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Spark 3.x新特性 - 自适应查询执行详解1（自适应调整Shuffle分区数量）

作者：hangge | 2024-08-05 08:35
    自适应查询执行（Adaptive Query Execution），简称为 AQE。它是对 Spark 执行计划的优化，它可以基于任务运行时统计的数据指标动态修改 Spark 的执行计划。自适应查询执行主要带来了下面这 3 点优化功能：
  • 自适应调整 Shuffle 分区数量。
  • 动态调整 Join 策略。
  • 动态优化倾斜的 Join。
    本文首先介绍其中的第一个自适应调整 Shuffle 分区数量。

一、自适应调整 Shuffle 分区数量

1，为什么要自适应调整 Shuffle 分区数量？

（1）Spark 在处理海量数据的时候，其中的 Shuffle 过程是比较消耗资源的，也比较影响性能，因为它需要在网络中传输数据。

（2）Shuffle 中的一个关键属性是：分区的数量。分区的最佳数量取决于数据自身大小，但是数据大小可能在不同的阶段、不同的查询之间有很大的差异，这使得这个数字很难精准调优。
  • 如果分区数量太多，每个分区的数据就很小，读取小的数据块会导致 IO 效率降低，并且也会产生过多的 task，这样会给 Spark 任务带来更多负担。
  • 如果分区数量太少，那么每个分区处理的数据可能非常大，处理这些大分区的数据可能需要将数据溢写到磁盘（例如：排序或聚合操作），这样也会降低计算效率。

（3）想要解决这个问题，就需要给 Shuffle 设置合适的分区数量，如果手工设置，基本上是无法达到最优效率的。想要达到最优效率，就需要依赖于我们这里所说的自适应调整 Shuffle 分区数量这个策略了。

2，实现的底层策略

（1）Spark 初始会设置一个较大的 Shuffle 分区个数，这个数值默认是 200，后续在运行时会根据动态统计到的数据信息，将小的分区合并，也就是慢慢减少分区数量。

（2）假设我们运行 select flag,max(num) from t1 group by flag 这个 SQL 语句，表 t1 中的数据比较少。
  • 现在我们把初始的 Shuffle 分区数量设置为 5，所以在 Shuffle 过程中数据会产生 5 个分区。如果没有开启自适应调整 Shuffle 分区数量这个策略，Spark 会启动 5 个 Reduce 任务来完成最后的聚合。但是这里面有 3 个非常小的分区，为每个分区分别启动一个单独的任务会浪费资源，并且也无法提高执行效率。因为这 3 个非常小的分区对应的任务很快就执行完了，另外 2 个比较大的分区对应的任务需要执行很长时间，资源没有被充分利用到。
  • 开启自适应调整 Shuffle 分区数量之后，Spark 会将这 3 个数据量比较小的分区合并为 1 个分区，让 1 个 reduce 任务处理，这个时候最终的聚合操作只需要启动 3 个 reduce 任务就可以了。

3，核心参数

（1）关于自适应调整 Shuffle 分区数量这个机制的核心参数主要包括下面这几个：
核心参数 默认值 解释
spark.sql.adaptive.enabled true 是否开启 AQE 机制
spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled true 是否开启 AQE 中的自适应调整 Shuffle 分区数量机制
spark.sql.adaptive.advisoryPartitionSizeInBytes 67108864b（64M） 建议的 Shuffle 分区大小

（2）各参数的详细说明如下：
  • spark.sql.adaptive.enabled：这个参数是控制整个自适应查询执行机制是否开启的，也就是控制 AQE 机制的。默认值是 true，表示默认是开启的。
  • spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled：这个参数才是真正控制自适应调整 Shuffle 分区数量这个机制是否开启的。默认值是 true，表示默认也是开启的。
注意：想要开启这个功能，第1个参数肯定也要设置为 true。因为自适应调整 Shuffle 分区数量这个机制是 AQE 机制中的一个子功能。
  • spark.sql.adaptive.advisoryPartitionSizeInBytes：这个参数是控制 shuffle 中分区大小的，默认是 64M。
注意：理论上来说，这个参数越大，shuffle 中最终产生的分区数量就越少，但是也不能太大，太大的话的产生的分区数量就太少了，会导致产生的任务数量也变少，最终会影响执行效率。

