于上述认知,再来看一张图

Driver 在启动过程中,除了初始化 SparkContext 外,也初始化了 DAGScheduler、TaskScheduler、 SchedulerBackend 3个调度对象,同时初始化了 HeartbeatReceiver 心跳接收器;

并且各个线程之间保存通信;

SchedulerBackend 向 ApplicationMaster 申请资源,并不间断地从 TaskScheduler 获取 task 并发送给 合适的 Executor;

HeartbeatReceiver 负责接收 Executor 心跳报文,监控 Executor 存活状态;

  1. Spark Stage级调度

Spark的任务调度是从DAG切割开始,主要是由DAGScheduler来完成。当遇到一个Action操作后就会触发一个Job的计算,并交给DAGScheduler来提交,下图是涉及到Job提交的相关方法调用流程图。

1) Job由最终的RDD和Action方法封装而成;

2) SparkContext将Job交给DAGScheduler提交,它会根据RDD的血缘关系构成的DAG进行切分,将一个Job划分为若干Stages,具体划分策略是,由最终的RDD不断通过依赖回溯判断父依赖是否是宽依赖,即以Shuffle为界,划分Stage,窄依赖的RDD之间被划分到同一个Stage中,可以进行pipeline式的计算。划分的Stages分两类,一类叫做ResultStage,为DAG最下游的Stage,由Action方法决定,另一类叫做ShuffleMapStage,为下游Stage准备数据,下面看一个简单的例子WordCount。

Job由saveAsTextFile触发,该Job由RDD-3和saveAsTextFile方法组成,根据RDD之间的依赖关系从RDD-3开始回溯搜索,直到没有依赖的RDD-0,在回溯搜索过程中,RDD-3依赖RDD-2,并且是宽依赖,所以在RDD-2和RDD-3之间划分Stage,RDD-3被划到最后一个Stage,即ResultStage中,RDD-2依赖RDD-1,RDD-1依赖RDD-0,这些依赖都是窄依赖,所以将RDD-0、RDD-1和RDD-2划分到同一个Stage,形成pipeline操作,。即ShuffleMapStage中,实际执行的时候,数据记录会一气呵成地执行RDD-0到RDD-2的转化。不难看出,其本质上是一个深度优先搜索(Depth First Search)算法。

一个Stage是否被提交,需要判断它的父Stage是否执行,只有在父Stage执行完毕才能提交当前Stage,如果一个Stage没有父Stage,那么从该Stage开始提交。Stage提交时会将Task信息(分区信息以及方法等)序列化并被打包成TaskSet交给TaskScheduler,一个Partition对应一个Task,另一方面TaskScheduler会监控Stage的运行状态,只有Executor丢失或者Task由于Fetch失败才需要重新提交失败的Stage以调度运行失败的任务,其他类型的Task失败会在TaskScheduler的调度过程中重试。

相对来说DAGScheduler做的事情较为简单,仅仅是在Stage层面上划分DAG,提交Stage并监控相关状态信息。TaskScheduler则相对较为复杂,下面详细阐述其细节。

  1. Spark Task级调度

Spark Task的调度是由TaskScheduler来完成,由前文可知,DAGScheduler将Stage打包到交给TaskScheTaskSetduler,TaskScheduler会将TaskSet封装为TaskSetManager加入到调度队列中,TaskSetManager结构如下图所示。

TaskSetManager负责监控管理同一个Stage中的Tasks,TaskScheduler就是以TaskSetManager为单元来调度任务。

前面也提到,TaskScheduler初始化后会启动SchedulerBackend,它负责跟外界打交道,接收Executor的注册信息,并维护Executor的状态,所以说SchedulerBackend是管“粮食”的,同时它在启动后会定期地去“询问”TaskScheduler有没有任务要运行,也就是说,它会定期地“问”TaskScheduler“我有这么余粮,你要不要啊”,TaskScheduler在SchedulerBackend“问”它的时候,会从调度队列中按照指定的调度策略选择TaskSetManager去调度运行,大致方法调用流程如下图所示:

上图中,将TaskSetManager加入rootPool调度池中之后,调用SchedulerBackend的riviveOffers方法给driverEndpoint发送ReviveOffer消息;driverEndpoint收到ReviveOffer消息后调用makeOffers方法,过滤出活跃状态的Executor(这些Executor都是任务启动时反向注册到Driver的Executor),然后将Executor封装成WorkerOffer对象;准备好计算资源(WorkerOffer)后,taskScheduler基于这些资源调用resourceOffer在Executor上分配task。

3.1 调度策略

TaskScheduler支持两种调度策略,一种是FIFO,也是默认的调度策略,另一种是FAIR。在TaskScheduler初始化过程中会实例化rootPool,表示树的根节点,是Pool类型。

(1) FIFO调度策略

如果是采用FIFO调度策略,则直接简单地将TaskSetManager按照先来先到的方式入队,出队时直接拿出最先进队的TaskSetManager,其树结构如下图所示,TaskSetManager保存在一个FIFO队列中。

(2) FAIR调度策略

FAIR调度策略的树结构如下图所示:

