【Python大数据笔记_day11_Hadoop进阶之MR和YARN&ZooKeeper】

MR

单词统计流程

已知文件内容:  
    hadoop hive hadoop spark hive 
    flink hive linux hive mysql
​
input结果: 
        k1(行偏移量)   v1(每行文本内容)
        0            hadoop hive hadoop spark hive 
        30           flink hive linux hive mysql
map结果:
        k2(split切割后的单词)  v2(拼接1)     
        hadoop               1
        hive                 1
        hadoop               1
        spark                1
        hive                 1
        flink                1
        hive                 1
        linu                 1
        hive                 1
        mysql                1
分区/排序/规约/分组结果:
        k2(排序分组后的单词)   v2(每个单词数量的集合)
        flink               [1]
        hadoop              [1,1]
        hive                [1,1,1,1]
        linux               [1] 
        mysql               [1]
        spark               [1]
reduce结果:
        k3(排序分组后的单词)   v3(聚合后的单词数量)
        flink                1
        hadoop               2
        hive                 4
        linux                1
        mysql                1
        spark                1
output结果:   注意: 输出目录一定不要存在,否则报错
        flink   1
        hadoop  2
        hive    4
        linux   1
        mysql   1
        spark   1

MR底层原理

map阶段

第一阶段是把输入目录下文件按照一定的标准逐个进行逻辑切片，形成切片规划。默认情况下Split size 等于 Block size。每一个切片由一个MapTask处理（当然也可以通过参数单独修改split大小）
第二阶段是对切片中的数据按照一定的规则解析成对。默认规则是把每一行文本内容解析成键值对。key是每一行的起始位置(单位是字节)，value是本行的文本内容。（TextInputFormat）
第三阶段是调用Mapper类中的map方法。上阶段中每解析出来的一个，调用一次map方法。每次调用map方法会输出零个或多个键值对
第四阶段是按照一定的规则对第三阶段输出的键值对进行分区。默认是只有一个区。分区的数量就是Reducer任务运行的数量。默认只有一个Reducer任务
第五阶段是对每个分区中的键值对进行排序。首先，按照键进行排序，对于键相同的键值对，按照值进行排序。比如三个键值对<2,2>、<1,3>、<2,1>，键和值分别是整数。那么排序后的结果是<1,3>、<2,1>、<2,2>。
如果有第六阶段，那么进入第六阶段；如果没有，直接输出到文件中
第六阶段是对数据进行局部聚合处理，也就是combiner处理。键相等的键值对会调用一次reduce方法。经过这一阶段，数据量会减少。本阶段默认是没有的。
​
注意: 不要死记硬背,要结合自己的理解,转换为自己的话术,用于面试

shuffle阶段

shuffle是Mapreduce的核心，它分布在Mapreduce的map阶段和reduce阶段。一般把从Map产生输出开始到Reduce取得数据作为输入之前的过程称作shuffle。
Collect阶段：将MapTask的结果输出到默认大小为100M的环形缓冲区，保存的是key/value，Partition分区信息等
Spill阶段：当内存中的数据量达到一定的阀值(80%)的时候，就会将数据写入本地磁盘，在将数据写入磁盘之前需要对数据进行一次排序的操作，如果配置了combiner，还会将有相同分区号和key的数据进行排序
Merge阶段：把所有溢出的临时文件进行一次合并操作，以确保一个MapTask最终只产生一个中间数据文件
Copy阶段： ReduceTask启动Fetcher线程到已经完成MapTask的节点上复制一份属于自己的数据，这些数据默认会保存在内存的缓冲区中，当内存的缓冲区达到一定的阀值的时候，就会将数据写到磁盘之上
Merge阶段：在ReduceTask远程复制数据的同时，会在后台开启两个线程对内存到本地的数据文件进行合并操作。
Sort阶段：在对数据进行合并的同时，会进行排序操作，由于MapTask阶段已经对数据进行了局部的排序，ReduceTask只需保证Copy的数据的最终整体有效性即可。 
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注意: 不要死记硬背,要结合自己的理解,转换为自己的话术,用于面试

