深入MapReduce——计算模型设计

引入

通过引入篇，我们可以总结，MapReduce针对海量数据计算核心痛点的解法如下：

统一编程模型，降低用户使用门槛
分而治之，利用了并行处理提高计算效率
移动计算，减少硬件瓶颈的限制

优秀的设计，总会借鉴使用到前人总结的精华。

在MapReduce设计中，就有很多经典的设计模式的影子：

责任链模式，让每个组件发挥自己的作用，串联起来完成一个完整的分布式应用程序的执行。
模板方法模式，在责任链的基础上，又用了模板的形式来定义数据处理的基本流程架构。
策略模式，在模板方法的基础上，提供灵活的具体业务实现方式。

下面我们就深入了解一下，MapReduce这个所谓的通用计算模型，到底是如何设计落地的。

MapReduce计算模型设计

首先，我们要知道，任何通用的计算模型，本质都可以划分为输入->计算->输出三个模块。既然说MapReduce是一个通用的计算模型，那我们就来看看它是怎么设计实现的。

核心设计思路

我们先从核心设计思路方面入手，MapReduce的编程模型中的核心计算模块设计很简单，正如其名，分为Map和Reduce两个部分：

Map负责"分"，即把复杂的任务分解为若干个"简单的任务"来并行处理。可以进行拆分的前提是这些小任务可以并行计算，彼此间几乎没有依赖关系。
Reduce负责"合"，即对map阶段的结果进行全局汇总。

可以看到，这个计算模块的设计非常简单，下面我们看下在代码层面，它是如何基于这个核心思路，去提供输入，计算，输出的能力给用户的。

编程组件设计

在代码层面，MapReduce结合了分布式场景的特殊性，针对这三个模块对外提供了5个可编程组件，分别是InputFormat、Mapper、Partitioner、Reducer和OutputFormat。

下面我们分别介绍一下：

InputFormat

数据读取与分片 ：因为MapReduce是构建在HDFS上的，那要计算的数据肯定是以一个个Block块的形式，分散存储在不同的DataNode里。InputFormat 组件负责从各种数据源读取数据，并将数据切分成合适的分片（split），从而实现在多个计算节点上并行处理。例如，在处理大规模的文本数据时，InputFormat 可以按行或按固定大小对数据进行分片，使得每个 Mapper 任务可以独立处理一个数据分片，实现数据的并行读取和处理。
数据格式适配：不同的数据源可能有不同的数据格式，如文本格式、二进制格式、数据库记录格式等。InputFormat 能够将各种不同格式的数据转换为 MapReduce 可以处理的键值对形式，为后续的处理提供统一的输入格式。

InputFormat主要用于描述输入数据的格式，核心就是以下两件事：

数据切分：按照某个策略将输入数据切分成若干个split，以便确定Map Task个数以及对应的split。

为Mapper提供输入数据：给定某个split，通过创建读取数据的工具（RecordReader）来将其解析成一个个 key-value 对。

这种设计有点类似工厂方法，主要有以下好处：

解耦数据划分和读取过程：
通过这种设计，将输入数据的划分（InputFormat的职责）和具体的数据读取（RecordReader的职责）两个过程分开。这样可以让开发者独立地修改和扩展这两个部分。
例如，如果要支持一种新的数据格式，只需要创建一个新的InputFormat子类和对应的RecordReader，而不会影响到其他部分的代码。

提高可维护性和可扩展性：
这种设计使得MapReduce框架能够方便地支持多种输入数据格式。对于不同的数据来源和格式，只需要实现相应的InputFormat和RecordReader组合。
比如，对于数据库数据、日志文件、二进制文件等不同类型的数据，都可以通过自定义的InputFormat和RecordReader来实现数据的有效处理。

支持数据局部性优化：
InputFormat在划分数据分片时，可以考虑数据的存储位置等因素，使得RecordReader读取数据时能够更好地利用数据局部性。
例如，将在同一物理存储位置的数据划分到一个分片，这样可以减少数据传输开销，提高MapReduce的整体性能。