FAIR模式中有一个rootPool和多个子Pool,各个子Pool中存储着所有待分配的TaskSetMagager。

在FAIR模式中,需要先对子Pool进行排序,再对子Pool里面的TaskSetMagager进行排序,因为Pool和TaskSetMagager都继承了Schedulable特质,因此使用相同的排序算法。

排序过程的比较是基于Fair-share来比较的,每个要排序的对象包含三个属性: runningTasks值(正在运行的Task数)、minShare值、weight值,比较时会综合考量runningTasks值,minShare值以及weight值。

注意,minShare、weight的值均在公平调度配置文件fairscheduler.xml中被指定,调度池在构建阶段会读取此文件的相关配置。

1) 如果A对象的runningTasks大于它的minShare,B对象的runningTasks小于它的minShare,那么B排在A前面;(runningTasks比minShare小的先执行)

2) 如果A、B对象的runningTasks都小于它们的minShare,那么就比较runningTasks与minShare的比值(minShare使用率),谁小谁排前面;(minShare使用率低的先执行)

3) 如果A、B对象的runningTasks都大于它们的minShare,那么就比较runningTasks与weight的比值(权重使用率),谁小谁排前面。(权重使用率低的先执行)

4) 如果上述比较均相等,则比较名字。

整体上来说就是通过minShare和weight这两个参数控制比较过程,可以做到让minShare使用率和权重使用率少(实际运行task比例较少)的先运行。

FAIR模式排序完成后,所有的TaskSetManager被放入一个ArrayBuffer里,之后依次被取出并发送给Executor执行。

从调度队列中拿到TaskSetManager后,由于TaskSetManager封装了一个Stage的所有Task,并负责管理调度这些Task,那么接下来的工作就是TaskSetManager按照一定的规则一个个取出Task给TaskScheduler,TaskScheduler再交给SchedulerBackend去发到Executor上执行。

3.2 本地化调度

DAGScheduler切割Job,划分Stage, 通过调用submitStage来提交一个Stage对应的tasks,submitStage会调用submitMissingTasks,submitMissingTasks 确定每个需要计算的 task 的preferredLocations,通过调用getPreferrdeLocations()得到partition 的优先位置,由于一个partition对应一个Task,此partition的优先位置就是task的优先位置,对于要提交到TaskScheduler的TaskSet中的每一个Task,该task优先位置与其对应的partition对应的优先位置一致。

从调度队列中拿到TaskSetManager后,那么接下来的工作就是TaskSetManager按照一定的规则一个个取出task给TaskScheduler,TaskScheduler再交给SchedulerBackend去发到Executor上执行。前面也提到,TaskSetManager封装了一个Stage的所有Task,并负责管理调度这些Task。

根据每个Task的优先位置,确定Task的Locality级别,Locality一共有五种,优先级由高到低顺序:

在调度执行时,Spark调度总是会尽量让每个task以最高的本地性级别来启动,当一个task以X本地性级别启动,但是该本地性级别对应的所有节点都没有空闲资源而启动失败,此时并不会马上降低本地性级别启动而是在某个时间长度内再次以X本地性级别来启动该task,若超过限时时间则降级启动,去尝试下一个本地性级别,依次类推。

可以通过调大每个类别的最大容忍延迟时间,在等待阶段对应的Executor可能就会有相应的资源去执行此task,这就在在一定程度上提到了运行性能。

3.3 失败重试与黑名单机制

除了选择合适的Task调度运行外,还需要监控Task的执行状态,前面也提到,与外部打交道的是SchedulerBackend,Task被提交到Executor启动执行后,Executor会将执行状态上报给SchedulerBackend,SchedulerBackend则告诉TaskScheduler,TaskScheduler找到该Task对应的TaskSetManager,并通知到该TaskSetManager,这样TaskSetManager就知道Task的失败与成功状态,对于失败的Task,会记录它失败的次数,如果失败次数还没有超过最大重试次数,那么就把它放回待调度的Task池子中,否则整个Application失败。

在记录Task失败次数过程中,会记录它上一次失败所在的Executor Id和Host,这样下次再调度这个Task时,会使用黑名单机制,避免它被调度到上一次失败的节点上,起到一定的容错作用。黑名单记录Task上一次失败所在的Executor Id和Host,以及其对应的“拉黑”时间,“拉黑”时间是指这段时间内不要再往这个节点上调度这个Task了。

4. 总结

本图有助于理解job,stage,task工作的原理。Spark通用运行流程图,体现了基本的Spark应用程序在部署中的基本提交流程。

流程按照如下的核心步骤进行工作的:

1) 任务提交后,都会先启动Driver程序;

2) 随后Driver向集群管理器注册应用程序;

3) 之后集群管理器根据此任务的配置文件分配Executor并启动;

4) Driver开始执行main函数,Spark查询为懒执行,当执行到Action算子时开始反向推算,根据宽依赖进行Stage的划分,随后每一个Stage对应一个Taskset,Taskset中有多个Task,查找可用资源Executor进行调度;

5) 根据本地化原则,Task会被分发到指定的Executor去执行,在任务执行的过程中,Executor也会不断与Driver进行通信,报告任务运行情况。

关键词:大数据培训

作者:江湖大侠原文地址:https://segmentfault.com/a/1190000041623795

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