根据Spark源码分析job提交及stage创建流程

我们已经知道,在Spark中,一个job可以划分为一个或多个stage。而stage中的一个执行单元就叫task,与RDD的分区有对应关系。


从RDD到stage再到task的调度

job是由RDD的action算子触发的,比如collect()、count()、foreach()等。那么,从action算子出发,我们就可以通过源码了解job提交及stage划分流程。


Spark UI中示出的job stage

job提交流程

从collect()算子开始。Spark版本是2.3.2。

  def collect(): Array[T] = withScope {
    val results = sc.runJob(this, (iter: Iterator[T]) => iter.toArray)
    Array.concat(results: _*)
  }

SparkContext.runJob()方法有多个重载。最终的重载方法如下。

  def runJob[T, U: ClassTag](
      rdd: RDD[T],
      func: (TaskContext, Iterator[T]) => U,
      partitions: Seq[Int],
      resultHandler: (Int, U) => Unit): Unit = {
    if (stopped.get()) {
      throw new IllegalStateException("SparkContext has been shutdown")
    }
    val callSite = getCallSite
    val cleanedFunc = clean(func)
    logInfo("Starting job: " + callSite.shortForm)
    if (conf.getBoolean("spark.logLineage", false)) {
      logInfo("RDD's recursive dependencies:\n" + rdd.toDebugString)
    }
    dagScheduler.runJob(rdd, cleanedFunc, partitions, callSite, resultHandler, localProperties.get)
    progressBar.foreach(_.finishAll())
    rdd.doCheckpoint()
  }

DAGScheduler是Spark Core中非常重要的组成部分,它负责解析各计算任务的依赖关系,生成有向无环图表示,并维护job与stage。上面调用了其runJob()方法。

  def runJob[T, U](
      rdd: RDD[T],
      func: (TaskContext, Iterator[T]) => U,
      partitions: Seq[Int],
      callSite: CallSite,
      resultHandler: (Int, U) => Unit,
      properties: Properties): Unit = {
    val start = System.nanoTime
    val waiter = submitJob(rdd, func, partitions, callSite, resultHandler, properties)
    ThreadUtils.awaitReady(waiter.completionFuture, Duration.Inf)
    waiter.completionFuture.value.get match {
      case scala.util.Success(_) =>
        logInfo("Job %d finished: %s, took %f s".format
          (waiter.jobId, callSite.shortForm, (System.nanoTime - start) / 1e9))
      case scala.util.Failure(exception) =>
        logInfo("Job %d failed: %s, took %f s".format
          (waiter.jobId, callSite.shortForm, (System.nanoTime - start) / 1e9))
        // SPARK-8644: Include user stack trace in exceptions coming from DAGScheduler.
        val callerStackTrace = Thread.currentThread().getStackTrace.tail
        exception.setStackTrace(exception.getStackTrace ++ callerStackTrace)
        throw exception
    }
  }

由此可见,submitJob()方法提交了一个job,runJob()方法中会判断job执行结束的状态。再来看submitJob()方法。

  def submitJob[T, U](
      rdd: RDD[T],
      func: (TaskContext, Iterator[T]) => U,
      partitions: Seq[Int],
      callSite: CallSite,
      resultHandler: (Int, U) => Unit,
      properties: Properties): JobWaiter[U] = {
    // Check to make sure we are not launching a task on a partition that does not exist.
    val maxPartitions = rdd.partitions.length
    partitions.find(p => p >= maxPartitions || p < 0).foreach { p =>
      throw new IllegalArgumentException(
        "Attempting to access a non-existent partition: " + p + ". " +
          "Total number of partitions: " + maxPartitions)
    }

    val jobId = nextJobId.getAndIncrement()
    if (partitions.size == 0) {
      // Return immediately if the job is running 0 tasks
      return new JobWaiter[U](this, jobId, 0, resultHandler)
    }

    assert(partitions.size > 0)
    val func2 = func.asInstanceOf[(TaskContext, Iterator[_]) => _]
    val waiter = new JobWaiter(this, jobId, partitions.size, resultHandler)
    eventProcessLoop.post(JobSubmitted(
      jobId, rdd, func2, partitions.toArray, callSite, waiter,
      SerializationUtils.clone(properties)))
    waiter
  }

