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MapReduce程序的工作过程

时间:2015-10-03 00:57:22      阅读:269      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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     还记得2.5年前就搭建好了Hadoop伪分布式集群,安装好Eclipse后运行成功了WordCount.java,然后学习Hadoop的步伐就变得很慢了,相信有很多小伙伴和我一样。自己对MR程序(特指Hadoop 1.x版本)的工作过程一直都不是很清楚,现在重点总结一下,为MR编程打好基础。由于MapReduce是基于HDFS的操作,因此要想深入理解MapReduce(解决的是分布式计算问题),首先得深入理解HDFS(解决的是分布式存储问题)。

一. HDFS框架组成

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HDFS采用master/slaver的主从架构,一个HDFS集群包括一个NameNode节点(主节点)和多个DataNode节点(从节点),并提供应用程序的访问接口。NameNode,DataNode和Client的解释,如下所示:

  • NameNode负责文件系统名字空间的管理与维护,同时负责客户端文件操作(比如打开,关闭,重命名文件或目录等)的控制及具体存储任务的管理与分配(比如确定数据块到具体DataNode节点的映射等);
  • DataNode负责处理文件系统客户端的读写请求,提供真实文件数据的存储服务;
  • Client是客户端,一般指的是访问HDFS接口的应用程序,或者HDFS的Web服务(就是让用户通过浏览器来查看HDFS的运行状况)等。

1. 文件的读取

Client与之交互的HDFS、NameNode、DataNode文件的读取流程,如下所示:

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  • Client向远程的NameNode发起RPC请求;(1)
  • NameNode会返回文件的部分或者全部Block列表,对于每个Block,NameNode都会返回该Block副本的DataNode地址;(2)
  • Client会选择与其最接近的DataNode来读取Block,如果Client本身就是DataNode,那么将从本地直接读取数据;(3)
  • 读完当前Block后,关闭与当前的DataNode连接,并为读取下一个Block寻找最近的DataNode;(4)
  • 读完Block列表后,并且文件读取还没有结束,Client会继续向NameNode获取下一批Block列表;(5)
  • 读完一个Block都会进行Cheeksum验证,如果读取DataNode时出现错误,Client会通知NameNode,然后从该Block的另外一个最近邻DataNode继续读取数据。Client读取数据完毕之后,关闭数据流。(6)

2. 文件的写入

Client与之交互的HDFS、NameNode、DataNode文件的写入流程,如下所示:

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  • Client向远程的NameNode发起RPC请求;(1)
  • NameNode便会检查要创建的文件是否已经存在,创建者是否有权限进行操作等,如果满足相关条件,就会创建文件,否则会让Client抛出异常;(2)
  • 在Client开始写入文件的时候,开发库(即DFSOutputStream)会将文件切分成一个个的数据包,并写入”数据队列“,然后向NameNode申请新的Block,从而得到用来存储复本(默认为3)的合适的DataNode列表,每个列表的大小根据NameNode中对replication的设置而定;(3)
  • 首先把一个数据包以流的方式写入第一个DataNode,其次将其传递给在此管线中的下一个DataNode,然后直到最后一个DataNode,这种写数据的方式呈流水线的形式;(假设复本为3,那么管线由3个DataNode节点构成,即Pipeline of datanodes)(4)
  • 当最后一个DataNode完成之后,就会返回一个确认包,在管线里传递至Client,开发库(即DFSOutputStream)也维护着一个”确认队列”,当成功收到DataNode发回的确认包后便会从“确认队列”中删除相应的包;(5)
  • 如果某个DataNode出现了故障,那么DataNode就会从当前的管线中删除,剩下的Block会继续在余下的DataNode中以管线的形式传播,同时NameNode会再分配一个新的DataNode,以保持replication设定的数量。Client写入数据完毕之后,关闭数据流。(6)

说明:HDFS默认Block的大小为64M,提供SequenceFile和MapFile二种类型的文件。

 

二. MapReduce框架组成

MapReduce框架的主要组成部分和它们之间的相关关系,如下所示:

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上述过程包含4个实体,各实体的功能,如下所示:

  • Client:提交的MapReduce作业,比如,写的MR程序,或者CLI执行的命令等;
  • JobTracker:协调作业的运行,本质是一个管理者;
  • TaskTracker:运行作业划分后的任务,本质就是一个执行者;
  • HDFS:用来在集群间共享存储的一种抽象文件系统。

直观来说,NameNode就是一个元数据仓库,就像Windows中的注册表一样。SecondaryNameNode可以看成NameNode的备份。DataNode可以看成是用来存储作业划分后的任务。在通常搭建的3台Hadoop分布式集群中,Master是NameNode,SecondaryNameNode,JobTracker,其它2台Slaver都是TaskTracker,DataNode,并且TaskTracker都需要运行在HDFS的DataNode上面。

上述用到的类,或者进程的功能,如下所示:

