系列文章目录

一、Spark应用程序启动与资源申请
二、DAG（有向无环图）的构建与划分
三、Task的生成与调度
四、Task的执行与结果返回
五、监控与容错
六、优化策略

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前言

Spark调度底层执行原理是一个复杂而精细的过程，它涉及到多个组件的交互和协同工作，以实现大数据处理的高效性和灵活性。本文主要对Spark调度底层执行原理进行详细解析。

• Spark调度底层执行原理详解图
  

一、Spark应用程序启动与资源申请

1. SparkContext的创建

当Spark应用程序启动时，首先会创建SparkContext对象。SparkContext是Spark的入口点，负责初始化与资源管理器（如YARN、Mesos等）的连接，注册应用，并请求分配Executor资源。

2. 资源申请

SparkContext向资源管理器注册并向其申请运行Executor。资源管理器分配Executor资源后，启动Executor进程。这些Executor是Spark在每个Worker节点上启动的进程，负责执行具体的Task。

二、DAG（有向无环图）的构建与划分

Spark的DAG（Directed Acyclic Graph，有向无环图）调度原理是Spark作业调度机制的核心部分，它负责将复杂的作业分解成可并行执行的任务集，并通过任务调度器进行高效执行。以下是Spark DAG调度原理的详细解释：

1. DAG的构建

用户代码中包含Transformations（转换操作）和Actions（行动操作）时，Spark会构建一个DAG来表示RDD（弹性分布式数据集）之间的依赖关系。这些依赖关系决定了数据处理的流程。

• RDD的依赖关系：
  在Spark中，RDD（弹性分布式数据集）是数据处理的基本单位。RDD之间的依赖关系决定了数据处理的流程和顺序。这些依赖关系是有向的，总是由子RDD指向父RDD。
• DAG的生成：
  当用户提交一个Spark作业时，Spark会根据RDD之间的依赖关系构建一个DAG。这个DAG表示了作业中所有RDD之间的转换和行动操作，以及它们之间的数据流动关系。

2. DAG的划分

• DAG Scheduler负责将DAG划分为多个Stage（阶段）。Stage的划分依据是RDD依赖关系中的宽依赖（如shuffle操作）。宽依赖标志着数据重分布的需求，自然成为Stage的边界。每个Stage包含一组可以并行执行的Task。
• Stage的划分：
  如果RDD之间的依赖是窄依赖（即一个父RDD的分区只会被一个子RDD的分区使用），则它们会被划分到同一个Stage中。如果依赖是宽依赖（即一个父RDD的分区会被多个子RDD的分区使用，通常涉及shuffle操作），则会在宽依赖处进行Stage的划分。
  Task的生成：
  每个Stage会被进一步划分为多个Task（任务）。这些Task是Spark实际执行的最小单元，它们将被分发到集群中的Executor上执行。

3. DAG的调度执行

1. Task的提交与执行：
   DAG Scheduler将划分好的Stage提交给Task Scheduler。Task Scheduler负责将Stage中的Task分发到集群的Executor上执行。Executor多线程地执行Task，每个线程负责一个Task。
2. 执行结果的收集：
   当Task执行完成后，会将结果返回给Task Scheduler。Task Scheduler将结果汇总后，通知DAG Scheduler。DAG Scheduler根据Task的执行结果和Stage的依赖关系，决定是否提交下一个Stage执行。
3. 容错与重试：
   如果某个Task执行失败，Task Scheduler会负责重试该Task。如果某个Stage中的所有Task都执行失败，DAG Scheduler会重新提交该Stage执行。这种容错机制保证了Spark作业的健壮性和可靠性。

4. DAG调度的优化

1. 本地性优化：
   Spark在调度Task时，会尽量将Task分配到存储了所需数据的节点上执行，以减少数据的网络传输开销。这种本地性优化策略提高了Spark作业的执行效率。
2. 资源动态分配：
   Spark支持资源的动态分配，即根据作业的执行情况和集群的负载情况动态调整Executor的数量和资源。这种动态分配策略有助于充分利用集群资源，提高资源利用率。
   综上所述，Spark的DAG调度原理是一个复杂而高效的过程，它通过将作业分解成可并行执行的Stage和Task，并利用DAG Scheduler和Task Scheduler进行高效的调度执行。同时，Spark还通过本地性优化和资源动态分配等策略来优化DAG调度的性能。

三、Task的生成与调度

1. Task的生成

DAG Scheduler将每个Stage转换为一个或多个TaskSet（任务集），Task Scheduler负责将这些TaskSet分配到各个Executor上执行。

2. Task的调度

Task Scheduler接收DAG Scheduler提交过来的TaskSet，并将Task分发到集群中的Executor上运行。Executor多线程地执行Task，每个线程负责一个Task。

四、Task的执行与结果返回

1. Task的执行

Task在Executor上执行，处理数据，并将结果返回给Driver。对于ShuffleMapTask，计算结果会写入BlockManager中，并返回给DAG Scheduler一个MapStatus对象，存储BlockManager的基本信息，这些信息将成为下一个阶段任务获取输入数据的依据。

2. 结果的返回

对于ResultTask（最终任务），返回的是func函数的计算结果。这些结果会被发送到Driver端，供用户程序进一步处理或展示。

五、监控与容错

1. 监控

DAGScheduler监控Job与Task的完成情况，通过回调函数接收TaskScheduler的通知，了解任务的开始、结束、失败等信息，以维护作业和调度阶段的状态信息。

2. 容错

如果某个Executor失败，DAGScheduler会根据RDD的依赖关系重新计算丢失的分区。Spark通过RDD的Lineage（血统）进行容错，确保数据的完整性和一致性。

六、优化策略

1. 内存计算

Spark利用内存进行计算加速，通过存储RDD的分区在内存中来避免频繁的磁盘读写。这大大提高了数据处理的效率。

2. 智能Shuffle机制

在涉及宽依赖的Stage间，数据需经过Shuffle过程重分布。Spark使用了基于排序的Shuffle机制，优化了数据处理的效率和内存使用。

3. 资源管理与调度

Spark通过智能的资源管理与调度策略，如FIFO调度策略等，确保任务的高效执行。同时，Spark还优化了数据处理的本地性，优先安排Task在数据所在的节点上执行，以减少网络传输和提高执行效率。
综上所述，Spark调度底层执行原理是一个复杂而精细的过程，它通过高度优化的DAG执行模型、内存计算、智能的Shuffle机制和强大的资源管理与调度策略，实现了大数据处理的高效性和灵活性。