Apache Spark
Publikované :: IT big data

Zbežný prehľad fungovania Apache Spark

Apache Spark je jedným z najpoužívanejších nástrojov pre analýzu dát vo veľkej škále (big data), rieši situáciu, keď sú dáta také veľké, že ich uloženie a spracovanie nedokáže jeden počítač. Zvláda dávkové (batch) spracovávanie dát, spracovávanie dát v reálnom čase (streaming), interaktívne dotazovanie, výpočty a operácie s grafom a strojové učenie (machine learning).
Ide o open-source framework na spracovanie dát, ktorý dokáže rýchlo vykonávať procesovacie úlohy nad veľmi veľkými množinami dát a tiež dokáže tieto úlohy distribuovať medzi viacero počítačov, ktoré ich paralelne a nezávisle od seba spracúvajú. Pre svoje fungovanie vyžaduje manažér clustera počítačov (napr. Hadoop YARN - Yet Another Resource Negotiator) a distribuovaný systém súborov (napr. HDFS - Hadoop Distributed File System).

Obrázok znázorňuje 4 knižnice pre rôzne účely a programovacie jazyky, ktoré podporuje základné API:

Spark Ecosystem

Spark je napísaný v programovacom jazyku Scala, prvá verzia vyšla v roku 2010 (od 2014 pod hlavičkou firmy Apache) a najnovšia verzia je 3.2.1 z januára 2022.
Spočiatku sa Spark využíval na vlastnom "železe" - firmy vlastnili a starali sa o svoje Hadoop clustere, v dnešnej dobe cloudu sa už poskytuje ako manažovaná alebo serverless služba, menovite Amazon EMR, Azure Databricks alebo Spark on Google Cloud, takže používateľom odpadá starosť o manažovanie clustera.

Spark Core

Je základným kameňom Sparku a ide o rozhranie pre programovanie aplikácií sústredené okolo abstrakcie nazývanej RDD. Najprv však priblížim 2 procesy, ktoré naštartuje Spark cluster po spustení Spark aplikácie:

  • driver je hlavný, riadiaci proces zodpovedný za vytvorenie Spark contextu, preklad kódu Spark aplikácie na logický plán DAG a následne na výpočtové jednotky, úlohy, ktoré sú distribuované medzi pracovné uzly (worker nodes). Taktiež koordinuje rozvrhnutie úloh a orchestráciu na každom exekútore.
  • exekútory bežia na pracovných uzloch clustra a sú zodpovedné za výkon im pridelených výpočtových úloh, vrátenie výsledkov driveru a tiež poskytnutie úložiska pre RDD. Medzivýsledky jednotlivých operácií sa držia v distribuovanej pamäti, neukladajú sa na disk (len ak sa nevojdú do RAM), preto sú veľmi rýchle.

Práve pre sprostredkovanie medzi týmito procesmi je potrebná nejaká forma cluster manažéra - okrem spomínaného YARNu sa novšie používa Kubernetes.

Spark RDD

Resilient Distributed Dataset (RDD) je abstrakcia reprezentujúca nemennú kolekciu objektov, ktorá môže byť rozdistribuovaná medzi výpočtový cluster. Operácie nad RDD sa tiež dajú rozdeliť medzi uzly clustera a sú vykonávané v paralelnom dávkovom procese, čo vedie k rýchlemu a škálovateľnému procesovaniu.

Spark RDD API uvádza niekoľko transformácií a akcií pre manipuláciu s RDD:

  • Transformácie RDD vracajú vždy nový RDD a umožňujú vytvoriť závislosti medzi RDD. Každý RDD v reťazi závislostí má funkciu na výpočet svojich dát a smerník na svoj rodičovský RDD. Transformácia RDD je krok v programe hovoriaci Sparku ako získať dáta a čo s nimi robiť.
  • Akcie nad RDD vracajú samotný výsledok, hodnotu (napr. reduce, count, collect). Výsledok môže byť uložený na disk, zapísaný do databázy alebo vypísaný do konzoly. RDD sú vyhodnocované odložene (lenivo - lazy evaluation), vyhodnotenie sa nezačne, kým nie je zavolaná nejaká akcia.

Resilient - odolný alebo schopný obnoviť činnosť - znamená, že ak v niektorom kroku procesu operácia/exekútor spadne, nie je to žiaden problém a potrebný RDD sa obnoví zo vstupných dát a danou reťazou závislostí a transformácií. Beh Spark aplikácie môže pokračovať, celkové spracovanie dát nie je ohrozené a je teda odolné voči zlyhaniam.

