Spark生态系统解析及基于Redis的开源分布式服务Codis

1月24日，一场基于Spark和Redis组成的分布式系统实践分享由Spark资深布道者陈超和豌豆荚资深系统架构师刘奇联手打造。

陈超：Spark Ecosystem & Internals

陈超（@CrazyJvm），Spark布道者

在分享中，陈超首先简短的介绍了Spark社区在2014年的发展：目前Spark的发布版本是1.2，整个2014年Spark共发布了3个主要版本——1.0、1.1、1.2。随后，陈超对Spark生态圈进行了详细的分析：

Spark：What & Why？

Spark是一个非常快，并且普适性非常强的一个大数据处理引擎。谈到Spark，首先就是一些常见特性：速度快、易用、通用和兼容Hadoop。首先通用，Spark可以支撑批处理、流计算、图计算、机器学习等众多应用场景；其次，与Hadoop良好的兼容。鉴于大多数的企业仍选用HDFS来存数据，Spark的设计与HDFS有着非常好的兼容性——假如数据存储在HDFS，那么不做任何数据迁移工作就可以直接使用Spark。

Spark vs. Hadoop

对于为什么要选择Spark，如上图所示，陈超从迭代计算和HDFS同批数据的多维度查询两个方面将之与Hadoop进行了对比：

• 迭代计算。在这个场景下，Hadoop需要多次读写HDFS（磁盘），造成了大量的IO和序列化、反序列化等额外开销。此外，每次写HDFS都需要写入3份，因此造成了备份方面的开销。
• HDFS同批数据的多维度查询。对HDFS同一批数据做成百或上千维度查询时，Hadoop每次做一个独立的query，也就是每次都要从磁盘读取这个数据。因为每次都从磁盘中读取同一组数据，效率显然可以继续提高。

而在这两种场景中，Spark可以使用内存缓存中间/常用数据，从而在避免磁盘IO开销的同时，还将大幅度提高性能。

Why Spark is so Fast？

Spark一直以快速著称，那么除下之前所说的内存，又是什么特性让Spark可以如此之快？在这里，陈超提到了DAG（有向无环图，下文详细介绍）、Thread Model（线程模型）和Optimization（比如延迟调度）3个方面。

Thread Model。Hadoop基于进程模型，每次启动一个task都需要新启动一个子JVM进行计算，可能也会存在JVM Reuse，这里即使避开JVM Reuse中存在的问题不谈，每次JVM启动时已经造成了不菲的开销。而Spark在应用程序启动时就启动了线程池，所以任务的启动开销非常小。

Optimization——延迟调度。当任务下达到某台主机时，恰好该主机的计算资源（CPU、内存等）已被耗尽，这个时候，Spark会采用延迟调度的机制，让其等待一小会，而不是将该台主机上需要计算的数据通过网络传输到另外的主机上。使用这个机制，在计算数据体积非常大时，有着很大的优势。 也就是所谓的“让计算跟着数据走，而不是数据跟着计算走”。

Spark解析

伯克利数据分析协议栈 

其中包括：资源管理框架，Apache YARN、Apache Mesos；基于内存的分布式文件系统，Tachyon；随后是Spark，更上面则是实现各种功能的系统，比如机器学习MLlib库，图计算GraphX，流计算Spark Streaming。再上面比如：SparkR，分析师的最爱；BlinkDB，我们可以强迫它几秒钟内给我们查询结果。

正是这个生态圈，让Spark可以实现“one stack to rule them all”，它既可以完成批处理也可以从事流计算，从而避免了去实现两份逻辑代码。而整个Spark的理论基础就是RDD：

RDD的核心理念

RDD可以想象为一个个的partitions，退一步也可理解为一个非常大的List(1,2,....9)，使用3个Partion分别保存这个List的3个元素，而每个partition（或者split）都会有一个函数去计算。同时，RDD之间是可以相互依赖的。然后，可以为Key-value RDD指定partitioner, RDD中的每个split也都有各自的preferred location。

最后一个preferred locations，这个理念存在于当下的众多分布式系统中，也就是计算跟着数据走。通常情况下，转移计算的时间远远小于转移数据的时间。对于Hadoop来说，因为数据在磁盘中，磁盘本地性通常达到了顶峰，而对于Spark来讲，因为数据（可以）保存在内存中，所以内存本地性才具备最高优先级。

