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一、spark调优概论

1.1 什么是spark调优

​ spark的计算本质是分布式计算，程序的性能受集群中的任何因素的影响，如：CPU、网络带宽、内存等。一般情况下，如果内存足够大，那么其他因素影响性能。然后出现调优需求时，更多是因为资源不够用的情况，所以才需要调节资源的使用情况，更加高效的使用资源。比如如果内存比较紧张，不足以存放所有数据（10亿条），需要针对内存的使用，进行调优来减少内存的消耗

1.2 spark调优的主要方向

​ Spark的性能优化，大部分的工作，是对于内存的使用，进行调优。通常情况下，Spark 处理的程序数据量较小，内存足够使用，只要保证网络通常，一般不会出现大的性能问题。但是，Spark应用程序的性能问题往往出现在针对大数据量进行计算时（数据突增）。这种情况往往是现环境是无法满足的，所以可能导致集群崩溃。
​ 除了内存调优之外，还有一些手段可以优化性能。比如spark使用过程中有和mysql交互的话，此时调优也要考虑到mysql的性能问题。

1.3 spark调优的主要技术手段

1、使用高性能序列化类库。目的减少序列化时间以及序列化后数据的大小
2、优化数据结构。目的减少内存占用
3、对多次使用的RDD进行持久化（RDD cache）、checkpoint
4、使用序列化的持久化级别：MEMORY_ONLY不序列化，MEMORY_ONLY_SER序列化。
MEMORY_ONLY比MEMORY_ONLY_SER要占用更多内存空间。
但是要注意，序列化会增加cpu使用成本，所以要权衡好
5、Java虚拟机垃圾回收调优。
6、Shuffle调优，90%的问题都是shuffle导致（1.x版本时此问题严重，到2.x版本，官网基本已优化，所以到2.x版本，这个问题可忽略）

其他性能优化的方式：
提高计算并行度
广播共享数据

下面会针对这6点调优手段进行分析

二、诊断spark内存使用情况

2.1 内存花费（对象内存花费）

1、每个 java/scala对象，由两部分组成，一个是对象头，占用16字节，主要包含对象的一些元信息，比如指向它的类的指针。另一个是对象本身。如果对象比较小，比如int，它的对象头比自己对象本身都大。

2、String对象，会比他内部的原始数据，多出40个字节，用于保存string类型的元信息
String内部使用char数组来保存字符串序列，并且还要保存诸如数组长度之类的信息。String使用UTF-16编码，所以每个字符会占用2个字节。
比如：包含10个字符的String，占用 2*10 + 40 个字节。

3、集合类型，比如HashMap和LinkedList，内部使用链表数据结构，对链表中的每个数据，使用Entry对象包装。Entry对象，不光有对象头，还有指向下一个Entry的指针，占用8个字节。所以一句话就是，这种内部还包含多个对象的类型，占用内存更多。因为对象多了，除了对象本身数据占用内存之外，更多对象也就会有更多对象头，占用了不少内存空间。

4、基本数据类型的集合，比如int集合，内部会使用对象的包装类 Integer来存储元素。

2.2 获取spark程序内存使用情况

到driver日志目录下查看程序运行日志

less ${spark_home}/work/app-xxxxxx/0/stderr
观察到类似如下信息：
INFO MemoryStore: Block broadcast_1 stored as values in memory (estimated size 320.9 KB, free 366.0 MB)
        19/07/05 05:57:47 INFO MemoryStore: Block rdd_3_1 stored as values in memory (estimated size 26.0 MB, free 339.9 MB)
        19/07/05 05:57:47 INFO Executor: Finished task 1.0 in stage 0.0 (TID 1). 2212 bytes result sent to driver
        19/07/05 05:57:48 INFO MemoryStore: Block rdd_3_0 stored as values in memory (estimated size 26.7 MB, free 313.2 MB)

estimated size 320.9 KB：当前使用的内存大概大小
free 366.0 MB：剩余空闲内存大小

这样就可以知道任务使用内存的情况了

三、spark调优技术手段

2.1 使用高性能序列化类库

2.1.1 spark序列化的使用情况

​ spark作为一个分布式系统，和其他分布式系统一样，都需要序列化。任何一个分布式系统中，序列化都是很重要的一环。如果使用的序列化技术，操作很慢，序列化后数据量大，会导致分布式系统应用程序性能下降很多。所以，Spark性能优化的第一步，就是进行序列化性能的优化。
​ spark在一些地方是会使用序列化，比如shuffle的时候，但是spark对便捷性和性能进行了取舍，spark为了便捷性，默认使用了java的序列化机制，java的序列化机制之前也讲过，性能不高，序列化速度慢，序列化后数据大。所以一般生产中，最好修改spark使用 的序列化机制

2.1.2 配置spark使用kryo来序列化

​ spark支持使用kryo来实现序列化。kryo序列化速度比java快，占用空间小，大概小10倍。但是使用起来，相对没有那么便捷。
配置spark使用kryo：

spark在读取配置时，会读取conf目录下的配置文件，其中有一个 spark-defaults.conf 文件就是用来指定spark的一些工作参数的。

vim spark-defaults.conf
spark.serializer        org.apache.spark.serializer.KryoSerializer

这就配置了使用kryo，当然也可以在spark程序中使用 conf对象来来设置
conf.set("spark.serializer","org.apache.spark.serializer.KryoSerializer")