附一：案例演示

1，准备测试数据

（1）首先我们编译要给用于生成测试数据的 Java 类，代码如下：
import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.util.Random;

public class GenerateJSONData {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        //自适应调整Shuffle分区数量-生成测试数据
        generateCoalescePartitionData();
    }
    private static void generateCoalescePartitionData() throws IOException {
        String fileName = "D:\\temp\\spark_json_1.dat";
        System.out.println("start: 开始生成文件->"+fileName);
        BufferedWriter bfw = new BufferedWriter(new FileWriter(fileName));
        int num = 0;
        //area = A_US
        while(num<3000000){
            bfw.write("{\"id\":\"14943445328940974601"+new Random().nextInt(1000) +"\"," +
                    "\"uid\":\"840717325115457536\",\"lat\":\"53.530598\",\"lnt\":\"-2.5620373\"," +
                    "\"hots\":0,\"title\":\"0\",\"status\":\"1\",\"topicId\":\"0\",\"end_time\":\"1494344570\"," +
                    "\"watch_num\":"+new Random().nextInt(10000) +",\"share_num\":\"1\",\"replay_url\":null," +
                    "\"replay_num\":0,\"start_time\":\"1494344544\",\"timestamp\":1494344571,\"area\":\"A_US\"}");
            bfw.newLine();
            num ++;
            if(num%10000==0){
                bfw.flush();
            }
        }

        //flag = A_ID
        num = 0;
        while(num<1000){
            bfw.write("{\"id\":\"14943445328940974601"+new Random().nextInt(1000)+"\"," +
                    "\"uid\":\"840717325115457536\",\"lat\":\"53.530598\",\"lnt\":\"-2.5620373\"," +
                    "\"hots\":0,\"title\":\"0\",\"status\":\"1\",\"topicId\":\"0\",\"end_time\":\"1494344570\"," +
                    "\"watch_num\":"+new Random().nextInt(10000) +",\"share_num\":\"1\",\"replay_url\":null," +
                    "\"replay_num\":0,\"start_time\":\"1494344544\",\"timestamp\":1494344571,\"area\":\"A_ID\"}");
            bfw.newLine();
            num ++;
            if(num%10000==0){
                bfw.flush();
            }
        }

        //flag = A_IN
        num = 0;
        while(num<2000){
            bfw.write("{\"id\":\"14943445328940974601"+new Random().nextInt(1000)+"\"," +
                    "\"uid\":\"840717325115457536\",\"lat\":\"53.530598\",\"lnt\":\"-2.5620373\"," +
                    "\"hots\":0,\"title\":\"0\",\"status\":\"1\",\"topicId\":\"0\",\"end_time\":\"1494344570\"," +
                    "\"watch_num\":"+new Random().nextInt(10000) +",\"share_num\":\"1\",\"replay_url\":null," +
                    "\"replay_num\":0,\"start_time\":\"1494344544\",\"timestamp\":1494344571,\"area\":\"A_IN\"}");
            bfw.newLine();
            num ++;
            if(num%10000==0){
                bfw.flush();
            }
        }

        //flag = A_KP
        num = 0;
        while(num<3000){
            bfw.write("{\"id\":\"14943445328940974601"+new Random().nextInt(1000)+"\"," +
                    "\"uid\":\"840717325115457536\",\"lat\":\"53.530598\",\"lnt\":\"-2.5620373\"," +
                    "\"hots\":0,\"title\":\"0\",\"status\":\"1\",\"topicId\":\"0\",\"end_time\":\"1494344570\"," +
                    "\"watch_num\":"+new Random().nextInt(10000) +",\"share_num\":\"1\",\"replay_url\":null," +
                    "\"replay_num\":0,\"start_time\":\"1494344544\",\"timestamp\":1494344571,\"area\":\"A_KP\"}");
            bfw.newLine();
            num ++;
            if(num%10000==0){
                bfw.flush();
            }
        }