  • Mapper和Reducer

基于Hadoop的MapReduce应用程序最今本的组成部分包括:一个Mapper抽象类,一个Reducer抽象类,一个创建JobConf的执行程序。

  • JobTracker

JobTracker属于master,一般情况应该部署在单独的机器上,它的功能就是接收Job,负责调度Job的每一个子任务Task运行在TaskTracker上,并且监控它们,如果发现有失败的Task就重启它即可。

  • TaskTracker

TaskTracker是运行于多节点的slaver服务,它的功能是主动通过心跳与JobTracker进行通信接收作业,并且负责执行每一个任务。

  • JobClient

JobClient的功能是在Client提交作业后,把一些文件上传到HDFS,比如作业的jar包(包括应用程序以及配置参数)等,并且把路径提交到JobTracker,然后由JobTracker创建每一个Task(即MapTask和ReduceTask)并将它们分别发送到各个TaskTracker上去执行。

  • JobInProgress

JobClient提交Job后,JobTracker会创建一个JobInProgress来跟踪和调度这个Job,并且把它添加到Job队列中。JobInProgress根据提交的Job Jar中定义的输入数据集(已分解成FileSplit)创建对应的一批TaskInProgress1用于监控和调度Task。

  • TaksInProgress2

JobTracker通过每一个TaskInProgress1来运行Task,这时会把Task对象(即MapTask和ReduceTask)序列化写入相应的TaskTracker中去,TaskTracker会创建对应的TaskInProgress2用于监控和调度该MapTask和ReduceTask。

  • MapTask和ReduceTask

Mapper根据Job Jar中定义的输入数据<key1, value1>读入,生成临时的<key2, value2>,如果定义了Combiner,MapTask会在Mapper完成后调用该Combiner将相同Key的值做合并处理,目的是为了减少输出结果。MapTask全部完成后交给ReduceTask进程调用Reducer处理,生成最终结果<key3, value3>。具体过程可以参见[4]。

 

三. MapReduce工作原理

整个MapReduce作业的工作工程,如下所示:

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1. 作业的提交

JobClient的submitJob()方法实现的作业提交过程,如下所示:

  • 通过JobTracker的getNewJobId()请求一个新的作业ID;(2)
  • 检查作业的输出说明(比如没有指定输出目录或输出目录已经存在,就抛出异常);
  • 计算作业的输入分片(当分片无法计算时,比如输入路径不存在等原因,就抛出异常);
  • 将运行作业所需的资源(比如作业Jar文件,配置文件,计算所得的输入分片等)复制到一个以作业ID命名的目录中。(集群中有多个副本可供TaskTracker访问)(3)
  • 通过调用JobTracker的submitJob()方法告知作业准备执行。(4)

2. 作业的初始化

  • JobTracker接收到对其submitJob()方法的调用后,就会把这个调用放入一个内部队列中,交由作业调度器(比如先进先出调度器,容量调度器,公平调度器等)进行调度;(5)
  • 初始化主要是创建一个表示正在运行作业的对象——封装任务和记录信息,以便跟踪任务的状态和进程;(5)
  • 为了创建任务运行列表,作业调度器首先从HDFS中获取JobClient已计算好的输入分片信息(6)。然后为每个分片创建一个MapTask,并且创建ReduceTask。(Task在此时被指定ID,请区分清楚Job的ID和Task的ID)。

3. 任务的分配

  • TaskTracker定期通过“心跳”与JobTracker进行通信,主要是告知JobTracker自身是否还存活,以及是否已经准备好运行新的任务等;(7)
  • JobTracker在为TaskTracker选择任务之前,必须先通过作业调度器选定任务所在的作业;
  • 对于MapTask和ReduceTask,TaskTracker有固定数量的任务槽(准确数量由TaskTracker核的数量和内存大小来决定)。JobTracker会先将TaskTracker的MapTask填满,然后分配ReduceTask到TaskTracker;
  • 对于MapTrask,JobTracker通过会选取一个距离其输入分片文件最近的TaskTracker。对于ReduceTask,因为无法考虑数据的本地化,所以也没有什么标准来选择哪个TaskTracker。

4. 任务的执行

  • TaskTracker分配到一个任务后,通过从HDFS把作业的Jar文件复制到TaskTracker所在的文件系统(Jar本地化用来启动JVM),同时TaskTracker将应用程序所需要的全部文件从分布式缓存复制到本地磁盘;(8)
  • TaskTracker为任务新建一个本地工作目录,并把Jar文件中的内容解压到这个文件夹中;
  • TaskTracker启动一个新的JVM(9)来运行每个Task(包括MapTask和ReduceTask),这样Client的MapReduce就不会影响TaskTracker守护进程(比如,导致崩溃或挂起等);
  • 子进程通过umbilical接口与父进程进行通信,Task的子进程每隔几秒便告知父进程它的进度,直到任务完成。

5. 进程和状态的更新

一个作业和它的每个任务都有一个状态信息,包括作业或任务的运行状态,Map和Reduce的进度,计数器值,状态消息或描述(可以由用户代码来设置)。这些状态信息在作业期间不断改变,它们是如何与Client通信的呢?

