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为何要处理数据倾斜（Data Skew）

什么是数据倾斜

对Spark/Hadoop这样的大数据系统来讲，数据量大并不可怕，可怕的是数据倾斜。

何谓数据倾斜？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。

数据倾斜是如何造成的

 在Spark中，同一个Stage的不同Partition可以并行处理，而具有依赖关系的不同Stage之间是串行处理的。假设某个Spark Job分为Stage 0和Stage 1两个Stage，且Stage 1依赖于Stage 0，那Stage 0完全处理结束之前不会处理Stage 1。而Stage 0可能包含N个Task，这N个Task可以并行进行。如果其中N-1个Task都在10秒内完成，而另外一个Task却耗时1分钟，那该Stage的总时间至少为1分钟。换句话说，一个Stage所耗费的时间，主要由最慢的那个Task决定。

由于同一个Stage内的所有Task执行相同的计算，在排除不同计算节点计算能力差异的前提下，不同Task之间耗时的差异主要由该Task所处理的数据量决定。

Stage的数据来源主要分为如下两类

• 从数据源直接读取。如读取HDFS，Kafka
• 读取上一个Stage的Shuffle数据

如何缓解/消除数据倾斜

尽量避免数据源的数据倾斜

以Spark Stream通过DirectStream方式读取Kafka数据为例。由于Kafka的每一个Partition对应Spark的一个Task（Partition），所以Kafka内相关Topic的各Partition之间数据是否平衡，直接决定Spark处理该数据时是否会产生数据倾斜。

如《Kafka设计解析（一）- Kafka背景及架构介绍》一文所述，Kafka某一Topic内消息在不同Partition之间的分布，主要由Producer端所使用的Partition实现类决定。如果使用随机Partitioner，则每条消息会随机发送到一个Partition中，从而从概率上来讲，各Partition间的数据会达到平衡。此时源Stage（直接读取Kafka数据的Stage）不会产生数据倾斜。

但很多时候，业务场景可能会要求将具备同一特征的数据顺序消费，此时就需要将具有相同特征的数据放于同一个Partition中。一个典型的场景是，需要将同一个用户相关的PV信息置于同一个Partition中。此时，如果产生了数据倾斜，则需要通过其它方式处理。

调整并行度分散同一个Task的不同Key

原理

Spark在做Shuffle时，默认使用HashPartitioner（非Hash Shuffle）对数据进行分区。如果并行度设置的不合适，可能造成大量不相同的Key对应的数据被分配到了同一个Task上，造成该Task所处理的数据远大于其它Task，从而造成数据倾斜。

 如果调整Shuffle时的并行度，使得原本被分配到同一Task的不同Key发配到不同Task上处理，则可降低原Task所需处理的数据量，从而缓解数据倾斜问题造成的短板效应。

案例

现有一张测试表，名为student_external，内有10.5亿条数据，每条数据有一个唯一的id值。现从中取出id取值为9亿到10.5亿的共1.5条数据，并通过一些处理，使得id为9亿到9.4亿间的所有数据对12取模后余数为8（即在Shuffle并行度为12时该数据集全部被HashPartition分配到第8个Task），其它数据集对其id除以100取整，从而使得id大于9.4亿的数据在Shuffle时可被均匀分配到所有Task中，而id小于9.4亿的数据全部分配到同一个Task中。处理过程如下

INSERT OVERWRITE TABLE test
SELECT CASE WHEN id < 940000000 THEN (9500000  + (CAST (RAND() * 8 AS INTEGER)) * 12 )
       ELSE CAST(id/100 AS INTEGER)
       END,
       name
FROM student_external
WHERE id BETWEEN 900000000 AND 1050000000;

通过上述处理，一份可能造成后续数据倾斜的测试数据即以准备好。接下来，使用Spark读取该测试数据，并通过groupByKey(12)对id分组处理，且Shuffle并行度为12。代码如下

public class SparkDataSkew {
  public static void main(String[] args) {
    SparkSession sparkSession = SparkSession.builder()
      .appName("SparkDataSkewTunning")
      .config("hive.metastore.uris", "thrift://hadoop1:9083")
      .enableHiveSupport()
      .getOrCreate();

    Dataset dataframe = sparkSession.sql( "select * from test");
    dataframe.toJavaRDD()
      .mapToPair((Row row) -> new Tuple2(row.getInt(0),row.getString(1)))
      .groupByKey(12)
      .mapToPair((Tuple2> tuple) -> {
        int id = tuple._1();
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        tuple._2().forEach((String name) -> atomicInteger.incrementAndGet());
        return new Tuple2(id, atomicInteger.get());
      }).count();

      sparkSession.stop();
      sparkSession.close();
  }
  
}

本次实验所使用集群节点数为4，每个节点可被Yarn使用的CPU核数为16，内存为16GB。使用如下方式提交上述应用，将启动4个Executor，每个Executor可使用核数为12（该配置并非生产环境下的最优配置，仅用于本文实验），可用内存为12GB。

spark-submit --queue ambari --num-executors 4 --executor-cores 12 --executor-memory 12g --class com.jasongj.spark.driver.SparkDataSkew --master yarn --deploy-mode client SparkExample-with-dependencies-1.0.jar