该方法返回一个JobWaiter对象。JobWaiter类专门用来等待job执行完成并填充结果。
在该方法中,首先会判断分区是否存在,如果不存在,就会直接抛异常。然后,为job分配一个ID,如果这个job没有任何对应的分区(也就是没有运行task),就会直接返回JobWaiter。最后,将包含job ID与waiter对象的JobSubmitted事件提交给eventProcessLoop。
eventProcessLoop是DAGSchedulerEventProcessLoop类的实例化,而DAGSchedulerEventProcessLoop又是继承自EventLoop抽象类。
EventLoop就是我们常说的事件循环。它里面维护一个LinkedBlockingDeque作为事件队列,并调度线程来处理事件。

private[spark] abstract class EventLoop[E](name: String) extends Logging {
  private val eventQueue: BlockingQueue[E] = new LinkedBlockingDeque[E]()
  private val stopped = new AtomicBoolean(false)

  private val eventThread = new Thread(name) {
    setDaemon(true)
    override def run(): Unit = {...}
  }

  def start(): Unit = {...}
  def stop(): Unit = {...}

  def post(event: E): Unit = {
    eventQueue.put(event)
  }

  def isActive: Boolean = eventThread.isAlive

  protected def onStart(): Unit = {}
  protected def onStop(): Unit = {}
  protected def onReceive(event: E): Unit
  protected def onError(e: Throwable): Unit
}

再来查看DAGSchedulerEventProcessLoop类。

private[scheduler] class DAGSchedulerEventProcessLoop(dagScheduler: DAGScheduler)
  extends EventLoop[DAGSchedulerEvent]("dag-scheduler-event-loop") with Logging {
  private[this] val timer = dagScheduler.metricsSource.messageProcessingTimer

  override def onReceive(event: DAGSchedulerEvent): Unit = {
    val timerContext = timer.time()
    try {
      doOnReceive(event)
    } finally {
      timerContext.stop()
    }
  }

  private def doOnReceive(event: DAGSchedulerEvent): Unit = event match {
    case JobSubmitted(jobId, rdd, func, partitions, callSite, listener, properties) =>
      dagScheduler.handleJobSubmitted(jobId, rdd, func, partitions, callSite, listener, properties)

    case MapStageSubmitted(jobId, dependency, callSite, listener, properties) =>
      dagScheduler.handleMapStageSubmitted(jobId, dependency, callSite, listener, properties)

    case StageCancelled(stageId, reason) =>
      dagScheduler.handleStageCancellation(stageId, reason)
    ...
  }
  ...
}

可见,JobSubmitted事件加入事件循环后,用来处理它的方法是DAGScheduler.handleJobSubmitted()方法。

  private[scheduler] def handleJobSubmitted(jobId: Int,
      finalRDD: RDD[_],
      func: (TaskContext, Iterator[_]) => _,
      partitions: Array[Int],
      callSite: CallSite,
      listener: JobListener,
      properties: Properties) {
    var finalStage: ResultStage = null
    try {
      // New stage creation may throw an exception if, for example, jobs are run on a
      // HadoopRDD whose underlying HDFS files have been deleted.
      finalStage = createResultStage(finalRDD, func, partitions, jobId, callSite)
    } catch {
      case e: Exception =>
        logWarning("Creating new stage failed due to exception - job: " + jobId, e)
        listener.jobFailed(e)
        return
    }

    val job = new ActiveJob(jobId, finalStage, callSite, listener, properties)
    clearCacheLocs()
    logInfo("Got job %s (%s) with %d output partitions".format(
      job.jobId, callSite.shortForm, partitions.length))
    logInfo("Final stage: " + finalStage + " (" + finalStage.name + ")")
    logInfo("Parents of final stage: " + finalStage.parents)
    logInfo("Missing parents: " + getMissingParentStages(finalStage))

    val jobSubmissionTime = clock.getTimeMillis()
    jobIdToActiveJob(jobId) = job
    activeJobs += job
    finalStage.setActiveJob(job)
    val stageIds = jobIdToStageIds(jobId).toArray
    val stageInfos = stageIds.flatMap(id => stageIdToStage.get(id).map(_.latestInfo))
    listenerBus.post(
      SparkListenerJobStart(job.jobId, jobSubmissionTime, stageInfos, properties))
    submitStage(finalStage)
  }

可见,该方法试图创建一个final stage,并且将其包装为ActiveJob。而final stage的提交就标志着整个job的提交。下面就涉及到stage的创建了。

stage创建流程

Spark在创建stage时,是从最后一个stage(即ResultStage)开始逆向进行的。只有最后一个stage叫ResultStage,前面的都叫做ShuffleMapStage,下面会见到。查看在上面的handleJobSubmitted()方法中调用的,用来创建ResultStage的createResultStage()方法。

  private def createResultStage(
      rdd: RDD[_],
      func: (TaskContext, Iterator[_]) => _,
      partitions: Array[Int],
      jobId: Int,
      callSite: CallSite): ResultStage = {
    val parents = getOrCreateParentStages(rdd, jobId)
    val id = nextStageId.getAndIncrement()
    val stage = new ResultStage(id, rdd, func, partitions, parents, jobId, callSite)
    stageIdToStage(id) = stage
    updateJobIdStageIdMaps(jobId, stage)
    stage
  }

在其中还要调用getOrCreateParentStages()方法。顾名思义,由于ResultStage是最后一个stage,那么必然要计算它前面的那些stages。

  private def getOrCreateParentStages(rdd: RDD[_], firstJobId: Int): List[Stage] = {
    getShuffleDependencies(rdd).map { shuffleDep =>
      getOrCreateShuffleMapStage(shuffleDep, firstJobId)
    }.toList
  }

