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11 | 为什么说Shuffle是一时无两的性能杀手？
你好，我是吴磊。
一提到Shuffle，你能想到什么？我想很多人的第一反应都是应用中最顽固、最难解决的性能瓶颈。
在之前的课程中，我们也不止一次地提到Shuffle，尤其是在开发原则那一讲，我还建议你遵循“能省则省、能拖则拖”的原则，在应用中尽量去避免Shuffle，如果受业务逻辑所限确实不能避免，就尽可能地把Shuffle往后拖。
那么，为什么我们一谈Shuffle就色变，提到它就避之唯恐不及呢？今天这一讲，我就通过实现一个仙女散花游戏的过程，来和你深入探讨Shuffle是如何工作的，说说它为什么是分布式应用一时无两的性能杀手。毕竟，只有了解Shuffle的工作原理，我们才能更好地避免它。
如何理解Shuffle？
假设，你的老板今天给你安排一个开发任务，让你用Spark去实现一个游戏需求。这个实现需求来自一个小故事：仙女散花。
很久以前，燕山脚下有个小村庄，村子里有所“七色光”小学，方圆百里的孩子都来这里上学。这一天，一年级2班的黄老师和班里的五个孩子正在做一个游戏，叫做“仙女散花”。
黄老师的背包里装满了五种不同颜色的花朵，五种颜色分别是红、橙、黄、紫、青。她把背包里的花朵随机地分发给五个小同学：小红、橙橙、黄小乙、阿紫和小青。花朵发完之后，每个同学分到的花朵数量差不多，颜色各有不同。
接着，黄老师开始宣布游戏规则：“你们要一起协作，在最短的时间内，把花朵按照颜色收集在一起。游戏完成的标志是，课桌上有5堆花朵，每堆花朵的颜色都是一样的。”
大家跃跃欲试，黄小乙说：“先别急，我们来制定个策略。先在前面摆上5张课桌，然后每个人需要做两件事情，先把自己手里的花朵按照颜色归类分为5堆，再把分好颜色的花朵，分别放到相应的课桌上！”于是，几个小同学按照黄小乙说的策略，不一会儿就完成了游戏。
事实上，仙女散花的游戏过程和Shuffle的工作流程大同小异。当然，Shuffle过程中涉及的步骤和环节，要比“仙女散花”复杂一些。
Shuffle的本意是“洗牌”，在分布式计算环境中，它有两个阶段。一般来说，前一个阶段叫做“Map阶段”，后一个阶段叫做“Reduce阶段”。当然，也有人把它们叫做Shuffle Write阶段和Shuffle Read阶段。
在仙女散花的游戏中，从老师分发花朵，到5个小同学把花朵按照颜色归类，对应的是Shuffle的Map阶段，而大家把归类的花朵分发到相应的课桌，这个过程类似于Shuffle的Reduce阶段。
接下来，我们就借助这个故事来深入探讨Shuffle的两个阶段：Map阶段和Reduce阶段。
自2.0版本之后，Spark将Shuffle操作统一交由Sort shuffle manager来管理。因此，今天这一讲，我们专注于Sort shuffle manager实现的Shuffle分发过程。
Map阶段是如何输出中间文件的？
以终为始、以结果为导向的学习往往效率更高，在深入探讨Map阶段如何生产数据之前，我们不妨先来明确：Map阶段的输出到底是什么？
之前我们也说过，Map阶段最终生产的数据会以中间文件的形式物化到磁盘中，这些中间文件就存储在spark.local.dir设置的文件目录里。中间文件包含两种类型：一类是后缀为data的数据文件，存储的内容是Map阶段生产的待分发数据；另一类是后缀为index的索引文件，它记录的是数据文件中不同分区的偏移地址。这里的分区是指Reduce阶段的分区，因此，分区数量与Reduce阶段的并行度保持一致。
这样一来，我们就可以把问题进一步聚焦在，Spark在Map阶段是如何生产这些中间文件的。不过，我们首先需要明确的是，Map阶段每一个Task的执行流程都是一样的，每个Task最终都会生成一个数据文件和一个索引文件。**因此，中间文件的数量与Map阶段的并行度保持一致。**换句话说，有多少个Task，Map阶段就会生产相应数量的数据文件和索引文件。
接下来，我带你用Spark来实现“仙女散花”的游戏，咱们一边做游戏，一边来分析Map阶段的中间文件是如何产生的。
用groupByKey实现“仙女散花”
在“仙女散花”的游戏中，黄老师要求大家把同一种花色的花朵收集到一起。那么，在Spark的分布式开发框架内，与这个游戏最相仿的计算过程非groupByKey莫属，所以我们不妨用groupByKey来实现游戏。
首先是flowers.txt文件：
黄色花朵
紫色花朵
红色花朵
橙色花朵
青色花朵
黄色花朵
紫色花朵
橙色花朵
青色花朵
......
