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Spark面试题(五)——数据倾斜调优
张三
2022-01-11 15:48:08 2022-01-11
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Spark面试题系列

1、数据倾斜

数据倾斜指的是,并行处理的数据集中,某一部分(如Spark或Kafka的一个Partition)的数据显著多于其它部分,从而使得该部分的处理速度成为整个数据集处理的瓶颈。

数据倾斜俩大直接致命后果
1、数据倾斜直接会导致一种情况:Out Of Memory。
2、运行速度慢。
主要是发生在Shuffle阶段。同样Key的数据条数太多了。导致了某个key(下图中的80亿条)所在的Task数据量太大了。远远超过其他Task所处理的数据量。

数据倾斜

一个经验结论是:一般情况下,OOM的原因都是数据倾斜

2、如何定位数据倾斜

数据倾斜一般会发生在shuffle过程中。很大程度上是你使用了可能会触发shuffle操作的算子:distinct、groupByKey、reduceByKey、aggregateByKey、join、cogroup、repartition等。

原因:查看任务->查看Stage->查看代码
某个task执行特别慢的情况
某个task莫名其妙内存溢出的情况
查看导致数据倾斜的key的数据分布情况

定位数据倾斜

也可从以下几种情况考虑:

1、是不是有OOM情况出现,一般是少数内存溢出的问题
2、是不是应用运行时间差异很大,总体时间很长
3、需要了解你所处理的数据Key的分布情况,如果有些Key有大量的条数,那么就要小心数据倾斜的问题
4、一般需要通过Spark Web UI和其他一些监控方式出现的异常来综合判断
5、看看代码里面是否有一些导致Shuffle的算子出现

3、数据倾斜的几种典型情况

3.1 数据源中的数据分布不均匀,Spark需要频繁交互

3.2 数据集中的不同Key由于分区方式,导致数据倾斜
3.3 JOIN操作中,一个数据集中的数据分布不均匀,另一个数据集较小(主要)
3.4 聚合操作中,数据集中的数据分布不均匀(主要)
3.5 JOIN操作中,两个数据集都比较大,其中只有几个Key的数据分布不均匀
3.6 JOIN操作中,两个数据集都比较大,有很多Key的数据分布不均匀
3.7 数据集中少数几个key数据量很大,不重要,其他数据均匀

注意:

1、需要处理的数据倾斜问题就是Shuffle后数据的分布是否均匀问题
2、只要保证最后的结果是正确的,可以采用任何方式来处理数据倾斜,只要保证在处理过程中不发生数据倾斜就可以

4、数据倾斜的处理方法

4.1 数据源中的数据分布不均匀,Spark需要频繁交互

解决方案:避免数据源的数据倾斜

实现原理:通过在Hive中对倾斜的数据进行预处理,以及在进行kafka数据分发时尽量进行平均分配。这种方案从根源上解决了数据倾斜,彻底避免了在Spark中执行shuffle类算子,那么肯定就不会有数据倾斜的问题了。
方案优点:实现起来简单便捷,效果还非常好,完全规避掉了数据倾斜,Spark作业的性能会大幅度提升。
方案缺点:治标不治本,Hive或者Kafka中还是会发生数据倾斜。
适用情况:在一些Java系统与Spark结合使用的项目中,会出现Java代码频繁调用Spark作业的场景,而且对Spark作业的执行性能要求很高,就比较适合使用这种方案。将数据倾斜提前到上游的Hive ETL,每天仅执行一次,只有那一次是比较慢的,而之后每次Java调用Spark作业时,执行速度都会很快,能够提供更好的用户体验。
总结:前台的Java系统和Spark有很频繁的交互,这个时候如果Spark能够在最短的时间内处理数据,往往会给前端有非常好的体验。这个时候可以将数据倾斜的问题抛给数据源端,在数据源端进行数据倾斜的处理。但是这种方案没有真正的处理数据倾斜问题。

4.2 数据集中的不同Key由于分区方式,导致数据倾斜

解决方案1:调整并行度

实现原理:增加shuffle read task的数量,可以让原本分配给一个task的多个key分配给多个task,从而让每个task处理比原来更少的数据。
方案优点:实现起来比较简单,可以有效缓解和减轻数据倾斜的影响。
方案缺点:只是缓解了数据倾斜而已,没有彻底根除问题,根据实践经验来看,其效果有限。
实践经验:该方案通常无法彻底解决数据倾斜,因为如果出现一些极端情况,比如某个key对应的数据量有100万,那么无论你的task数量增加到多少,都无法处理。

4.2 数据集中的不同Key由于分区方式,导致数据倾斜

总结:调整并行度:适合于有大量key由于分区算法或者分区数的问题,将key进行了不均匀分区,可以通过调大或者调小分区数来试试是否有效

解决方案2:

缓解数据倾斜(自定义Partitioner)
适用场景:大量不同的Key被分配到了相同的Task造成该Task数据量过大。
解决方案: 使用自定义的Partitioner实现类代替默认的HashPartitioner,尽量将所有不同的Key均匀分配到不同的Task中。
优势: 不影响原有的并行度设计。如果改变并行度,后续Stage的并行度也会默认改变,可能会影响后续Stage。
劣势: 适用场景有限,只能将不同Key分散开,对于同一Key对应数据集非常大的场景不适用。效果与调整并行度类似,只能缓解数据倾斜而不能完全消除数据倾斜。而且需要根据数据特点自定义专用的Partitioner,不够灵活。