        //flag = A_JP
        num = 0;
        while(num<2800000){
            bfw.write("{\"id\":\"14943445328940974601"+new Random().nextInt(1000)+"\"," +
                    "\"uid\":\"840717325115457536\",\"lat\":\"53.530598\",\"lnt\":\"-2.5620373\"," +
                    "\"hots\":0,\"title\":\"0\",\"status\":\"1\",\"topicId\":\"0\",\"end_time\":\"1494344570\"," +
                    "\"watch_num\":"+new Random().nextInt(10000) +",\"share_num\":\"1\",\"replay_url\":null," +
                    "\"replay_num\":0,\"start_time\":\"1494344544\",\"timestamp\":1494344571,\"area\":\"A_JP\"}");
            bfw.newLine();
            num ++;
            if(num%10000==0){
                bfw.flush();
            }
        }
        bfw.flush();
        bfw.close();
        System.out.println("end: 文件已生成");
    }
}

（2）然后执行该程序后会在指定目录生成要给 1.6G 的数据文件，里面为 Json 格式的测试数据：

2，测试关闭自适应调整 Shuffle 分区数量的策略

（1）为了对比试验，首先关闭自适应调整 Shuffle 分区数量的策略。
import org.apache.spark.sql.SparkSession
import org.apache.spark.SparkConf

object AQECoalescePartitionsScala {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf = new SparkConf()
      .setMaster("local")

    //获取SparkSession，为了操作SparkSQL
    val sparkSession = SparkSession
      .builder()
      .appName("AQECoalescePartitionsScala")
      .config(conf)
      //禁用AQE机制
      .config("spark.sql.adaptive.enabled","false")
      //禁用自适应调整Shuffle分区数量（其实只要禁用了AQE机制，这个参数就不用设置了）
      .config("spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled","false")
      .getOrCreate()

    //读取Json格式数据，获取DataFrame
    val jsonDf = sparkSession.read.json("D:\\temp\\spark_json_1.dat")
    //创建临时表
    jsonDf.createOrReplaceTempView("t1")
    //执行SQL语句
    //注意：这个SQL中需要有可以产生shuffle的语句，否则无法验证效果。
    //在这里使用group by语句实现shuffle效果，并且还要注意尽量在group by后面多指定几个字段，
    //否则shuffle阶段传输的数据量比较小，效果不明显。
    val sql =
    """
      |select
      |   id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |   topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |   replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |from t1
      |group by id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |         topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |         replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |""".stripMargin
    sparkSession.sql(sql).write.format("json")
      .save("D:\\temp\\coalesce_partition_"+System.currentTimeMillis())

    //让程序一直运行，这样本地的Spark任务界面就可以一直查看
    while (true){
      ;
    }
  }
}

（2）然后使用浏览器访问 http://localhost:4040 打开任务界面中查看任务执行情况：
  • 到 Stage 中进行查看。前面 2 个 Stage 在运行时都是产生了 13 个 task，是因为读取的数据是 1655M，按照 128M 切分，正好是 13 个 task。
  • 最上面的那个 Stage 是根据 Shuffle 分区之后产生的任务数量，默认情况下 SparkSql 中的 shuffle 分区数量是 200，每个分区会产生一个task，所以这里最终产生了 200 个 task。其实这个 Shuffle 过程中产生的数据量并没有多少，一共只有 87.9M。最终这个 Stage 执行了 1.1 分钟。

（3）可以点进去看一下，每个 task 大致处理 450KB 的数据。

（4）这个时候其实拆分出这么多的分区只会降低计算效率，因为数据量太小了。但是在 Spark 3.0 之前，Spark 无法提前预知中间某一个 Shuffle 的数据量，考虑到 Spark 是处理海量数据的，所以给 SparkSQL 的 Shuffle 分区数量设置了一个比较大的默认值 200。

（5）这些数据指标也可以在 SQL 界面中查看。
提示：
  • 在 SQL 界面中查看的其实是这个 SQL 任务的执行流程，或者说是执行计划。
  • 在 Stage 界面查看的是SQL转换为 RDD 之后执行的具体情况。