reduce阶段

第一阶段是Reducer任务会主动从Mapper任务复制其输出的键值对。Mapper任务可能会有很多，因此Reducer会复制多个Mapper的输出。
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第二阶段是把复制到Reducer本地数据，全部进行合并，即把分散的数据合并成一个大的数据。再对合并后的数据排序。
​
第三阶段是对排序后的键值对调用reduce方法。键相等的键值对调用一次reduce方法，每次调用会产生零个或者多个键值对。最后把这些输出的键值对写入到HDFS文件中。
​
注意: 不要死记硬背,要结合自己的理解,转换为自己的话术,用于面试

YARN

yarn提交mr流程

1.客户端提交一个MR程序给ResourceManager(校验请求是否合法...)
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2.如果请求合法,ResourceManager随机选择一个NodeManager用于生成appmaster(应用程序控制者,每个应用程序都单独有一个appmaster)
3.appmaster会主动向ResourceManager的应用管理器(application manager)注册自己,告知自己的状态信息,并且保持心跳
4.appmaster会根据任务情况计算自己所需要的container资源(cpu,内存...),主动向ResourceManager的资源调度器(resource scheduler)申请并获取这些container资源
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5.appmaster获取到container资源后,把对应指令和container分发给其他NodeManager,让NodeManager启动task任务(maptask任务,reducetask任务)
6.NodeManager要和appmaster保持心跳,把自己任务计算进度和状态信息等同步给appmaster,(注意当maptask任务完成后会通知appmaster,appmaster接到消息后会通知reducetask去maptask那儿拉取数据)直到最后任务完成
​
7.appmaster会主动向ResourceManager注销自己(告知ResourceManager可以把自己的资源进行回收了,回收后自己就销毁了)
​

调度器

调度器的配置在yarn-site.xml查找,如果没有就去yarn-default.xml中找
网址: https://hadoop.apache.org/docs/stable/hadoop-yarn/hadoop-yarn-common/yarn-default.xml
配置项和默认值如下yarn.resourcemanager.scheduler.class=org.apache.hadoop.yarn.server.resourcemanager.scheduler.capacity.CapacityScheduler

先进先出调度器

FIFO Scheduler: 把应用按提交的顺序排成一个队列，在进行资源分配的时候，先给队列中最头上的应用进行分配资源，待最头上的应用需求满足后再给下一个分配，以此类推。
好处:  能够保证每一个任务都能拿到充足的资源, 对于大任务的运行非常有好处
弊端:  如果先有大任务后有小任务,会导致后续小任务无资源可用, 长期处于等待状态
应用:  测试环境

公平调度器

Fair Scheduler :不需要保留集群的资源，因为它会动态在所有正在运行的作业之间平衡资源 , 当一个大job提交时，只有这一个job在运行，此时它获得了所有集群资源；当后面有小任务提交后，Fair调度器会分配一半资源给这个小任务，让这两个任务公平的共享集群资源。
​
好处:  保证每个任务都有资源可用, 不会有大量的任务等待在资源分配上
弊端: 如果大任务非常的多, 就会导致每个任务获取资源都非常的有限, 也会导致执行时间会拉长
应用: CDH商业版本的hadoop

容量调度器

Capacity Scheduler: 为每个组织分配专门的队列和一定的集群资源，这样整个集群就可以通过设置多个队列的方式给多个组织提供服务了。在每个队列内部，资源的调度是采用的是先进先出(FIFO)策略。
好处: 可以保证多个任务都可以使用一定的资源, 提升资源的利用率
弊端: 如果遇到非常的大的任务, 此任务不管运行在那个队列中, 都无法使用到集群中所有的资源,  导致大任务执行效率比较低,当任务比较繁忙的时候, 依然会出现等待状态
应用: apache开源版本的hadoop

示例:

调度器的使用是通过yarn-site.xml 配置文件中的 yarn.resourcemanager.scheduler.class 参数进行配置的，默认采用Capacity Scheduler 调度器 下面是一个简单的Capacity调度器的配置文件，文件名为capacity-scheduler.xml。