其中文件切分算法在v1和v2版本有所区别：

v1：splitSize = max{minSize, min{goalSize, blockSize}}

v2：splitSize = max{minSize, min{maxSize, blockSize}}

新版本用 maxSize 替换了 goalSize ，可以更直接地对 splitSize 的上限进行严格控制。

例如，在处理一些对单个Map任务处理数据量上限有严格要求的场景（如资源有限的小型集群或者对任务响应时间敏感的场景），能够明确设置 maxSize ，避免出现因 goalSize 计算复杂而导致输入分片过大的情况。

在InputSplit切分方案确定后，会确定每个InputSplit的元数据信息。这通常由四部分组成：<file, start, length, hosts>，分别表示InputSplit所在的文件、起始位置、长度以及所在的host（节点）列表。

其中，前三项很容易确定，难点在于host列表的选择方法。

FileInputFormat设计了一个简单有效的启发式算法，核心就是尽量选择本地节点。

其实现主要考虑以下几点：

**性能提升。**通过尽量选择本地和机架本地的节点，可以尽可能减少网络带宽带来的瓶颈，如果能走本地，更是可以完全利用本地磁盘IO，避免网络传输带来的延迟。

**资源优化利用。**考虑节点的资源状况进行host选择，可以尽可能平衡各个节点的负载，并有效提升集群的吞吐能力。

**增强容错。**尽可能的选择本地，避免网络传输，能很好的降低数据丢失风险，并提高故障恢复效率。

Mapper

并行数据处理：Mapper 是 MapReduce 中实现并行计算的核心组件。对于大规模的数据处理任务，将数据分片后，每个 Mapper 任务在不同的计算节点上独立地对数据分片进行处理，实现了数据的并行处理，大大提高了处理效率。例如，在进行文本数据的词频统计时，每个 Mapper 可以对自己负责的数据分片中的文本进行单词拆分和初步计数。
数据转换与过滤：Mapper 可以对输入数据进行各种转换和过滤操作，将原始数据转换为更适合后续处理的中间表示形式。比如，可以在 Mapper 中对数据进行清洗、格式转换、提取关键信息等操作，为后续的聚合和分析做准备。

Partitioner

数据分区与分发：在分布式计算中，Mapper 任务的输出需要按照一定的规则分配到不同的 Reducer 任务中进行处理。Partitioner 组件负责根据键的特征将 Mapper 的输出数据划分到不同的分区，确保具有相同或相关键的数据能够被发送到同一个 Reducer 任务中，以便进行有效的聚合和处理。例如，在对大规模用户数据按用户 ID 进行统计分析时，Partitioner 可以根据用户 ID 的哈希值将数据分配到不同的 Reducer，使得同一用户的数据能够在同一个 Reducer 中进行处理。
负载均衡：通过合理的分区策略，Partitioner 可以实现数据在 Reducer 任务之间的均衡分配，避免某些 Reducer 任务处理的数据量过大，而其他 Reducer 任务闲置的情况，从而充分利用集群资源，提高整个系统的性能和效率。

Partitioner的作用是对Mapper产生的中间结果进行分区，以便将同一分组的数据交给同一个Reducer处理，它直接影响Reduce阶段的负载均衡。

MapReduce提供了两个Partitioner实现：HashPartitioner和TotalOrderPartitioner。

HashPartitioner是默认实现，它是基于哈希值的分片方法实现的。

TotalOrderPartitioner提供了一种基于区间的分片方法，通常用在数据全排序中。

关于全排序，通常容易想到的是归并排序，主要是利用二分去提升效率，其与一些简单的排序算法如插入，冒泡，选择相比，核心就在于没有浪费比较行为。

但由于作业只能有一个ReduceTask，因而Reduce阶段会成为作业的瓶颈。为了提高全局排序的性能和扩展性， MapReduce提供了TotalOrderPartitioner。它能够按照大小将数据分成若干个区间（分片），并保证后一个区间的所有数据均大于前一个区间数据。

TotalOrderPartitioner的全排序的步骤如下：

数据采样。
在Client端通过采样获取分片的分割点。（Hadoop自带了几个采样算法，IntercalSampler、RandomSampler、SplitSampler等。）

