对比 Hadoop MapReduce 和 Spark 的 Shuffle 过程

如果熟悉 Hadoop MapReduce 中的 shuffle 过程，可能会按照 MapReduce 的思路去想象 Spark 的 shuffle 过程。然而，它们之间有一些区别和联系。

从 high-level 的角度来看，两者并没有大的差别。都是将 mapper（Spark 里是 ShuffleMapTask）的输出进行 partition，不同的 partition 送到不同的 reducer（Spark 里 reducer 可能是下一个 stage 里的 ShuffleMapTask，也可能是 ResultTask）。Reducer 以内存作缓冲区，边 shuffle 边 aggregate 数据，等到数据 aggregate 好以后进行 reduce() （Spark 里可能是后续的一系列操作）。

从 low-level 的角度来看，两者差别不小。Hadoop MapReduce 是 sort-based，进入 combine() 和 reduce() 的 records 必须先 sort。这样的好处在于 combine/reduce() 可以处理大规模的数据，因为其输入数据可以通过外排得到（mapper 对每段数据先做排序，reducer 的 shuffle 对排好序的每段数据做归并）。目前的 Spark 默认选择的是 hash-based，通常使用 HashMap 来对 shuffle 来的数据进行 aggregate，不会对数据进行提前排序。如果用户需要经过排序的数据，那么需要自己调用类似 sortByKey() 的操作；如果你是Spark 1.1的用户，可以将spark.shuffle.manager设置为sort，则会对数据进行排序。在Spark 1.2中，sort将作为默认的Shuffle实现。

从实现角度来看，两者也有不少差别。Hadoop MapReduce 将处理流程划分出明显的几个阶段：map(), spill, merge, shuffle, sort, reduce() 等。每个阶段各司其职，可以按照过程式的编程思想来逐一实现每个阶段的功能。在 Spark 中，没有这样功能明确的阶段，只有不同的 stage 和一系列的 transformation()，所以 spill, merge, aggregate 等操作需要蕴含在 transformation() 中。

如果我们将 map 端划分数据、持久化数据的过程称为 shuffle write，而将 reducer 读入数据、aggregate 数据的过程称为 shuffle read。那么在 Spark 中，问题就变为怎么在 job 的逻辑或者物理执行图中加入 shuffle write 和 shuffle read 的处理逻辑？以及两个处理逻辑应该怎么高效实现？

shuffle-write

上图有 4 个 ShuffleMapTask 要在同一个 worker node 上运行，CPU core 数为 2，可以同时运行两个 task。每个 task 的执行结果（该 stage 的 finalRDD 中某个 partition 包含的 records）被逐一写到本地磁盘上。每个 task 包含 R 个缓冲区，R = reducer 个数（也就是下一个 stage 中 task 的个数），缓冲区被称为 bucket，其大小为spark.shuffle.file.buffer.kb，默认是 32KB（Spark 1.1 版本以前是 100KB）。

其实 bucket 是一个广义的概念，代表 ShuffleMapTask 输出结果经过 partition 后要存放的地方，这里为了细化数据存放位置和数据名称，仅仅用 bucket 表示缓冲区。

ShuffleMapTask 的执行过程很简单：先利用 pipeline 计算得到 finalRDD 中对应 partition 的 records。每得到一个 record 就将其送到对应的 bucket 里，具体是哪个 bucket 由partitioner.partition(record.getKey()))决定。每个 bucket 里面的数据会不断被写到本地磁盘上，形成一个 ShuffleBlockFile，或者简称FileSegment。之后的 reducer 会去 fetch 属于自己的 FileSegment，进入 shuffle read 阶段。

这样的实现很简单，但有几个问题：

**产生的 FileSegment 过多。**每个 ShuffleMapTask 产生 R（reducer 个数）个 FileSegment，M 个 ShuffleMapTask 就会产生 M * R 个文件。一般 Spark job 的 M 和 R 都很大，因此磁盘上会存在大量的数据文件。

**缓冲区占用内存空间大。**每个 ShuffleMapTask 需要开 R 个 bucket，M 个 ShuffleMapTask 就会产生 M * R 个 bucket。虽然一个 ShuffleMapTask 结束后，对应的缓冲区可以被回收，但一个 worker node 上同时存在的 bucket 个数可以达到 cores * R 个（一般 worker 同时可以运行 cores 个 ShuffleMapTask），占用的内存空间也就达到了cores * R * 32 KB。对于 8 核 1000 个 reducer 来说，占用内存就是 256MB。

目前来看，第二个问题还没有好的方法解决，因为写磁盘终究是要开缓冲区的，缓冲区太小会影响 IO 速度。但第一个问题有一些方法去解决，下面介绍已经在 Spark 里面实现的 FileConsolidation 方法。

未完待续-

参考：https://github.com/JerryLead/SparkInternals/blob/master/markdown/4-shuffleDetails.md