在这个配置中，在root队列下面定义了两个子队列prod和dev，分别占40%和60%的容量

<property>
   <!-- 队列分为两份 prod 和 dev    -->
   <name>yarn.scheduler.capacity.root.queues</name>
   <value>prod,dev</value>
</property>
  <property>
   <!--prod占比 40%-->
   <name>yarn.scheduler.capacity.root.prod.capacity</name>
   <value>40</value>
</property>
<property>
   <!--dev占比 60%-->
   <name>yarn.scheduler.capacity.root.dev.capacity</name>
   <value>60</value>
</property>
<property>
   <!-- dev的最大占比 75%-->
   <name>yarn.scheduler.capacity.root.dev.maximum-capacity</name>
   <value>75</value>
</property>

prod由于没有设置maximum-capacity属性，它有可能会占用集群全部资源。 dev的maximum-capacity属性被设置成了75%，所以即使prod队列完全空闲dev也不会占用全部集群资源，也就是说，prod队列仍有25%的可用资源用来应急。

---

ZooKeeper

ZK概述

ZooKeeper概念: Zookeeper是一个分布式协调服务的开源框架。本质上是一个分布式的小文件存储系统
ZooKeeper作用: 主要用来解决分布式集群中应用系统的一致性问题。
ZooKeeper结构: 采用树形层次结构，ZooKeeper树中的每个节点被称为—Znode。且树中的每个节点可以拥有子节点

ZK集群环境

zookeeper概念: 分布式协调服务
​
zookeeper的服务角色分别为:
    leader: 管理者 ,负责管理follower,处理所有的事务请求(数据的保存,修改,删除)
    follower: 追随者,负责选举(选举leader)和数据的同步及获取
    observer: 观察者,负责数据的同步及获取(需要在配置文件中指定才能生效)
    
zookeeper应用: 搭建hadoop高可用环境时,至少需要两个hadoop服务(NameNode和ResourceManager),一主一备,主服务对外提供业务功能,备用服务等待主服务不可用时,启用备用服务器对外提供业务功能    

ZK启动和使用

配置环境变量

配置zookeeper环境变量**(注意三台都单独配置!!!)**

可以使用CRT客户端发送以下命令到三台

[root@nodex ~]# echo 'export ZOOKEEPER_HOME=/export/server/zookeeper' >> /etc/profile
[root@nodex ~]# echo 'export PATH=$PATH:$ZOOKEEPER_HOME/bin' >> /etc/profile
[root@nodex ~]# source /etc/profile

启动集群

启动zookeeper服务**(注意三台都单独需要启动!!!)**

可以使用CRT客户端发送以下命令到三台

[root@nodex ~]# zkServer.sh start

还可以查看服务状态: [root@node]# zkServer.sh status

关闭zk服务的命令是: [root@node]# zkServer.sh stop

客户端连接

连接服务

方式1:直接连接本地: [root@node1 ~]# zkCli.sh

方式2:连接其他节点: [root@node1 ~]# zkCli.sh -server 节点地址

[root@node1 ~]# zkCli.sh

ZK的shell命令

查看所有shell命令: help
​
create [-s] [-e] 节点绝对路径 节点数据: 创建数据节点    注意: -s代表序列化节点    -e代表临时节点
​
delete 节点绝对路径 [version]: 删除一级节点  注意: 此方式如果有子节点是不能删除的
rmr 节点绝对路径: 删多层除节点(如果有子节点也可以删除)
​
set 节点绝对路径 data [version]: 设置 /修改节点数据
​
get 节点绝对路径 [watch]: 获取数据    注意: watch是监听
ls 节点绝对路径  : 查看节点信息        举例: 查看根路径下节点   ls /
ls2 节点绝对路径 : 查看节点详情信息
history: 查看操作历史
​
quit: 退出