Map阶段。
本阶段涉及两个组件，分别是Mapper和Partitioner。其中，Mapper可选用不同的Mapper实现类，如IdentityMapper，直接将输入数据输出，但Partitioner必须选TotalOrderPartitioner，它将步骤1中获取的分割点保存到trie树（前缀树，字典树 ）中以便快速定位任意一个记录所在的区间，这样，每个MapTask产生R（Reduce Task个数）个区间，且区间之间有序。

Reduce阶段。
每个Reducer对分配到的区间数据进行局部排序，最终得到全排序数据。

从以上步骤可以看出，基于TotalOrderPartitioner全排序的效率跟key分布规律和采样算法有直接关系；key值分布越均匀且采样越具有代表性，则Reduce Task负载越均衡，全排序效率越高。

TotalOrderPartitioner有两个典型的应用实例：TeraSort和HBase批量数据导入。

TeraSort是Hadoop自带的一个应用程序实例。它曾在TB级数据排序基准评估中赢得第一名，而TotalOrderPartitioner正是从该实例中提炼出来的。

HBase是一个构建在Hadoop之上的NoSQL数据仓库。它以Region为单位划分数据，Region内部数据有序（按key排序），Region之间也有序。一个MapReduce全排序作业的R个输出文件正好可对应HBase的R个Region。

Reducer

数据聚合与合并：Reducer 主要用于对 Mapper 输出的经过分区和排序的数据进行聚合和合并操作。在许多分布式计算场景中，需要对数据进行汇总、统计、合并等操作，Reducer 能够将具有相同键的值进行合并和计算，得到最终的结果。如在词频统计中，Reducer 将各个 Mapper 输出的相同单词的计数进行累加，得到最终的单词出现频率。
复杂数据分析：对于一些需要全局视角或多轮处理的复杂数据分析任务，Reducer 可以在收到所有相关数据后进行综合处理。例如，在计算数据的平均值、中位数，或者进行数据的关联和整合等操作时，Reducer 可以根据具体的业务逻辑对数据进行进一步的分析和处理，得到最终的分析结果。

OutputFormat

数据存储与持久化：在 MapReduce 任务完成后，需要将最终的计算结果存储到合适的位置，以便后续的查询和使用。OutputFormat 组件负责将 Reducer 的输出数据按照指定的格式和存储方式进行存储，如将结果存储为文本文件、二进制文件、数据库表等。
结果格式定制：不同的应用场景可能对结果的输出格式有不同的要求，OutputFormat 允许用户根据实际需求定制输出结果的格式和内容，或者按照特定的文件结构和数据组织方式进行存储，方便与其他系统或工具进行集成和交互。

任务架构设计

用户通过借助前面MapReduce提供的编程组件，实现了业务逻辑以后，会将程序打包提交到Hadoop集群中，这里就涉及如何去调度执行任务。

如下图所示，是MRv1的架构设计（MRv2，也就是Yarn，可以看后面深入Yarn篇的内容）

我们来介绍一下里面的涉及的核心模块：

Client

用户编写的MapReduce程序通过Client提交到JobTracker端；同时，用户可通过Client提供的一些接口查看作业运行状态。

在Hadoop内部用Job（任务）表示MapReduce程序。一个MapReduce程序可对应若干个Job，而每个作业会被分解成若干个 Map/Reduce Task。

JobTracker

JobTracker主要负责资源监控和作业调度。

JobTracker监控所有TaskTracker与作业的健康状况，一旦发现失败情况后，其会将相应的任务转移到其他节点；同时，JobTracker会跟踪任务的执行进度、资源使用量等信息，并将这些信息告诉任务调度器，而调度器会在资源出现空闲时，选择合适的任务使用这些资源。

TaskTracker

TaskTracker会周期性地通过Heartbeat（心跳），将本节点上资源的使用情况和任务的运行进度汇报给JobTracker，同时接收JobTracker发送过来的命令并执行相应的操作（如启动新任务、杀死任务等）。

TaskTracker使用slot来等量划分本节点上的资源量。

slot是MapReduce针对CPU、内存等计算资源的一个抽象，它代表集群中计算节点上的一个基本资源分配单位。

其设计的核心目的，是为了控制同时运行的任务数量，并有效地管理和分配集群的计算资源，避免资源过度使用或闲置。

一个Task获取到一个slot后才有机会运行，而Hadoop调度器的作用就是将各个TaskTracker上的空闲slot分配给Task使用。slot分为Map slot和Reduce slot两种，分别供Map Task和Reduce Task使用。TaskTracker通过slot数目（可配置参数）限定Task的并发度。