3，测试手工指定 shuffle 分区数量

（1）针对这个没有开启自适应调整 Shuffle 分区数量的代码，或者是 Spark3.0 版本之前的代码，如果想要进行优化，我们可以考虑手工指定 shuffle 分区数量。修改代码，将 Shuffle 分区数量设置为 10。
import org.apache.spark.sql.SparkSession
import org.apache.spark.SparkConf

object AQECoalescePartitionsScala {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf = new SparkConf()
      .setMaster("local")

    //获取SparkSession，为了操作SparkSQL
    val sparkSession = SparkSession
      .builder()
      .appName("AQECoalescePartitionsScala")
      .config(conf)
      //手工指定Shuffle分区数量，默认是200
      .config("spark.sql.shuffle.partitions","10")
      //禁用AQE机制
      .config("spark.sql.adaptive.enabled","false")
      //禁用自适应调整Shuffle分区数量（其实只要禁用了AQE机制，这个参数就不用设置了）
      .config("spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled","false")
      .getOrCreate()

    //读取Json格式数据，获取DataFrame
    val jsonDf = sparkSession.read.json("D:\\temp\\spark_json_1.dat")
    //创建临时表
    jsonDf.createOrReplaceTempView("t1")
    //执行SQL语句
    //注意：这个SQL中需要有可以产生shuffle的语句，否则无法验证效果。
    //在这里使用group by语句实现shuffle效果，并且还要注意尽量在group by后面多指定几个字段，
    //否则shuffle阶段传输的数据量比较小，效果不明显。
    val sql =
    """
      |select
      |   id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |   topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |   replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |from t1
      |group by id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |         topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |         replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |""".stripMargin
    sparkSession.sql(sql).write.format("json")
      .save("D:\\temp\\coalesce_partition_"+System.currentTimeMillis())

    //让程序一直运行，这样本地的Spark任务界面就可以一直查看
    while (true){
      ;
    }
  }
}

（2）执行代码，到任务界面中查看效果。
  • 此时发现在 Stage 中产生了 10 个 Task，因为我们在代码中设置了 Shuffle 分区数量是 10，所以产生了 10 个 Task，这个是正确的。
  • 分区变小之后，整个 Stage 的执行时间也减少了很多，现在只需要执行 28 秒了，还是有很大性能提升的。

（3）但是通过手工调整有 2 个问题：
  • 手工设置的 Shuffle 分区数量不一定是最优的。
  • 针对每个 SparkSQL 任务都依赖手工调整会非常麻烦。

4，测试自适应调整 Shuffle 分区数量

（1）从 Spark 3.0 开始，引入了 AQE 机制，可以实现自适应调整 Shuffle 分区数量。
注意：默认情况下 AQE 机制是开启的，自适应调整 Shuffle 分区数量功能也是开启的。将之前添加的配置注释掉即可。
import org.apache.spark.sql.SparkSession
import org.apache.spark.SparkConf

object AQECoalescePartitionsScala {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf = new SparkConf()
      .setMaster("local")

    //获取SparkSession，为了操作SparkSQL
    val sparkSession = SparkSession
      .builder()
      .appName("AQECoalescePartitionsScala")
      .config(conf)
      //手工指定Shuffle分区数量，默认是200
      //.config("spark.sql.shuffle.partitions","10")
      //禁用AQE机制
      //.config("spark.sql.adaptive.enabled","false")
      //禁用自适应调整Shuffle分区数量（其实只要禁用了AQE机制，这个参数就不用设置了）
      //.config("spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled","false")
      .getOrCreate()

    //读取Json格式数据，获取DataFrame
    val jsonDf = sparkSession.read.json("D:\\temp\\spark_json_1.dat")
    //创建临时表
    jsonDf.createOrReplaceTempView("t1")
    //执行SQL语句
    //注意：这个SQL中需要有可以产生shuffle的语句，否则无法验证效果。
    //在这里使用group by语句实现shuffle效果，并且还要注意尽量在group by后面多指定几个字段，
    //否则shuffle阶段传输的数据量比较小，效果不明显。
    val sql =
    """
      |select
      |   id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |   topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |   replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |from t1
      |group by id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |         topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |         replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |""".stripMargin
    sparkSession.sql(sql).write.format("json")
      .save("D:\\temp\\coalesce_partition_"+System.currentTimeMillis())