[root@node1 ~]# zkCli.sh
...
WatchedEvent state:SyncConnected type:None path:null
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 0] ls /
[zookeeper]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create /binzi 666
Created /binzi
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] create /binzi/b1 111
Created /binzi/b1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 3] create /binzi/b2 222
Created /binzi/b2
​
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 4] ls /
[binzi, zookeeper]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 5] ls /binzi
[b2, b1]
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 6] set /binzi 888
...
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 7] get /binzi
888
...
​
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 8] delete /binzi/b1
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 9] ls /binzi
[b2]
​
# 注意: delete不能删除有子节点的节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 10] delete /binzi
Node not empty: /binzi 
# rmr可以删除多层节点
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 11] rmr /binzi
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 12] ls /
[zookeeper]
​
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 13] history
...
[zk: localhost:2181(CONNECTED) 14] quit
Quitting...shut down
[root@node1 ~]# 

ZK的节点特性和分类

节点特性

ZooKeeper的数据模型，在结构上和标准文件系统的非常相似，都是采用树形层次结构，和文件系统的目录树一样，ZooKeeper树中的每个节点可以拥有子节点。
但也有不同之处：
​
Znode兼具文件和目录两种特点: Znode没有文件和目录之分,Znode既有像文件一样存储数据,也能像目录一样作为路径标识的一部分
​
Znode具有原子性操作: 读操作将获取与节点相关的所有数据，写操作也将替换掉节点的所有数据
​
Znode存储数据大小有限制: 每个Znode的数据大小至多1M，当时常规使用中应该远小于此值
​
Znode通过路径引用: 路径必须是绝对的，因此他们必须由斜杠字符来开头。除此以外，他们必须是唯一的，也就是说每一个路径只有一个表示，因此这些路径不能改变。  默认有/zookeeper节点用以保存关键的管理信息。

节点分类

节点分类: 永久普通节点,临时普通节点,永久序列化节点,临时序列化节点

创建永久普通节点:  create /节点 数据

创建临时普通节点:  create -e /节点 数据

创建永久序列化节点: create -s /节点 数据

创建临时序列化节点: create -e -s /节点 数据

注意: 临时节点不能创建子节点

节点属性

每个znode都包含了一系列的属性，通过命令get /节点 ，可以获得节点的属性 注意: 对于zk来说，每次的变化都会产生一个唯一的事务id，zxid（ZooKeeper Transaction Id）。通过zxid，可以确定更新操作的先后顺序。例如，如果zxid1小于zxid2，说明zxid1操作先于zxid2发生，zxid对于整个zk都是唯一的，即使操作的是不同的znode。 cZxid ：Znode创建的事务id。 ctime ：Znode创建时的时间戳.

mZxid ：Znode被修改的事务id，即每次对当前znode的修改都会更新mZxid。 ​ mtime ：Znode最新一次更新发生时的时间戳.

pZxid ：Znode的子节点列表变更的事务ID，添加子节点或删除子节点就会影响子节点列表 ​ cversion ：子节点进行变更的版本号。添加子节点或删除子节点就会影响子节点版本号

dataVersion：数据版本号，每次对节点进行set操作，dataVersion的值都会增加1（即使设置的是相同的数据），可有效避免了 数据更新时出现的先后顺序问题。 ​ aclVersion : 权限变化列表版本 access control list Version ​ ephemeralOwner : 字面翻译临时节点拥有者，永久节点值为: 0x0，临时节点值为:会话ID (不是0x0的就是临时节点) ​ dataLength : Znode数据长度 ​ numChildren: 当前Znode子节点数量(不包括子子节点）

ZK集群特点

1. 全局数据一致: 集群中每个服务器保存一份相同的数据副本，client无论连接到哪个服务器，展示的数据都是一致的，这是最重要的特征；

2. 可靠性: 如果消息被其中一台服务器接受，那么将被所有的服务器接受。

3. 顺序性: 包括全局有序和偏序两种：全局有序是指如果在一台服务器上消息a在消息b前发布，则在所有Server上消息a都将在消息b前被发布；偏序是指如果一个消息b在消息a后被同一个发送者发布，a必将排在b前面。