2.1.3 kryo类库的优化

（1）优化缓存大小
如果注册的序列化的自定义类型，本身特别大，比如包含了100个以上字段，就会导致序列化的对象过大。此时需要对kyro本身进行优化。因为kyro本身内部缓存不够存放这么大的对象。

设置：spark.kryoserializer.buffer.max  参数值调大，即可。

（2）提前注册自定义类型
使用kryo时，为了更高的性能，最好提前注册需要序列化的类，如：

在sparkConf 对象中注册
conf.registerKryoClasses(Array(classof[Student],classof[Teacher]))

注意：这里基本都针对自定义的类，而且用scala编写spark项目时，其实不会涉及到太多自定义类，不像java

2.2 优化数据结构

2.2.1 概述

优化数据结构，主要在于避免语法特性中所导致的额外内存开销。
核心：优化算子函数内部使用到的局部数据或者算子外部的数据。
目的：减少对内存的消耗和占用。

2.2.2 具体手段

（1）优先使用数组以及字符串，而不是集合类。

即：优先使用array，而不是ArrayList，LinkedList，hashMap
使用int[] 比 List 节省内存。

前面也说过，集合类包含更多的额外数据，以及复杂的类结构，所以占用内存多。此举就是为了将结构简单化，满足使用的情况下，越简单越好

（2）将对象转换成字符串。

在企业中，将HashMap，List这种数据，统一使用String拼接成特殊格式的字符串。
举例：
Map persons = new HashMap<>()
优化为：
id:name,address,idCardNum,family......|id:name,address,idCardNum,family......

（3）避免使用多层嵌套对象结构。

public class Teacher{private List students = new ArrayList<>()}
以上例子不好，因为Teacher类的内部又嵌套了大量的小的Student对象。
改进：
转成json，处理字符串
{"teacherId":1,....,students[{"studentId":1,.....}]}

（4）对于能够避免的场景，使用int代替String

虽然String性能比List高，但是int占用更少内存。
比如：数据库主键，id，推荐使用自增主键，而不是uuid。

2.3 RDD缓存

这个就很简单了，主要是将多次使用的RDD缓存在内存中，避免再次使用时重复计算。实现方法看前面spark core的文章

2.4 使用序列化来进行缓存

默认情况下，进行RDD缓存时，RDD对象是没有序列化的，也就是持久化级别为 MEMORY_ONLY。建议使用 MEMORY_ONLY_SER进行持久化，因为这种方式同时会进行序列化，序列化后占用更少的内存的空间。实现方法看前面spark core的文章

2.5 jvm调优

2.5.1 背景

​ 如果在持久化RDD的时候，持久化了大量的数据，那么Java虚拟机的垃圾回收就可能成为一个性能瓶颈。Java虚拟机会定期进行垃圾回收，此时就会追踪所有Java对象，并且在垃圾回收时，追中找到那些已经不再使用的对象，清理旧对象，给新对象腾出空间。
​ 垃圾回收的性能开销，和内存中的对象数量成正比。而且要注意一点， 在做Java虚拟机调优前，必须要做好上面其他调优工作，这样才有意义。因为上面的调优工作，是为了节省内存的开销，更好、更高效的使用内存。上面的优化比起进行jvm调优获得的好处要大得多。并且jvm调优好了，但是上层应用没有好的内存使用方式，jvm优化了也白搭。

2.5.2 gc原理

这里提到这个，更多是让读者自己去理解这个原理，随便百度都可以找到了，这里不重复。

2.5.3 检测垃圾回收

我们可以对垃圾回收进行监测，包括多久进行一次垃圾回收，以及每次垃圾回收耗费的时间。
在 spark-submit脚本中，添加一个配置：

--conf "spark.executor.extraJavaOptions=-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimesStamps"

注意：输出到worker的日志中，而不是driver日志。

/usr/local/spark-2.1.0-bin-hadoop2.7/work/app-20190705055405-0000/0
这是driver日志

/usr/local/spark-2.1.0-bin-hadoop2.7/logs
这是worker日志

2.5.4 优化Executor内存比例

​ 对于GC调优来说，最重要的调节，RDD缓存占用的内存空间 与 算子执行是创建对象所占用的内存空间 的比例。默认情况下，Spark使用每个Executor 60%的内存空间来缓存RDD，那么在task执行期间创建的对象，只有40%的内存空间来存放对象。
​ 在这种情况下，很有可能因为内存不足，task创建的对象过大，导致40%的内存空间不够用，触发Java虚拟机垃圾回收操作。在极端的情况下，垃圾回收操作会被频繁触发。
​ 根据实际情况，可以增大对象存储空间，减少gc发生概率，方式：

conf.set("spark.storage.memoryFraction",0.5)
将RDD缓存占用空间比例降低到50%

2.6 shuffle

​ 以往在spark1.x版本中，如果有shuffle时，那么每个map task就会根据result task(也可以叫reduce task)的个数，对map结果进行分区，分别给不同的result task处理，每个分区产生一个文件。当map数量很多时，就会产生大量文件，这会带来性能问题。
​ 在spark2.x中，将一个map task输出的数据都放在一个文件中，然后加上一个索引文件，用于标识不同分区数据在文件中的位置，这样就保证了一个task只产生一个文件。从而降低了IO压力

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