其次是同学小A接到需求后，用groupByKey实现“仙女散花”游戏的代码：
val flowers = spark.sparkContext.textFile("flowers.txt")
//黄老师给5个小同学分发花朵
val flowersForKids = flowers.coalesce(5)
val flowersKV = flowersForKids.map((_, 1))
//黄小乙的两个步骤：大家先各自按颜色归类，然后再把归类后的花朵放到相应的课桌上
flowersKV.groupByKey.collect
我们可以看到，代码步骤与游戏过程基本上一一对应。但是，读取完花朵文件之后，由于groupByKey是pairRDD算子，需要消费（Key，Value）形式的数据，因此我们需要对原始花朵数据做一次转换。以数据分区0为例，数据的转换过程如下图所示，你不妨把数据分区0理解为是黄老师分发给小红的花朵。
基于pairRDD的Key，也就是花朵的颜色，Map Task就可以计算每条数据记录在Reduce阶段的目标分区，目标分区也就是游戏中的课桌。在黄小乙制定的策略中，哪种花放到哪张桌子是大家事先商定好的，但在Spark中，每条数据记录应该分发到哪个目标分区，是由Key的哈希值决定的。
目标分区计算好之后，Map Task会把每条数据记录和它的目标分区，放到一个特殊的数据结构里，这个数据结构叫做“PartitionedPairBuffer”，它本质上就是一种数组形式的缓存结构。它是怎么存储数据记录的呢？
每条数据记录都会占用数组中相邻的两个元素空间，第一个元素是（目标分区，Key），第二个元素是Value。假设PartitionedPairBuffer的大小是4，也就是最多只能存储4条数据记录。那么，如果我们还以数据分区0为例，小红的前4枚花朵在PartitionedPairBuffer中的存储状态就会如下所示。
对我们来说，最理想的情况当然是PartitionedPairBuffer足够大，大到足以容纳Map Task所需处理的所有数据。不过，现实总是很骨感，每个Task分到的内存空间是有限的，PartitionedPairBuffer自然也不能保证能容纳分区中的所有数据。因此，Spark需要一种计算机制，来保障在数据总量超出可用内存的情况下，依然能够完成计算。这种机制就是：排序、溢出、归并。
就拿大小为4的PartitionedPairBuffer来说，数据分区0里面有16朵花，对应着16条数据记录，它们至少要分4批才能依次完成处理。在处理下一批数据之前，Map Task得先把PartitionedPairBuffer中已有的数据腾挪出去，腾挪的方式简单粗暴，Map Task直接把数据溢出到磁盘中的临时文件。
不过，在溢出之前，对于PartitionedPairBuffer中已有的数据，Map Task会先按照数据记录的第一个元素，也就是目标分区 + Key进行排序。也就是说，尽管数据暂时溢出到了磁盘，但是临时文件中的数据也是有序的。
就这样，PartitionedPairBuffer腾挪了一次又一次，数据分区0里面的花朵处理了一批又一批，直到所有的花朵都被处理完。分区0有16朵花，PartitionedPairBuffer的大小是4，因此，PartitionedPairBuffer总共被腾挪了3次，生成了3个临时文件，每个临时文件中包含4条数据记录。16条数据，有12条分散在3个文件中，还有4条缓存在PartitionedPairBuffer里。
到此为止，我们离Map阶段生产的、用于在网络中分发数据的中间文件仅有一步之遥了。还记得吗？Map阶段生产的中间文件有两类，一类是数据文件，另一类是索引文件。分散在3个临时文件和PartitionedPairBuffer里的数据记录，就是生成这两类文件的输入源。最终，Map Task用归并排序的算法，将4个输入源中的数据写入到数据文件和索引文件中去，如下图所示。
好了，到目前为止，我们用groupByKey实现了“仙女散花”的游戏，详细讲解了Map阶段生产中间文件的过程。虽然Map阶段的计算步骤很多，但其中最主要的环节可以归结为4步：
1. 对于分片中的数据记录，逐一计算其目标分区，并将其填充到PartitionedPairBuffer；
2. PartitionedPairBuffer填满后，如果分片中还有未处理的数据记录，就对Buffer中的数据记录按（目标分区ID，Key）进行排序，将所有数据溢出到临时文件，同时清空缓存；