4. 数据更新原子性: 一次数据更新要么成功（半数以上节点成功），要么失败，不存在中间状态；

5. 实时性: Zookeeper保证客户端将在一个时间间隔范围内获得服务器的更新信息，或者服务器失效的信息。

watch监听机制

ZooKeeper中，引入了Watcher机制来实现数据发布/订阅功能，一个典型的发布/订阅模型系统定义了一种一对多的订阅关系，能让多个订阅者同时监听某一个主题对象，当这个主题对象自身状态变化时，会通知所有订阅者，使他们能够做出相应的处理。 ZooKeeper允许客户端向服务端注册一个Watcher监听，当服务端的一些事件触发了这个Watcher，那么就会向指定客户端发送一个事件通知来实现分布式的通知功能。

watch监听机制过程: 客户端向服务端注册Watcher     服务端事件发生触发Watcher     客户端回调Watcher得到触发事件情况
Watch监听机制注册格式:  get /节点绝对路径 watch
Watch监听机制特点:
    先注册再触发: Zookeeper中的watch机制，必须客户端先去服务端注册监听，这样事件发送才会触发监听，通知给客户端
    一次性触发: 事件发生触发监听，一个watcher event就会被发送到设置监听的客户端，这种效果是一次性的，后续再次发生同样的事件，不会再次触发。
    异步发送: watcher的通知事件从服务端发送到客户端是异步的。
    通知内容: 通知状态（keeperState），事件类型（EventType）和节点路径（path）

示例

node1上创建临时节点

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 1] create -e /master 1111
Created /master

node2上设置监听

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 28] get /master watch

node1退出

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 2] quit

node2查看消息

[zk: localhost:2181(CONNECTED) 29] 
WATCHER::

WatchedEvent state:SyncConnected type:NodeDeleted path:/master

ZK应用

1. 数据发布/订阅

数据发布/订阅系统,就是发布者将数据发布到ZooKeeper的一个节点上，提供订阅者进行数据订阅，从而实现动态更新数据的目的，实现配置信息的集中式管理和数据的动态更新。

主要用到知识点: 监听机制

2. 提供集群选举

在分布式环境下，不管是主从架构集群，还是主备架构集群，要求在服务的时候有且有一个正常的对外提供服务，我们称之为master。
当master出现故障之后，需要重新选举出的新的master。保证服务的连续可用性。zookeeper可以提供这样的功能服务。
主要用到知识点: znode唯一性、临时节点短暂性、监听机制。

选举概述: 
选举要求: 过半原则,所以搭建集群一般奇数,只要某个node节点票数过半立刻成为leader

集群第一次启动: 启动follower每次投票后,他们会相互同步投票情况,如果票数相同,谁的myid大,谁就当选leader,一旦确定了leader,后面来的默认就是follower,即使它的myid大,leader也不会改变(除非leader宕机了)

leader宕机后启动: 每一个leader当老大的时候,都会产生新纪元epoch,且每次操作完节点数据都会更新事务id(高32位_低32位) ,当leader宕机后,剩下的follower就会综合考虑几个因素选出最新的leader,先比较最后一次更新数据事务id(高32位_低32位),谁的事务id最大,谁就当选leader,如果更新数据的事务id都相同的情况下,就需要再次考虑myid,谁的myid大,谁就当选leader

hadoop高可用(主备切换)

概述

hadoop2.x之后，Cloudera提出了QJM/Qurom Journal Manager，这是一个基于Paxos算法（分布式一致性算法）实现的HDFS HA方案，它给出了一种较好的解决思路和方案,QJM主要优势如下：不需要配置额外的高共享存储，降低了复杂度和维护成本。消除spof(单点故障)。系统鲁棒性(Robust)的程度可配置、可扩展。

在HA架构里面SecondaryNameNode已经不存在了，为了保持standby NN, 实时的与Active NN的元数据保持一致，他们之间交互通过JournalNode进行操作同步。

