在 Azure Synapse Analytics 中优化 Apache Spark 作业

了解如何为特定工作负荷优化 Apache Spark 群集配置。 最常面临的难题是内存压力，这归因于不正确的配置（尤其是大小不合的执行程序）、长时间运行的操作以及导致笛卡尔操作的任务。 可通过以下方式为作业提速：使用适当的缓存，并允许数据倾斜。 若要实现最佳性能，应监视和查看长时间运行并耗用资源的 Spark 作业执行。

以下部分介绍常用的 Spark 作业优化方法和建议。

选择数据抽象

早期的 Spark 版本使用 RDD 提取数据，Spark 1.3 和 1.6 分别引入了 DataFrame 和 DataSet。 请仔细衡量下列优缺点：

• DataFrame
  • 大多数情况下的最佳选择。
  • 通过 Catalyst 提供查询优化。
  • 全阶段代码生成。
  • 直接内存访问。
  • 垃圾回收 (GC) 开销低。
  • 不像数据集那样易于开发者使用，因为没有编译时检查或域对象编程。
• DataSet
  • 适合可容忍性能受影响的复杂 ETL 管道。
  • 不适合需要考虑性能受影响的聚合。
  • 通过 Catalyst 提供查询优化。
  • 提供域对象编程和编译时检查，适合开发。
  • 增加序列化/反序列化开销。
  • GC 开销高。
  • 中断全阶段代码生成。
• RDD
  • 不必使用 RDD，除非需要生成新的自定义 RDD。
  • 不能通过 Catalyst 提供查询优化。
  • 不提供全阶段代码生成。
  • GC 开销高。
  • 必须使用 Spark 1.x 旧版 API。

使用最佳数据格式

Spark 支持多种格式，比如 csv、json、xml、parquet、orc 和 avro。 Spark 可以借助外部数据源进行扩展，以支持更多格式 — 有关详细信息，请参阅 Apache Spark 包。

最能提高性能的格式是采用 Snappy 压缩的 Parquet，这是 Spark 2.x 中的默认格式。 Parquet 以分列格式存储数据，并在 Spark 中得到了高度优化。 此外，在进行 snappy 压缩时，可能会生成较大的文件（例如，比使用 gzip 压缩时生成的文件更大）。 由于这些文件具有可拆分特性，它们的解压缩速度会更快。

使用缓存

Spark 提供自己的本机缓存机制，可通过各种方法（比如 .persist()、.cache() 和 CACHE TABLE）使用。 这种本机缓存适用于小型数据集以及需要缓存中间结果的 ETL 管道。 但是，Spark 本机缓存目前并非很适用于分区，因为缓存表不保留分区数据。

有效利用内存

Spark 在运行时会将数据放在内存中，因此，管理内存资源是优化 Spark 作业执行的一个重要方面。 可通过以下几种方法来有效地利用群集内存。

• 为分区策略中的数据大小、类型和分布优先选择较小的数据分区和帐户。
• 考虑使用更新、更有效的 Kryo 数据序列化，而不是使用默认的 Java 序列化。
• 监视和优化 Spark 配置设置。

下图展示了 Spark 内存结构和一些键执行程序内存参数供用户参考。

Spark 内存注意事项

Azure Synapse 中的 Apache Spark 使用 YARN (Apache Hadoop YARN)。YARN 控制每个 Spark 节点上的所有容器使用的最大内存总和。 下图展示了一些键对象及其关系。

若要解决显示“内存不足”消息的问题，请尝试：

• 查看 DAG 管理数据重组。 通过映射端化简减少内存使用，对源数据进行预分区（或 Bucket 存储化），最大化单个数据重组，以及减少发送的数据量。
• 首选具有固定内存限制的 ReduceByKey，而不是 GroupByKey，后者提供聚合、窗口化和其他功能，但内存不受限制。
• 首选在执行程序或分区上执行更多工作的 TreeReduce，而不是在驱动程序上执行所有工作的 Reduce。
• 使用 DataFrame，而不是级别较低的 RDD 对象。
• 创建用于封装操作（比如“Top N”、各种聚合或窗口化操作）的 ComplexType。

优化数据序列化

Spark 作业是分布式作业，因此，适当的数据序列化对实现最佳性能很重要。 Spark 有两个序列化选项：

• Java 序列化是默认选项。
• Kryo 序列化是一种较新的格式，可带来比 Java 更快、更紧凑的序列化。 Kryo 要求在程序中注册类，并且尚不支持所有的可序列化类型。

使用 Bucket 存储

Bucket 存储类似于数据分区，但每个 Bucket 都可以保存一组列值，而不只是一个列值。 Bucket 存储适合对大量（数以百万计或更多）值分区，比如产品标识符。 通过哈希行的 Bucket 键可以确定 Bucket。 由 Bucket 存储的表可提供独一无二的优化，因为它们存储了有关其 Bucket 存储方式和排序方式的元数据。

