何謂數(shù)據(jù)傾斜?數(shù)據(jù)傾斜指的是并行處理的數(shù)據(jù)集中，某一部分(如Spark或Kafka的一個(gè)Partition)的數(shù)據(jù)顯著多于其它部分，從而使得該部分的處理速度成為整個(gè)數(shù)據(jù)集處理的瓶頸。

　　一、數(shù)據(jù)傾斜概述

　　1.1 什么是數(shù)據(jù)傾斜

　　對Hadoop、Spark、Flink這樣的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)來講，數(shù)據(jù)量大并不可怕，可怕的是數(shù)據(jù)傾斜。

　　何謂數(shù)據(jù)傾斜?數(shù)據(jù)傾斜指的是，并行處理的數(shù)據(jù)集中，某一部分(如Spark或Kafka的一個(gè)Partition)的數(shù)據(jù)顯著多于其它部分，從而使得該部分的處理速度成為整個(gè)數(shù)據(jù)集處理的瓶頸。

　　對于分布式系統(tǒng)而言，理想情況下，隨著系統(tǒng)規(guī)模(節(jié)點(diǎn)數(shù)量)的增加，應(yīng)用整體耗時(shí)線性下降。如果一臺機(jī)器處理一批大量數(shù)據(jù)需要120分鐘，當(dāng)機(jī)器數(shù)量增加到三時(shí)，理想的耗時(shí)為120 / 3 = 40分鐘，如下圖所示

　　但是，上述情況只是理想情況，實(shí)際上將單機(jī)任務(wù)轉(zhuǎn)換成分布式任務(wù)后，會(huì)有overhead，使得總的任務(wù)量較之單機(jī)時(shí)有所增加，所以每臺機(jī)器的執(zhí)行時(shí)間加起來比單臺機(jī)器時(shí)更大。這里暫不考慮這些overhead，假設(shè)單機(jī)任務(wù)轉(zhuǎn)換成分布式任務(wù)后，總?cè)蝿?wù)量不變。

　　但即使如此，想做到分布式情況下每臺機(jī)器執(zhí)行時(shí)間是單機(jī)時(shí)的1 / N，就必須保證每臺機(jī)器的任務(wù)量相等。不幸的是，很多時(shí)候，任務(wù)的分配是不均勻的，甚至不均勻到大部分任務(wù)被分配到個(gè)別機(jī)器上，其它大部分機(jī)器所分配的任務(wù)量只占總得的小部分。比如一臺機(jī)器負(fù)責(zé)處理80%的任務(wù)，另外兩臺機(jī)器各處理10%的任務(wù)，如下圖所示

　　1.2 數(shù)據(jù)傾斜發(fā)生時(shí)的現(xiàn)象

　　• 絕大多數(shù) task 執(zhí)行得都非常快，但個(gè)別 task 執(zhí)行極慢。比如，總共有 1000 個(gè) task，997 個(gè) task 都在 1 分鐘之內(nèi)執(zhí)行完了，但是剩余兩三個(gè) task 卻要一兩個(gè)小時(shí)。這種情況很常見。

　　• 原本能夠正常執(zhí)行的 Spark 作業(yè)，某天突然報(bào)出 OOM(內(nèi)存溢出)異常，觀察異常棧，是我們寫 的業(yè)務(wù)代碼造成的。這種情況比較少見。

　　• Task 類似下圖所示

　　總結(jié):

　　1. 大部分任務(wù)都很快執(zhí)行完，用時(shí)也相差無幾，但個(gè)別Task執(zhí)行耗時(shí)很長，整個(gè)應(yīng)用程序一直處于99%左右 的狀態(tài)。

　　2. 一直運(yùn)行正常的Spark Application昨晚突然OOM了。

　　1.3 數(shù)據(jù)傾斜發(fā)生的原理

　　數(shù)據(jù)傾斜的原理很簡單: 在進(jìn)行 shuffle 的時(shí)候，必須將各個(gè)節(jié)點(diǎn)上相同的 key 的數(shù)據(jù)拉取到某個(gè)節(jié)點(diǎn) 上的一個(gè) task 來進(jìn)行處理，比如按照 key 進(jìn)行聚合或 join 等操作。此時(shí)如果某個(gè) key 對應(yīng)的數(shù)據(jù)量特 別大的話，就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傾斜。比如大部分 key 對應(yīng) 10 條數(shù)據(jù)，但是個(gè)別 key 卻對應(yīng)了 100 萬條數(shù) 據(jù)，那么大部分 task 可能就只會(huì)分配到 10 條數(shù)據(jù)，然后 1 秒鐘就運(yùn)行完了;但是個(gè)別 task 可能分配 到了 100 萬數(shù)據(jù)，要運(yùn)行一兩個(gè)小時(shí)。因此，整個(gè) Spark 作業(yè)的運(yùn)行進(jìn)度是由運(yùn)行時(shí)間最長的那個(gè) task 決定的。

　　因此出現(xiàn)數(shù)據(jù)傾斜的時(shí)候，Spark 作業(yè)看起來會(huì)運(yùn)行得非常緩慢，甚至可能因?yàn)槟硞€(gè) task 處理的數(shù)據(jù) 量過大導(dǎo)致內(nèi)存溢出。