Task

Task分为Map Task和Reduce Task两种，均由TaskTracker启动。

从深入HDFS篇章，我们知道HDFS会以固定大小的block为基本单位存储数据，而对于MapReduce而言，其处理单位是Split。这是一个逻辑概念，它只包含一些元数据信息，比如数据起始位置、数据长度、数据所在节点等。它的划分方法完全由用户自己决定。但需要注意的是，split的多少决定了Map Task的数目，因为每个split会交由一个Map Task处理。

任务调度流程

MapReduce任务的调度流程如下：

Job提交

客户端配置与提交 ：用户编写实现了 Mapper 和 Reducer 接口的 Java 程序，设置作业的各项参数，如输入输出路径、Mapper 和 Reducer 类等。接着，客户端调用 JobClient 类将作业提交给 JobTracker。
作业检查：在提交作业前，客户端会检查作业的输入输出路径是否合法等，同时计算输入数据的分片信息。

Job初始化

JobTracker 接收作业 ：JobTracker 接收到客户端提交的作业后，为作业分配一个唯一的作业 ID，创建一个 JobInProgress 对象来跟踪该作业的执行进度。
资源和任务初始化：JobTracker 会将作业相关信息（如作业配置、输入分片信息等）存储在 HDFS 上，同时为作业的 Map 和 Reduce 任务分配资源。

Job分配

Map 任务分配：JobTracker 根据输入数据的分片情况，将 Map 任务分配给 TaskTracker。一般会尽量将 Map 任务分配到存储有对应输入分片数据的节点上，以实现数据的本地化处理，减少数据传输开销。
Reduce 任务分配：JobTracker 会根据作业配置中指定的 Reduce 任务数量，将 Reduce 任务分配给合适的 TaskTracker。Reduce 任务的分配没有数据本地化的要求。

Map 阶段

TaskTracker 接收任务：TaskTracker 从 JobTracker 接收分配的 Map 任务后，为该任务启动一个新的 Java 进程。
数据读取 ：该 Java 进程从 HDFS 读取对应的输入分片数据，将其解析成键值对形式，作为 Mapper 的输入。
Map 函数执行 ：Mapper 对输入的键值对执行用户自定义的 map 方法，生成一系列中间键值对。这些中间键值对会先被写入到内存缓冲区。
溢写磁盘：当内存缓冲区达到一定阈值（默认 80%）时，会触发溢写操作。在溢写过程中，数据会按照键进行分区和排序（默认使用哈希分区），并将排序后的结果写入本地磁盘。如果配置了 Combiner，还会在溢写前对相同键的值进行局部合并。
多次溢写合并：如果在 Map 处理过程中发生了多次溢写，最终会将这些溢写文件合并成一个大的分区且排序好的文件。

Shuffle 阶段

数据复制：Reduce 任务启动后，会从各个 Map 任务所在的 TaskTracker 上复制属于自己分区的数据。
归并排序：Reduce 任务将复制过来的数据进行归并排序，确保相同键的值相邻排列。这个过程会将来自不同 Map 任务的相同分区的数据合并在一起。

Reduce 阶段

TaskTracker 接收并执行：TaskTracker 从 JobTracker 接收分配的 Reduce 任务后，为其启动一个新的 Java 进程。
Reduce 函数执行 ：Reducer 对排序好的数据执行用户自定义的 reduce 方法，对相同键的值进行聚合处理，生成最终的输出结果。
结果输出 ：Reducer 将处理后的结果写入到 HDFS 等指定的输出存储系统中。

Job完成清理

状态更新：当所有的 Map 任务和 Reduce 任务都成功完成后，JobTracker 将作业的状态标记为成功完成。
资源清理：JobTracker 会清理作业运行过程中产生的临时文件和其他相关资源。同时，TaskTracker 也会清理本地磁盘上的中间数据文件。

总结

今天梳理了MapReduce这个通用计算模型的总体设计落地思路，后面我们基于源码去进一步深入它是如何实现的。