该方法调用了getShuffleDependencies()方法,然后对得到的每个ShuffleDependency,创建ShuffleMapStage。这也符合我们知道的stage是依据shuffle依赖(宽依赖)来划分的印象。
先来看getShuffleDependencies()方法。

  private[scheduler] def getShuffleDependencies(
      rdd: RDD[_]): HashSet[ShuffleDependency[_, _, _]] = {
    val parents = new HashSet[ShuffleDependency[_, _, _]]
    val visited = new HashSet[RDD[_]]
    val waitingForVisit = new ArrayStack[RDD[_]]
    waitingForVisit.push(rdd)
    while (waitingForVisit.nonEmpty) {
      val toVisit = waitingForVisit.pop()
      if (!visited(toVisit)) {
        visited += toVisit
        toVisit.dependencies.foreach {
          case shuffleDep: ShuffleDependency[_, _, _] =>
            parents += shuffleDep
          case dependency =>
            waitingForVisit.push(dependency.rdd)
        }
      }
    }
    parents
  }

可见,它的作用是获得RDD的直接宽依赖。所谓“直接”,就是只取得上一层shuffle依赖,下面还会看到对它的调用。
该方法返回的不是单个对象,而是一个Set,这是因为RDD对其父RDD的依赖还有可能是RangeDependency,这时就会产生多个ShuffleDependency,典型的就是union()算子。
接下来就是getOrCreateShuffleMapStage()方法,及它所调用的getMissingAncestorShuffleDependencies()方法。

  private def getOrCreateShuffleMapStage(
      shuffleDep: ShuffleDependency[_, _, _],
      firstJobId: Int): ShuffleMapStage = {
    shuffleIdToMapStage.get(shuffleDep.shuffleId) match {
      case Some(stage) =>
        stage

      case None =>
        // Create stages for all missing ancestor shuffle dependencies.
        getMissingAncestorShuffleDependencies(shuffleDep.rdd).foreach { dep =>
          if (!shuffleIdToMapStage.contains(dep.shuffleId)) {
            createShuffleMapStage(dep, firstJobId)
          }
        }
        // Finally, create a stage for the given shuffle dependency.
        createShuffleMapStage(shuffleDep, firstJobId)
    }
  }

  private def getMissingAncestorShuffleDependencies(
      rdd: RDD[_]): ArrayStack[ShuffleDependency[_, _, _]] = {
    val ancestors = new ArrayStack[ShuffleDependency[_, _, _]]
    val visited = new HashSet[RDD[_]]
    // We are manually maintaining a stack here to prevent StackOverflowError
    // caused by recursively visiting
    val waitingForVisit = new ArrayStack[RDD[_]]
    waitingForVisit.push(rdd)
    while (waitingForVisit.nonEmpty) {
      val toVisit = waitingForVisit.pop()
      if (!visited(toVisit)) {
        visited += toVisit
        getShuffleDependencies(toVisit).foreach { shuffleDep =>
          if (!shuffleIdToMapStage.contains(shuffleDep.shuffleId)) {
            ancestors.push(shuffleDep)
            waitingForVisit.push(shuffleDep.rdd)
          } // Otherwise, the dependency and its ancestors have already been registered.
        }
      }
    }
    ancestors
  }

getOrCreateShuffleMapStage()方法会根据依赖ID来判断是否已经创建了stage。如果没有创建,才会再调用getMissingAncestorShuffleDependencies()方法来寻找父RDD前面的宽依赖,再创建ShuffleMapStage。它们的内部都维护了一个栈用来保存尚未遍历到的RDD,也就是类似深度优先搜索的思想。如此循环,最终就可以从尾到头创建完第一个ShuffleMapStage。
最后就是submitStage()方法,用于提交stage。

  private def submitStage(stage: Stage) {
    val jobId = activeJobForStage(stage)
    if (jobId.isDefined) {
      logDebug("submitStage(" + stage + ")")
      if (!waitingStages(stage) && !runningStages(stage) && !failedStages(stage)) {
        val missing = getMissingParentStages(stage).sortBy(_.id)
        logDebug("missing: " + missing)
        if (missing.isEmpty) {
          logInfo("Submitting " + stage + " (" + stage.rdd + "), which has no missing parents")
          submitMissingTasks(stage, jobId.get)
        } else {
          for (parent <- missing) {
            submitStage(parent)
          }
          waitingStages += stage
        }
      }
    } else {
      abortStage(stage, "No active job for stage " + stage.id, None)
    }
  }

这个方法会递归地检查是否有当前stage的parent stage没有提交,如果有的话就先寻找并提交它们,采用的仍然是类似深度优先遍历的思想。直到没有漏掉的parent stage了,再调用submitMissingTasks()方法,提交当前stage包含的tasks。整个关于stage的流程就结束了。

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