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  • 任务在运行时,对其进度(即任务完成的百分比)保持追踪。对于MapTask,任务进度是已处理输入所占的比例。对于ReduceTask,情况稍微有点复杂,但系统仍然会估计已处理Reduce输入的比例;
  • 这些消息通过一定的时间间隔由Child JVM—>TaskTracker—>JobTracker汇聚。JobTracker将产生一个表明所有运行作业及其任务状态的全局视图。可以通过Web UI查看。同时JobClient通过每秒查询JobTracker来获得最新状态,并且输出到控制台上。

6. 作业的完成

当JobTracker收到作业最后一个任务已完成的通知后,便把作业的状态设置为"成功"。然后,在JobClient查询状态时,便知道作业已成功完成,于是JobClient打印一条消息告知用户,最后从runJob()方法返回。

 

四. Shuffle阶段和Sort阶段

Shuffle阶段是指从Map的输出开始,包括系统执行排序以及传送Map输出到Reduce作为输入的过程。Sort阶段是指对Map端输出的Key进行排序的过程。不同的Map可能输出相同的Key,相同的Key必须发送到同一个Reduce端处理。Shuffle阶段可以分为Map端的Shuffle和Reduce端的Shuffle。Shuffle阶段和Sort阶段的工作过程,如下所示:

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如果说以上是从物理实体的角度来讲解MapReduce的工作原理,那么以上便是从逻辑实体的角度来讲解MapReduce的工作原理,如下所示:

1. Map端的Shuffle

  • Map函数开始产生输出时,并不是简单地把数据写到磁盘,因为频繁的磁盘操作会导致性能严重下降。它的处理过程更复杂,数据首先写到内存中的一个缓冲区,并做一些预排序,以提升效率;
  • 每个MapTask都有一个用来写入输出数据的循环内存缓冲区(默认大小为100MB),当缓冲区中的数据量达到一个特定阈值时(默认是80%)系统将会启动一个后台线程把缓冲区中的内容写到磁盘(即spill阶段)。在写磁盘过程中,Map输出继续被写到缓冲区,但如果在此期间缓冲区被填满,那么Map就会阻塞直到写磁盘过程完成;
  • 在写磁盘前,线程首先根据数据最终要传递到的Reducer把数据划分成相应的分区(partition)。在每个分区中,后台线程按Key进行排序(快速排序),如果有一个Combiner(即Mini Reducer)便会在排序后的输出上运行;
  • 一旦内存缓冲区达到溢出写的阈值,就会创建一个溢出写文件,因此在MapTask完成其最后一个输出记录后,便会有多个溢出写文件。在在MapTask完成前,溢出写文件被合并成一个索引文件和数据文件(多路归并排序)(Sort阶段);
  • 溢出写文件归并完毕后,Map将删除所有的临时溢出写文件,并告知TaskTracker任务已完成,只要其中一个MapTask完成,ReduceTask就开始复制它的输出(Copy阶段);
  • Map的输出文件放置在运行MapTask的TaskTracker的本地磁盘上,它是运行ReduceTask的TaskTracker所需要的输入数据,但是Reduce输出不是这样的,它一般写到HDFS中(Reduce阶段)。

2. Reduce端的Shuffle

  • Copy阶段:Reduce进程启动一些数据copy线程,通过HTTP方式请求MapTask所在的TaskTracker以获取输出文件。
  • Merge阶段:将Map端复制过来的数据先放入内存缓冲区中,Merge有3种形式,分别是内存到内存,内存到磁盘,磁盘到磁盘。默认情况下第一种形式不启用,第二种Merge方式一直在运行(spill阶段)直到结束,然后启用第三种磁盘到磁盘的Merge方式生成最终的文件。
  • Reduce阶段:最终文件可能存在于磁盘,也可能存在于内存中,但是默认情况下是位于磁盘中的。当Reduce的输入文件已定,整个Shuffle就结束了,然后就是Reduce执行,把结果放到HDFS中。

 

五. 其它

HDFS和MapReduce是Hadoop的基础架构。除了上述讲解之外,还有MapReduce容错机制,任务JVM重用,作业调度器等都还没有总结。彻底理解了MapReduce的工作原理之后就可以大量的MapReduce编程了,计划将Hadoop自带实例看完后,再研读《Mahout实战》,同步学习《Hadoop技术内幕:深入解析YARN架构设计与实现原理》,正式迈入Hadoop 2.x版本的大门。

 

参考文献:

[1] 《Hadoop权威指南》(第二版)

[2] 《Hadoop应用开发技术详解》

[3] Hadoop 0.18文档:http://hadoop.apache.org/docs/r1.0.4/cn/hdfs_design.html

[4] WordCount源码剖析:http://blog.csdn.net/recommender_system/article/details/42029311

[5] 外部排序技术之多路归并排序:http://blog.chinaunix.net/uid-25324849-id-2182916.html

MapReduce程序的工作过程

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原文地址:http://www.cnblogs.com/shengshengwang/p/4852927.html

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