运行原理

上图表述了Spark运行原理：rdd1、rdd2、rdd3等等一直转换到另外一个RDD。需要注意的是，这里面存在的是一个延迟的执行，也就是转换不会立刻执行。Spark只会在元数据中记录这个过程，但是不会真正的执行，这个要注意一点，只有在碰到action的时候才会真正的去执行。这个时候需要注意的是，比如上图RDD2所做的cache，这个操作同样是lazy的，同样在碰到action的时候才会执行。就在这里，坑出现了，即使persist与cache使用的是相同的接口，但是unpersist却是eager的。从1.1版本开始，cache其实已经有了更安全的做法，但是涉及过多内核细节，这里就不做多的解释。

RDD的依赖性

narrow dependency和wide dependency是Spark中另外两个重要的概念。对比后者，narrow dependency无论是在从容错上，还是在执行效率上都占有优势。

ClusterManager：目前来讲，在国内采用率更大的显然是YARN。

Cluster overview

Sparkcontext，写代码时生成，并向ClusterManager请求资源。ClusterManager会负责连接到Worker Node取得资源，其中executor才是task的真正执行者。这里有三个需要注意的点：第一，ClusterManager是可插拔的，可以任意选择；第二点，因为driver program需求发送任务给Worker Node，因此提交任何的地方不要离Worker Node特别远。第三点比较重要的一点，每个应用程序在每个Worker Node上都会有独立的executor，并且不同应用程序的executor(间)是不可以共享数据的。

PS：YARN通过Container来封装资源，因此在YARN中Worker对应的是Container。

调度

最初，Spark程序会隐式地建立一个逻辑上有向无环图（DAG），随后DAGScheduler会将DAG切分成一个个stage，随后这些stage会被传送给TaskSchedluer，之后再传送给Worker上的excutor执行。其中excutor会以多线程的模式执行。

Shuffle

从理论上讲，Spark Shuffle从未超过MapReduce，直到改完以后才OK。当下，Shuffle使用的是基于PULL的模式，中间文件会写到磁盘，同时，在每个partition都会建立hash map。需要注意的是，在可以跨keys spill的同时，主机内存必须可以装进单key-value。

在监控上，之前的版本中，只有当一个任务结束时，才可以收集这个任务的运行数据，这点在当下的版本已被改进。

生态系统简析

Spark Streaming：Spark Streaming实质上仍然是批处理，但是把之前大的批处理拆为小的batch。同时，当下Spark Streaming已支持限流，当流量很大时，Spark可以挡住。此外，它还可以支持实时机器学习。在Spark Streaming中，数据丢失一般因为两种情况——worker failure和driver failure。在之前版本中，可能会存在小部分的数据丢失，而在1.2版本发布后，reliable receiver模式保证了所有数据不会丢失，这点在Kafka的连接上非常适用。

MLlib：当下的算法已经非常丰富，包括分类、聚类、回归、协同过滤、降维等等。ML Pipeline可以大幅度的减少开发时间，它可以帮开发者打通数据收集、数据清理、特征提取，模型训练，测试、评估、上线整个流程。

Graphx：在这里，Spark的优势是既能处理表视图，也能处理图视图。

Spark SQL：Spark生态圈中最火的组件，目的很简单，用来支持SQL标准。对比Spark SQL，因为基于MapReduce的进程模型，Hive中存在许多一直未修复的多线程bug。值得一提的是，Spark SQL的贡献者中，一半以上是华人。

Tachyon可以支撑几乎所有框架

Tachyon：内存分布式系统，让不同的Job或者框架分享数据，从而绕过HDFS，以更快地速度执行。同时，它还可以避免任务失败时的数据重算。最后，Tachyon可以让系统避免多次GC。

SparkR：让R语言调用Spark。原理是Spark Context通过JNI调用Java Spark Context，随后通过Worker上的Excutor调用R的shell来执行。现在存在的问题是，每次task执行时都需要启动R shell，所以还亟待优化。

BlinkDB，一个任性的数据库

BlinkDB：很任性的一个数据库，允许操作者带着time bounds或者error bounds去查。原理是在原始数据上维护一组多维样本，当然其中还需要一个动态的样本选择策略。