4.3 JOIN操作中,一个数据集中的数据分布不均匀,另一个数据集较小(主要)

解决方案:Reduce side Join转变为Map side Join

方案适用场景:在对RDD使用join类操作,或者是在Spark SQL中使用join语句时,而且join操作中的一个RDD或表的数据量比较小(比如几百M),比较适用此方案。
方案实现原理:普通的join是会走shuffle过程的,而一旦shuffle,就相当于会将相同key的数据拉取到一个shuffle read task中再进行join,此时就是reduce join。但是如果一个RDD是比较小的,则可以采用广播小RDD全量数据+map算子来实现与join同样的效果,也就是map join,此时就不会发生shuffle操作,也就不会发生数据倾斜。
方案优点:对join操作导致的数据倾斜,效果非常好,因为根本就不会发生shuffle,也就根本不会发生数据倾斜。
方案缺点:适用场景较少,因为这个方案只适用于一个大表和一个小表的情况。

4.4 聚合操作中,数据集中的数据分布不均匀(主要)

解决方案:两阶段聚合(局部聚合+全局聚合)

适用场景:对RDD执行reduceByKey等聚合类shuffle算子或者在Spark SQL中使用group by语句进行分组聚合时,比较适用这种方案
实现原理:将原本相同的key通过附加随机前缀的方式,变成多个不同的key,就可以让原本被一个task处理的数据分散到多个task上去做局部聚合,进而解决单个task处理数据量过多的问题。接着去除掉随机前缀,再次进行全局聚合,就可以得到最终的结果。具体原理见下图。
优点:对于聚合类的shuffle操作导致的数据倾斜,效果是非常不错的。通常都可以解决掉数据倾斜,或者至少是大幅度缓解数据倾斜,将Spark作业的性能提升数倍以上。
缺点:仅仅适用于聚合类的shuffle操作,适用范围相对较窄。如果是join类的shuffle操作,还得用其他的解决方案将相同key的数据分拆处理

4.4 聚合操作中,数据集中的数据分布不均匀

4.5 JOIN操作中,两个数据集都比较大,其中只有几个Key的数据分布不均匀

解决方案:为倾斜key增加随机前/后缀

适用场景:两张表都比较大,无法使用Map侧Join。其中一个RDD有少数几个Key的数据量过大,另外一个RDD的Key分布较为均匀。
解决方案:将有数据倾斜的RDD中倾斜Key对应的数据集单独抽取出来加上随机前缀,另外一个RDD每条数据分别与随机前缀结合形成新的RDD(笛卡尔积,相当于将其数据增到到原来的N倍,N即为随机前缀的总个数),然后将二者Join后去掉前缀。然后将不包含倾斜Key的剩余数据进行Join。最后将两次Join的结果集通过union合并,即可得到全部Join结果。
优势:相对于Map侧Join,更能适应大数据集的Join。如果资源充足,倾斜部分数据集与非倾斜部分数据集可并行进行,效率提升明显。且只针对倾斜部分的数据做数据扩展,增加的资源消耗有限。
劣势:如果倾斜Key非常多,则另一侧数据膨胀非常大,此方案不适用。而且此时对倾斜Key与非倾斜Key分开处理,需要扫描数据集两遍,增加了开销。
注意:具有倾斜Key的RDD数据集中,key的数量比较少

4.5 JOIN操作中,两个数据集都比较大,其中只有几个Key的数据分布不均匀

4.6 JOIN操作中,两个数据集都比较大,有很多Key的数据分布不均匀

解决方案:随机前缀和扩容RDD进行join

适用场景:如果在进行join操作时,RDD中有大量的key导致数据倾斜,那么进行分拆key也没什么意义。
实现思路:将该RDD的每条数据都打上一个n以内的随机前缀。同时对另外一个正常的RDD进行扩容,将每条数据都扩容成n条数据,扩容出来的每条数据都依次打上一个0~n的前缀。最后将两个处理后的RDD进行join即可。和上一种方案是尽量只对少数倾斜key对应的数据进行特殊处理,由于处理过程需要扩容RDD,因此上一种方案扩容RDD后对内存的占用并不大;而这一种方案是针对有大量倾斜key的情况,没法将部分key拆分出来进行单独处理,因此只能对整个RDD进行数据扩容,对内存资源要求很高。
优点:对join类型的数据倾斜基本都可以处理,而且效果也相对比较显著,性能提升效果非常不错。
缺点:该方案更多的是缓解数据倾斜,而不是彻底避免数据倾斜。而且需要对整个RDD进行扩容,对内存资源要求很高。
实践经验:曾经开发一个数据需求的时候,发现一个join导致了数据倾斜。优化之前,作业的执行时间大约是60分钟左右;使用该方案优化之后,执行时间缩短到10分钟左右,性能提升了6倍。
注意:将倾斜Key添加1-N的随机前缀,并将被Join的数据集相应的扩大N倍(需要将1-N数字添加到每一条数据上作为前缀)

4.6 JOIN操作中,两个数据集都比较大,有很多Key的数据分布不均匀

4.7 数据集中少数几个key数据量很大,不重要,其他数据均匀

解决方案:过滤少数倾斜Key

适用场景:如果发现导致倾斜的key就少数几个,而且对计算本身的影响并不大的话,那么很适合使用这种方案。比如99%的key就对应10条数据,但是只有一个key对应了100万数据,从而导致了数据倾斜。
优点:实现简单,而且效果也很好,可以完全规避掉数据倾斜。
缺点:适用场景不多,大多数情况下,导致倾斜的key还是很多的,并不是只有少数几个。
实践经验:在项目中我们也采用过这种方案解决数据倾斜。有一次发现某一天Spark作业在运行的时候突然OOM了,追查之后发现,是Hive表中的某一个key在那天数据异常,导致数据量暴增。因此就采取每次执行前先进行采样,计算出样本中数据量最大的几个key之后,直接在程序中将那些key给过滤掉。

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原文: https://www.cnblogs.com/data-magnifier/p/15558538.html

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