　　下圖就是一個(gè)很清晰的例子:hello 這個(gè) key，在三個(gè)節(jié)點(diǎn)上對應(yīng)了總共 7 條數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都會(huì)被拉 取到同一個(gè)task中進(jìn)行處理;而world 和 you 這兩個(gè) key 分別才對應(yīng) 1 條數(shù)據(jù)，所以另外兩個(gè) task 只 要分別處理 1 條數(shù)據(jù)即可。此時(shí)第一個(gè) task 的運(yùn)行時(shí)間可能是另外兩個(gè) task 的 7 倍，而整個(gè) stage 的 運(yùn)行速度也由運(yùn)行最慢的那個(gè) task 所決定。

　　總結(jié)：

　　* 數(shù)據(jù)傾斜發(fā)生的本質(zhì)，就是在執(zhí)行多階段的計(jì)算的時(shí)候，中間的shuffle策略可能導(dǎo)致分發(fā)到下 游Task的數(shù)據(jù)量不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致下游Task執(zhí)行時(shí)長的不一致。不完全均勻是正常的，但是如果相差太大，那么就產(chǎn)生性能問題了。

　　1.4 數(shù)據(jù)傾斜的危害

　　從上圖可見，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)傾斜時(shí)，小量任務(wù)耗時(shí)遠(yuǎn)高于其它任務(wù)，從而使得整體耗時(shí)過大，未能充分發(fā) 揮分布式系統(tǒng)的并行計(jì)算優(yōu)勢。另外，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)傾斜時(shí)，

　　少量部分任務(wù)處理的數(shù)據(jù)量過大，可能造成 內(nèi)存不足使得任務(wù)失敗，并進(jìn)而引進(jìn)整個(gè)應(yīng)用失敗。如果應(yīng)用并沒有因此失敗，但是大量正常任務(wù)都早 早完成處于等待狀態(tài)，資源得不到充分利用。

　　總結(jié)：

　　1. 整體耗時(shí)過大(整個(gè)任務(wù)的完成由執(zhí)行時(shí)間最長的那個(gè)Task決定)

　　2. 應(yīng)用程序可能異常退出(某個(gè)Task執(zhí)行時(shí)處理的數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常節(jié)點(diǎn)，則需要的資源容易出現(xiàn)瓶頸， 當(dāng)資源不足，則應(yīng)用程序退出)

　　3. 資源閑置(處理等待狀態(tài)的Task資源得不到及時(shí)的釋放，處于閑置浪費(fèi)狀態(tài))

　　1.5 數(shù)據(jù)傾斜是如何造成的

　　在 Spark 中，同一個(gè) Stage 的不同 Partition 可以并行處理，而具有依賴關(guān)系的不同 Stage 之間是串行 處理的。假設(shè)某個(gè) Spark Job 分為Stage0 和 Stage1 兩個(gè) Stage，且 Stage1 依賴于 Stage0，那 Stage0 完全處理結(jié)束之前不會(huì)處理 Stage1。而 Stage0 可能包含 N 個(gè)Task，這 N 個(gè) Task 可以并行進(jìn)行。如 果其中 N-1 個(gè) Task 都在 10 秒內(nèi)完成，而另外一個(gè) Task 卻耗時(shí) 1 分鐘，那該 Stage 的總時(shí)間至少為 1 分鐘。換句話說，一個(gè) Stage 所耗費(fèi)的時(shí)間，主要由最慢的那個(gè) Task 決定。由于同一個(gè) Stage 內(nèi)的所有 Task 執(zhí)行相同的計(jì)算，在排除不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力差異的前提下，不同 Task 之間耗時(shí)的差異主要由該 Task 所處理的數(shù)據(jù)量決定。Stage 的數(shù)據(jù)來源主要分為如下兩類:

　　1. 數(shù)據(jù)源本身分布有問題:從數(shù)據(jù)源直接讀取。如讀取HDFS，Kafka，有可能出現(xiàn)，大概率不會(huì)

　　2. 自己指定的分區(qū)規(guī)則:讀取上一個(gè) Stage 的 Shuffle 數(shù)據(jù)

　　樸素的分布式計(jì)算的核心思想:

　　1. 大問題拆分成小問題:分而治之

　　2. 既然要分開算，那最后就一定要把分開計(jì)算的那么多的小 Task 的結(jié)果執(zhí)行匯總

　　3. 所以必然分布式計(jì)算引擎的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用程序的執(zhí)行一定是分階段

　　4. 分布計(jì)算引擎的而核心:一個(gè)復(fù)雜的分布式計(jì)算應(yīng)用程序的執(zhí)行肯定要分成多個(gè)階段，每個(gè)階段分布式并 行運(yùn)行多個(gè)Task

　　5. DAG引擎:

　　Spark: stage1 ==> stage2 ===> stage3

　　mapreduce: 就只有兩個(gè)階段:mapper reducer

　　階段與階段之間需要進(jìn)行 shuffle，只要進(jìn)行了數(shù)據(jù)混洗，就存在著數(shù)據(jù)分發(fā)不均勻的情況。如果情況嚴(yán) 重，就是數(shù)據(jù)傾斜。

　　分布式計(jì)算引擎的設(shè)計(jì)，免不了有shuffle，既然有shuffle操作，就一定有產(chǎn)生數(shù)據(jù)傾斜的可能。如果 你是做大數(shù)據(jù)處理的，就一定會(huì)遇到 數(shù)據(jù)傾斜!