JobServer：提供了一个RESTful接口来提交和管理Apache Spark job、jars及job contexts，即Spark as a Service。  

刘奇：Codis Design & Implementation

刘奇（@goroutine），豌豆荚资深系统架构师 

在刘奇的分享中，他首先介绍了Redis在豌豆荚的使用历程——单实例==》多实例，业务代码中做sharding==》单个Twemproxy==》多个Twemproxy==》Codis，豌豆荚自己开发的分布式Redis服务。在大规模的Redis使用过程中，他们发现Redis受限于多个方面：单机内存有限、带宽压力、单点问题、不能动态扩容以及磁盘损坏时的数据抢救。

通过刘奇我们了解到，Redis通常有3个使用途径：客户端静态分片，一致性哈希；通过Proxy分片，即Twemproxy；还有就是官方的Redis Cluster，但至今无一个新版本。随后刘奇更详细的分析了为什么不使用Twemproxy和Redis Cluster：

Twemproxy：最大的痛点是无法平滑的扩容或者缩容，甚至修改配置都需要重启服务；其次，不可运维，甚至没有Dashboard。

Redis Cluster（官方）：无中心化设计，程序难以编写；代码有点吓人，clusterProcessPacket函数有426行，人脑难以处理所有的状态切换；迟迟没有正式版本，等了4年之久；目前还缺乏最佳实践，没有人编写Redis Cluster的若干条注意事项；整个系统高度耦合，升级困难。

刘奇表示，虽然我们有众多的选择，比如Tair、Couchbase等，但是如果你需要更复杂和优秀的数据结构，Redis可称为不二之选。基于这个原因，在Redis之上，豌豆荚设计了Codis，并将之开源。

Codis

既然重新设计，那么Codis首先必须满足自动扩容和缩容的需求，其次则是必须避免单点故障和单点带宽不足，做一个高可用的系统。在这之后，基于原有的遗留系统，还必须可以轻松地将数据从Twemproxy迁移到Codis，并实现良好的运维和监控。基于这些，Codis的设计跃然纸面：

然而，一个新系统的开发并不是件容易的事情，特别是一个复杂的分布式系统。刘奇表示，虽然当时团队只有3个人，但是他们几乎考量了可以考量的各种细节：

• 尽量拆分，简化每个模块，同时易于升级
• 每个组件只负责自己的事情
• Redis只作为存储引擎
• Proxy的状态
• Redis故障判定是否放到外部，因为分布式系统存活的判定异常复杂
• 提供API让外部调用，当Redis Master丢失时，提升Slave为Master
• 图形化监控一切：slot状态、Proxy状态、group状态、lock、action等等

而在考量了一切事情后，另一个争论摆在了眼前——Proxy或者是Smart Client：Proxy拥有更好的监控和控制，同时其后端信息亦不易暴露，易于升级；而Smart Client拥有更好的性能，及更低的延时，但是升级起来却比较麻烦。对比种种优劣，他们最终选择了Proxy，无独有偶，在codis开源后，twitter的一个分享提到他们也是基于proxy的设计。

Codis主要包含Codis Proxy（codis-proxy）、Codis Manager（codis-config）、Codis Redis（codis-server）和ZooKeeper四大组件，每个部分都可动态扩容。

codis-proxy 。客户端连接的Redis代理服务，本身实现了Redis协议，表现很像原生的Redis （就像 Twemproxy）。一个业务可以部署多个 codis-proxy，其本身是无状态的。

codis-config。Codis 的管理工具，支持添加/删除Redis节点、添加/删除Proxy节点、发起数据迁移等操作。codis-config自带了一个http server，会启动一个dashboard，用户可以在浏览器上观察 Codis 集群的运行状态。

codis-server。Codis 项目维护的一个Redis分支，加入了slot的支持和原子的数据迁移指令。

ZooKeeper。Codis依赖ZooKeeper来存放数据路由表和codis-proxy节点的元信息，codis-config发起的命令会通过 ZooKeeper同步到各个存活的codis-proxy。

最后，刘奇还介绍详细的了Codis中Migration、lock (rwlock)等操作的实现过程和原理，以及从Twemproxy迁移到Codis的详细操作。更多Codis详情可移步Clodis开源页 GitHub。