下面是一些高级 Bucket 存储功能：

• 基于 Bucket 存储元信息的查询优化。
• 优化的聚合。
• 优化的联接。

可以同时使用分区和 Bucket 存储。

优化联接和数据重组

如果某个联接和数据重组操作上有速度较慢的作业，可能是由数据倾斜引起的，即作业数据不对称。 例如，运行映射作业可能需要 20 秒，但运行对数据进行联接或重组的作业则需数小时。 若要解决数据倾斜问题，应对整个键进行加盐加密，或对仅仅一部分键使用独立的加密盐。 如果使用独立的加密盐，应进一步进行筛选，将映射联接中已进行加盐加密的键的子集隔离出来。 另一种做法是引入 Bucket 列，先在 Bucket 中进行预聚合。

导致联接变慢的另一个因素可能是联接类型。 默认情况下，Spark 使用 SortMerge 联接类型。 这种联接最适合大型数据集，但另一方面又会占用大量计算资源，因为它必须先对数据的左右两侧进行排序，然后才进行合并。

Broadcast 联接最适合小型数据集，或者联接的一侧比另一侧小得多的情况。 这种联接会将一侧数据广播到所有执行程序，因此通常需要为广播提供更多内存。

可以通过设置 spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold 来更改配置中的联接类型，也可以使用 DataFrame API (dataframe.join(broadcast(df2))) 来设置联接提示。

// Option 1
spark.conf.set("spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold", 1*1024*1024*1024)

// Option 2
val df1 = spark.table("FactTableA")
val df2 = spark.table("dimMP")
df1.join(broadcast(df2), Seq("PK")).
    createOrReplaceTempView("V_JOIN")

sql("SELECT col1, col2 FROM V_JOIN")

如果使用由 Bucket 存储的表，则有第三种联接类型，即 Merge 联接。 已进行正确预分区和预排序的数据集将跳过 SortMerge 联接中成本高昂的排序阶段。

联接的顺序至关重要，尤其是在较为复杂的查询中。 应先从最严格的联接开始。 此外，尽可能移动在聚合后增加行数的联接。

若要管理笛卡尔联接的并行度，可以添加嵌套结构，进行窗口化，以及在可能的情况下跳过 Spark 作业中的一个或多个步骤。

选择正确的执行程序大小

在决定执行程序配置时，请考虑 Java 垃圾回收 (GC) 开销。

• 通过以下方式减小执行程序大小：

  • 将堆大小减至 32 GB 以下，使 GC 开销 < 10%。
  • 减少内核数，使 GC 开销 < 10%。

• 通过以下方式增加执行程序大小：

  • 减少执行程序之间的通信开销。
  • 在较大的群集（> 100 个执行程序）上减少执行程序 (N2) 之间打开的连接数。
  • 增加堆大小，以容纳占用大量内存的任务。
  • 可选：减少每个执行程序的内存开销。
  • 可选：通过超额订阅 CPU 来增加利用率和并发。

选择执行程序大小时，一般遵循以下做法：

• 最开始，每个执行程序 30 GB，并分发可用的计算机内核。
• 对于较大的群集（> 100 个执行程序），增加执行程序内核数。
• 基于试运行和上述因素（比如 GC 开销）修改大小。

运行并发查询时，考虑以下做法：

• 最开始，每个执行程序 30 GB，并分发所有计算机内核。
• 通过超额订阅 CPU，创建多个并行 Spark 应用程序（延迟缩短大约 30%）。
• 跨并行应用程序分布查询。
• 基于试运行和上述因素（比如 GC 开销）修改大小。

通过查看时间线视图、SQL 图、作业统计信息等等，监视查询性能中的离群值或其他性能问题。 有时，一个或几个执行程序的速度比其他执行程序要慢，执行任务时花费的时间也长得多。 这通常发生在较大的群集（> 30 个节点）上。 在这种情况下，应将工作划分成更多任务，以便计划程序可以补偿速度较慢的任务。

例如，任务数量应至少为应用程序中执行程序内核数的两倍。 也可以使用 conf: spark.speculation = true 对任务启用推理执行。

优化作业执行

• 根据需要进行缓存，例如，如果数据要使用两次，则缓存它。
• 将变量广播到所有执行程序。 只对变量执行一次序列化，以便加快查找速度。
• 使用驱动程序上的线程池，这会加快许多任务的操作速度。

Spark 2.x 查询性能的关键在于 Tungsten 引擎，这取决于全程代码生成。 在某些情况下，可能会禁用全程代码生成。

例如，如果在聚合表达式中使用非可变类型 (string)，则会显示 SortAggregate，而不是 HashAggregate。 例如，为了提高性能，可尝试运行以下命令，然后重新启用代码生成：

MAX(AMOUNT) -> MAX(cast(AMOUNT as DOUBLE))

后续步骤

• 优化 Apache Spark
• How to Actually Tune Your Apache Spark Jobs So They Work（如何真正优化 Apache Spark 作业以使其正常运行）
• Kryo 序列化