3. 重复步骤1、2，直到分片中所有的数据记录都被处理；
4. 对所有临时文件和PartitionedPairBuffer归并排序，最终生成数据文件和索引文件。
不难发现，仙女散花其实就是个分组、收集的游戏。应该说，用Spark来实现分组、收集类的游戏还是比较简单的，那么，如果把仙女散花变成是“分组、统计”的游戏，我们该怎么做呢？
“仙女散花”游戏升级
5个小同学完成游戏之后，离下课时间还早。因此，黄老师调整了游戏规则：“你们五个人还是一起协作，这次要在最短的时间内，统计不同花色花朵的数量。”
小红迫不及待地说：“很简单！还是按照刚才的策略，先把花朵分好堆，然后我们五个人分别去课桌上数数就好啦！”
黄小乙皱了皱眉，说道：“别急，新的游戏规则也是有时间限制的，我想了一个和你差不多的办法，一共分三步：第一步，每个人把手里不同花色花朵的数量先算出来；第二步，我们只需要把花朵的数量写到相应的桌子上；第三步，我们分别对五张课桌上的数字求和。这样就能完成得更快了”
用reduceByKey实现升级后的仙女散花
如果我们想用Spark来实现升级后的游戏，该怎么办呢？其实很简单，只要把groupByKey换成reduceByKey就好了。
val flowers = spark.sparkContext.textFile("flowers.txt")
//黄老师给5个小同学分发花朵
val flowersForKids = flowers.coalesce(5)
val flowersKV = flowersForKids.map((_, 1))
//黄小乙的两个步骤：大家先各自按颜色计数，然后再按照课桌统一计数
flowersKV.reduceByKey(_ + _).collect
接下来，我们来分析一下reduceByKey的Map阶段计算，相比groupByKey有何不同。就Map端的计算步骤来说，reduceByKey与刚刚讲的groupByKey一样，都是先填充内存数据结构，然后排序溢出，最后归并排序。
区别在于，在计算的过程中，reduceByKey采用一种叫做PartitionedAppendOnlyMap的数据结构来填充数据记录。这个数据结构是一种Map，而Map的Value值是可累加、可更新的。因此，PartitionedAppendOnlyMap非常适合聚合类的计算场景，如计数、求和、均值计算、极值计算等等。
在上图中，4个KV对的Value值，是扫描到数据分区0当中青色花朵之前的状态。在PartitionedAppendOnlyMap中，由于Value是可累加、可更新的，因此这种数据结构可以容纳的花朵数量一定比4大。因此，相比PartitionedPairBuffer，PartitionedAppendOnlyMap的存储效率要高得多，溢出数据到磁盘文件的频率也要低得多。
以此类推，最终合并的数据文件也会小很多。依靠高效的内存数据结构、更少的磁盘文件、更小的文件尺寸，我们就能大幅降低了Shuffle过程中的磁盘和网络开销。
事实上，相比groupByKey、collect_list这些收集类算子，聚合类算子（reduceByKey、aggregateByKey等）在执行性能上更占优势。**因此，我们要避免在聚合类的计算需求中，引入收集类的算子。**虽然这种做法不妨碍业务逻辑实现，但在性能调优上可以说是大忌。
Reduce阶段是如何进行数据分发的？
最后，我们再来说说Reduce阶段，在“仙女散花”的游戏里，每个人把自己的花朵归好类之后，主动地把不同颜色的花朵放到相应的课桌上，这个过程实际上就是Shuffle过程中的数据分发。不过，与课桌被动地接收花朵不同的是，Shuffle在Reduce阶段是主动地从Map端的中间文件中拉取数据。
刚刚讲过，每个Map Task都会生成如上图所示的中间文件，文件中的分区数与Reduce阶段的并行度一致。换句话说，每个Map Task生成的数据文件，都包含所有Reduce Task所需的部分数据。因此，任何一个Reduce Task要想完成计算，必须先从所有Map Task的中间文件里去拉取属于自己的那部分数据。索引文件正是用于帮助判定哪部分数据属于哪个Reduce Task。