GroupBy Stage的Task状态如下图所示，Task 8处理的记录数为4500万，远大于（9倍于）其它11个Task处理的500万记录。而Task 8所耗费的时间为38秒，远高于其它11个Task的平均时间（16秒）。整个Stage的时间也为38秒，该时间主要由最慢的Task 8决定。

在这种情况下，可以通过调整Shuffle并行度，使得原来被分配到同一个Task（即该例中的Task 8）的不同Key分配到不同Task，从而降低Task 8所需处理的数据量，缓解数据倾斜。

通过groupByKey(48)将Shuffle并行度调整为48，重新提交到Spark。新的Job的GroupBy Stage所有Task状态如下图所示。

从上图可知，记录数最多的Task 20处理的记录数约为1125万，相比于并行度为12时Task 8的4500万，降低了75%左右，而其耗时从原来Task 8的38秒降到了24秒。

 在这种场景下，调整并行度，并不意味着一定要增加并行度，也可能是减小并行度。如果通过groupByKey(11)将Shuffle并行度调整为11，重新提交到Spark。新Job的GroupBy Stage的所有Task状态如下图所示。

从上图可见，处理记录数最多的Task 6所处理的记录数约为1045万，耗时为23秒。处理记录数最少的Task 1处理的记录数约为545万，耗时12秒。

总结

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
调整并行度。一般是增大并行度，但有时如本例减小并行度也可达到效果。

优势
实现简单，可在需要Shuffle的操作算子上直接设置并行度或者使用spark.default.parallelism设置。如果是Spark SQL，还可通过SET spark.sql.shuffle.partitions=[num_tasks]设置并行度。可用最小的代价解决问题。一般如果出现数据倾斜，都可以通过这种方法先试验几次，如果问题未解决，再尝试其它方法。

劣势
适用场景少，只能将分配到同一Task的不同Key分散开，但对于同一Key倾斜严重的情况该方法并不适用。并且该方法一般只能缓解数据倾斜，没有彻底消除问题。从实践经验来看，其效果一般。

自定义Partitioner

原理

使用自定义的Partitioner（默认为HashPartitioner），将原本被分配到同一个Task的不同Key分配到不同Task。

案例

以上述数据集为例，继续将并发度设置为12，但是在groupByKey算子上，使用自定义的Partitioner（实现如下）

.groupByKey(new Partitioner() {
  @Override
  public int numPartitions() {
    return 12;
  }

  @Override
  public int getPartition(Object key) {
    int id = Integer.parseInt(key.toString());
    if(id >= 9500000 && id <= 9500084 && ((id - 9500000) % 12) == 0) {
      return (id - 9500000) / 12;
    } else {
      return id % 12;
    }
  }
})

由下图可见，使用自定义Partition后，耗时最长的Task 6处理约1000万条数据，用时15秒。并且各Task所处理的数据集大小相当。

总结

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。

将Reduce side Join转变为Map side Join

原理通过Spark的Broadcast机制，将Reduce侧Join转化为Map侧Join，避免Shuffle从而完全消除Shuffle带来的数据倾斜。

案例

通过如下SQL创建一张具有倾斜Key且总记录数为1.5亿的大表test。

INSERT OVERWRITE TABLE test
SELECT CAST(CASE WHEN id < 980000000 THEN (95000000  + (CAST (RAND() * 4 AS INT) + 1) * 48 )
       ELSE CAST(id/10 AS INT) END AS STRING),
       name
FROM student_external
WHERE id BETWEEN 900000000 AND 1050000000;

使用如下SQL创建一张数据分布均匀且总记录数为50万的小表test_new。

INSERT OVERWRITE TABLE test_new
SELECT CAST(CAST(id/10 AS INT) AS STRING),
       name
FROM student_delta_external
WHERE id BETWEEN 950000000 AND 950500000;

直接通过Spark Thrift Server提交如下SQL将表test与表test_new进行Join并将Join结果存于表test_join中。

INSERT OVERWRITE TABLE test_join
SELECT test_new.id, test_new.name
FROM test
JOIN test_new
ON test.id = test_new.id;

该SQL对应的DAG如下图所示。从该图可见，该执行过程总共分为三个Stage，前两个用于从Hive中读取数据，同时二者进行Shuffle，通过最后一个Stage进行Join并将结果写入表test_join中。

从下图可见，最近Join Stage各Task处理的数据倾斜严重，处理数据量最大的Task耗时7.1分钟，远高于其它无数据倾斜的Task约2s秒的耗时。

 接下来，尝试通过Broadcast实现Map侧Join。实现Map侧Join的方法，并非直接通过CACHE TABLE test_new将小表test_new进行cache。现通过如下SQL进行Join。

CACHE TABLE test_new;
INSERT OVERWRITE TABLE test_join
SELECT test_new.id, test_new.name
FROM test
JOIN test_new
ON test.id = test_new.id;

SET spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold=104857600;
INSERT OVERWRITE TABLE test_join
SELECT test_new.id, test_new.name
FROM test
JOIN test_new
ON test.id = test_new.id;