任何修改操作在 Active NN上执行时，JournalNode进程同时也会记录修改log到至少半数以上的JN中，这时 Standby NN 监测到JN 里面的同步log发生变化了会读取 JN 里面的修改log,然后同步到自己的目录镜像文件里面

当发生故障时，Active的 NN 挂掉后，Standby NN 会在它成为Active NN 前，读取所有的JN里面的修改日志，这样就能高可靠的保证与挂掉的NN的目录镜像文件一致，然后无缝的接替它的职责，维护来自客户端请求，从而达到一个高可用的目的。

在HA模式下，datanode需要确保同一时间有且只有一个NN能命令DN。为此：每个NN改变状态的时候，向DN发送自己的状态和一个序列号。

DN在运行过程中维护此序列号，当failover时，新的NN在返回DN心跳时会返回自己的active状态和一个更大的序列号。DN接收到这个返回则认为该NN为新的active。

如果这时原来的active NN恢复，返回给DN的心跳信息包含active状态和原来的序列号，这时DN就会拒绝这个NN的命令。

Failover Controller HA模式下，会将FailoverController部署在每个NameNode的节点上，作为一个单独的进程用来监视NN的健康状态。

FailoverController主要包括三个组件: HealthMonitor: 监控NameNode是否处于unavailable或unhealthy状态。当前通过RPC调用NN相应的方法完成。

ActiveStandbyElector: 监控NN在ZK中的状态。

ZKFailoverController: 订阅HealthMonitor 和ActiveStandbyElector 的事件，并管理NN的状态,另外zkfc还 负责解决fencing（也就是脑裂问题）。

JournalNode进程作用: 任何修改操作在 Active NN上执行时，JournalNode进程同时也会记录修改log到至少半数以上的JN中，这时 Standby NN 监测到JN 里面的同步log发生变化了会读取 JN 里面的修改log,然后同步到自己的目录镜像文件里面

DFSZKFailoverController进程作用: 1. 健康监测：周期性的向它监控的NN发送健康探测命令，从而来确定某个NameNode是否处于健康状态，如果机器宕机，心跳失败，那么zkfc就会标记它处于一个不健康的状态2.会话管理：如果NN是健康的，zkfc就会在zookeeper中保持一个打开的会话，如果NameNode同时还是Active状态的，那么zkfc还会在Zookeeper中占有一个类型为短暂类型的znode，当这个NN挂掉时，这个znode将会被删除，然后备用的NN将会得到这把锁，升级为主NN，同时标记状态为Active3.master选举：通过在zookeeper中维持一个短暂类型的znode，来实现抢占式的锁机制，从而判断那个NameNode为Active状态4.当宕机的NN新启动时，它会再次注册zookeper，发现已经有znode锁了，便会自动变为Standby状态，如此往复循环，保证高可靠

高可用服务

NN: NameNode
DN: DataNode

RM: ResourceManager
NM: NodeManager

JN: JournalNode
ZK: ZooKeeper
ZKFC: DFSZKFailoverController

启动hadoop高可用环境

# 1.先恢复快照到高可用环境

# 2.三台服务器启动zookeeper服务
[root@node1 ~]# zkServer.sh start
[root@node2 ~]# zkServer.sh start
[root@node3 ~]# zkServer.sh start

# 3.在node1中启动hadoop集群
[root@node1 ~]# start-all.sh

# 4.检查服务
[root@node1 ~]# jps
[root@node2 ~]# jps
[root@node3 ~]# jps

NameNode高可用:

web链接:

node1:50070

node2:50070

可以使用==kill -9 NN进程号==把其中主服务杀掉,观察效果,然后使用 ==hdfs --daemon start namenode== 重启,再次观察效果

active: namenode主服务
standby: namenode备份服务

ResourceManager高可用

web链接:

node1:8088

node2:8088

可以使用==kill -9 RM进程号==把其中主服务杀掉,观察效果,然后使用 ==yarn --daemon start resourcemanager== 重启,再次观察效果

注意: 两个服务同时启动,按照上述链接去访问会自动跳到同一个主节点页面