Reduce Task通过网络拉取中间文件的过程，实际上就是不同Stages之间数据分发的过程。在“仙女散花”的游戏中，5个孩子与5张课桌之间，需要往返25人次。如果让100个孩子把100种颜色的花朵，分别收集到100张课桌上，那么这100个孩子与100张课桌之间，就需要10000人次的往返！显然，Shuffle中数据分发的网络开销，会随着Map Task与Reduce Task的线性增长，呈指数级爆炸。
Reduce Task将拉取到的数据块填充到读缓冲区，然后按照任务的计算逻辑不停地消费、处理缓冲区中的数据记录，如下图所示。
我们可以看到，Reduce阶段用圆圈标记的1、2、3、4与Map阶段的四个步骤一模一样。没错，因即是果、果即是因，当我们说某个Stage是Map阶段或是Reduce阶段的时候，我们的出发点或者说锚点就是Shuffle。对于上图的Shuffle 0来说，Stage 0是Map阶段，Stage 1是Reduce阶段。但是，对于后面的Shuffle 1来说，Stage 1就变成了Map 阶段。因此你看，当我们把视角拉宽，Map和Reduce这两个看似对立的东西，其实有很多地方都是相通的。
性能杀手
想必经过上面两个阶段的分析，你已经对Shuffle为何会成为性能瓶颈，有了比较直观的感受。这里，我再带你总结一下。
首先，对于Shuffle来说，它需要消耗所有的硬件资源：
-
无论是PartitionedPairBuffer、PartitionedAppendOnlyMap这些内存数据结构，还是读写缓冲区，都会消耗宝贵的内存资源；
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由于内存空间有限，因此溢出的临时文件会引入大量磁盘I/O，而且，Map阶段输出的中间文件也会消耗磁盘；
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呈指数级增长的跨节点数据分发，带来的网络开销更是不容小觑。
**其次，Shuffle消耗的不同硬件资源之间很难达到平衡。**磁盘和网络的消耗是Shuffle中必需的环节。但是，磁盘与网络的处理延迟相比CPU和内存要相差好几个数量级。以下表为例，如果以CPU L1缓存的处理延迟为基准，把单位从纳秒校准到秒，我们就会惊讶地发现，当CPU、内存以秒为单位处理数据时，磁盘和网络的处理延迟是以天、月为单位的！
正是基于Shuffle的这些特点，我们才会“谈虎色变”，一提到Shuffle就避之唯恐不及，强调能省则省、能拖则拖。
小结
这一讲，我借助实现仙女散花这个游戏的需求，带你直观地认识Shuffle的计算过程。Shuffle有两个计算阶段，Map阶段和Reduce阶段。我们要重点掌握Map阶段的计算流程，我把它总结为4步：
- 对于分片中的数据记录，逐一计算其目标分区，然后填充内存数据结构（PartitionedPairBuffer或PartitionedAppendOnlyMap）；
- 当数据结构填满后，如果分片中还有未处理的数据记录，就对结构中的数据记录按（目标分区ID，Key）排序，将所有数据溢出到临时文件，同时清空数据结构；
- 重复前2个步骤，直到分片中所有的数据记录都被处理；
- 对所有临时文件和内存数据结构中剩余的数据记录做归并排序，最终生成数据文件和索引文件。
在Reduce阶段我们要注意，Reduce Task通过网络拉取中间文件的过程，实际上就是不同Stages之间数据分发的过程。并且，Shuffle中数据分发的网络开销，会随着Map Task与Reduce Task的线性增长，呈指数级爆炸。
最后，从硬件资源的角度来看，Shuffle对每一种硬件资源都非常地渴求，尤其是内存、磁盘和网络。由于不同硬件资源之间的处理延迟差异巨大，我们很难在Shuffle过程中平衡CPU、内存、磁盘和网络之间的计算开销。因此，对于Shuffle我们避之唯恐不及，要能省则省、能拖则拖。
每日一练
- 以小红分到的花朵（数据分区0）为例，你能推导出reduceByKey中Map阶段的每个环节吗？（提示：PartitionedAppendOnlyMap需要多少次溢出到磁盘临时文件？每一个临时文件中的内容是什么？最终生成的中间文件，内容分别是什么？和groupByKey生成的中间文件一样吗？）
- Map阶段和Reduce阶段有不少环节都涉及数据缓存、数据存储，结合上一讲介绍的Spark配置项，你能把相关的配置项对号入座吗？
期待在留言区看到你的思考和讨论，我们下一讲见！