    //让程序一直运行，这样本地的Spark任务界面就可以一直查看
    while (true){
      ;
    }
  }
}

（2）执行代码，到任务界面中查看效果。
  • 此时发现 Stage 中的 task 数量是 2，这个就表示经过自适应调整 Shuffle 分区数量之后，将分区数量调整成了 2 个。最终产生 2 个 Task。整个 Stage 的执行耗时为 37 秒。
  • 其中一个 task 处理 61M 的数据，另外一个 task 处理 26M 的数据。

（3）也可以到 SQL 模块中查看相关指标：


附二：自动调整分区数量依据

1，依据说明

（1）上面测试自适应调整 Shuffle 分区数量机制时，针对我们的测试数据，最终会自动调整成 2 个分区。那为什么不调整成 3 个分区呢？
（2）事实上，在自动调整分区数量的时候，会根据总的 Shuffle 数据量，参考一个分区大小的阈值来切分分区。其实就是 spark.sql.adaptive.advisoryPartitionSizeInBytes 参数。
  • 该参数默认是 64M，所以会大致参考 64M 进行切分，最终切分出来一个是 61M，一个是 26M。
提示：其实这个默认参数也没必要修改，针对海量数据的场景，按照 64M 切分也是合理的。

2，测试样例

（1）我们调整一下默认的 Shuffle 分区大小，改为 30M，看一下此时任务会产生多少个 Shuffle 分区。修改后的代码如下：
import org.apache.spark.sql.SparkSession
import org.apache.spark.SparkConf

object AQECoalescePartitionsScala {
  def main(args: Array[String]): Unit = {
    val conf = new SparkConf()
      .setMaster("local")

    //获取SparkSession，为了操作SparkSQL
    val sparkSession = SparkSession
      .builder()
      .appName("AQECoalescePartitionsScala")
      .config(conf)
      //手工指定Shuffle分区数量，默认是200
      //.config("spark.sql.shuffle.partitions","10")
      //禁用AQE机制
      //.config("spark.sql.adaptive.enabled","false")
      //禁用自适应调整Shuffle分区数量（其实只要禁用了AQE机制，这个参数就不用设置了）
      //.config("spark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled","false")
      //设置建议的分区大小
      .config("spark.sql.adaptive.advisoryPartitionSizeInBytes", "31457280b")
      .getOrCreate()

    //读取Json格式数据，获取DataFrame
    val jsonDf = sparkSession.read.json("D:\\temp\\spark_json_1.dat")
    //创建临时表
    jsonDf.createOrReplaceTempView("t1")
    //执行SQL语句
    //注意：这个SQL中需要有可以产生shuffle的语句，否则无法验证效果。
    //在这里使用group by语句实现shuffle效果，并且还要注意尽量在group by后面多指定几个字段，
    //否则shuffle阶段传输的数据量比较小，效果不明显。
    val sql =
    """
      |select
      |   id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |   topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |   replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |from t1
      |group by id,uid,lat,lnt,hots,title,status,
      |         topicId,end_time,watch_num,share_num,
      |         replay_url,replay_num,start_time,timestamp,area
      |""".stripMargin
    sparkSession.sql(sql).write.format("json")
      .save("D:\\temp\\coalesce_partition_"+System.currentTimeMillis())

    //让程序一直运行，这样本地的Spark任务界面就可以一直查看
    while (true){
      ;
    }
  }
}

（2）执行程序，到任务界面查看效果，此时发现在 Stage 中产生了 4 个 Task，耗时为 29 秒。

（3）接下来看一下每个 task 处理的大致数据量。可以看到最终产生了 3 个 28M 的分区，1 个 2M 的分区，说明我们修改的 spark.sql.adaptive.advisoryPartitionSizeInBytes 这个参数是生效了。
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