Prvotný RDD sa vytvorí paralelným načítaním dát do zvláštnych partícií na jednotlivých pracovných uzloch. Takto má každý uzol inú podmnožinu dát - logickú časť veľkej distribuovanej množiny dát. Exekútory obdržia na spracovanie jednu alebo viac partícií. Exekútor vykonáva v danom čase vždy len jednu úlohu pre danú partíciu. Rozhodovanie o počte partícií je hľadanie kompromisu: ak rozdelíme RDD na veľa menších partícií, rozvrhovanie úloh môže zabrať viac času ako samotný výpočet a na druhej strane málo veľkých partícií môže znamenať, že nedôjde k vyťaženiu všetkých pracovných uzlov a nevyužijú sa tak výhody paralelizmu.

RDD môžu byť vytvorené dvomi spôsobmi:

  1. odkazovaním sa na súbor dát v externom úložnom systéme, ako je zdieľaný súborový systém, HDFS, HBase, jednoduchý textový súbor, SQL databáza, NoSQL sklad (ako Cassandra a MongoDB), bucket na úložisku Amazon S3 a veľa iných,
  2. paralelizovaním existujúcej kolekcie v programe drivera - aplikovaním transformácií na existujúcich RDD. Okrem tradičnej map and reduce funkcionality má Spark tiež vstavanú podporu pre spájanie data setov, filtrovanie a agregácie.

DAG

Druhou hlavnou abstrakciou v Sparku je DAG (directed acyclic graph). Spark definuje úlohy, ktoré môžu byť paralelne vypočítané nad partíciami dát v clusteri. Zostrojí logický tok operácií, ktorý je reprezentovaný ako riadený acyklický graf, kde uzly predstavujú RDD partície a hrany transformácie dát.
Logický plán DAGu sa podľa povahy transformácií skonvertuje na fyzický exekučný plán pozostávajúci z etáp (stages). Úlohy v každej etape sa zbalia spolu a pošlú exekútorom. Príklad takého plánu:

Príklad plánu

Na etapu 1 nadväzuje etapa 2, etapa 3 je nezávislá na nich a môže bežať paralelne, v etape 4 sa spoja RDD z etáp 2 a 3.

Spark SQL

Spark SQL priniesol dátovú abstrakciu nazývanú DataFrame, táto poskytuje podporu pre štruktúrované a semištruktúrované dáta (JSON). DataFrame je distribuovaná kolekcia objektov typu Row organizovaná do pomenovaných stĺpcov, koncepčne zodpovedá tabuľke v relačnej databáze.
DataFramy sú takisto ako RDD nemenné.
Spark SQL poskytuje štandardné rozhranie pre čítanie dát z a zapisovanie do rôznych dátových úložísk vrátane JSON a CSV súborov, Apache Hive, JDBC, Apache Avro, Apache Parquet, existujú aj connectory pre MongoDB atď. Spark SQL umožňuje dotazovať dáta v rámci Spark aplikácií s použitím DataFrame API alebo SQL dotazov (slúži ako distribuovaný SQL query engine).

Ukážka DataFrame API vs SQL:

spark.read.table("published_mediabi.clicks")
  .where(col("dt") === "2020-12-08")
  .agg(sum("clicks"))

spark.sql("SELECT SUM(clicks) FROM published_mediabi.clicks WHERE dt = '2020-12-08'")

Spark Shell

Na rýchle ad-hoc analýzy, prototypovanie a testovanie sa používa Spark shell. Ak si chcete Spark prakticky vyskúšať na lokálnom počítači, je to možné práve v tejto konzole (stačí mať nainštalovanú Javu), po stiahnutí ju spustíte z rozbaleného adresára príkazom

./bin/spark-shell
  • v rámci konzoly funguje automatické dokončovanie pomocou TAB
  • pomoc zobrazíme :help
  • históriu príkazov :history
  • do paste módu pre vloženie viacriadkového kusu kódu sa dostaneme :paste (a von z neho CTRL+D)
  • Scala skript môžeme načítať :load <cesta k súboru>
  • prácu v konzole ukončíme :quit

Spark shell pri spustení vytvorí:

  1. premennú sc pre prístup k SparkContextu (vstupný bod Spark Core funkcionality)
  2. premennú spark pre prístup k SparkSession (vstupný bod Spark SQL funkcionality)

Príklady načítania dát:

spark.read.parquet("/data/staged/ott/mediabi/googledfp/NetworkImpressions/dt=20201209")
spark.read.option("header", true).csv("/data/staged/media/scv/bluekai_insights_categories/dt=20201209")
spark.read.table("staged_mediabi.dfp_etl_status")

Spustenie príkladov pribalených k inštalácii Sparku a celú dokumentáciu nájdete na https://spark.apache.org/docs/latest/#running-the-examples-and-shell

Obsah