Spark2.2任务提交运行机制及源码解析

源码版本：2.2

参考《Spark内核机制解析及性能调优》

如有错误请指正

一、Spark运行的核心概念

Spark调度器的设计体现得非常简洁清晰和高效，其输入是Spark RDD，输出是Spark执行器(Executor)。正是Spark调度器的设计思想极大地区分出了基于MapReduce模型的Hadoop和基于DAG模型的Spark。

主要内容包括Spark运行核心概念，Spark Driver Program剖析，Spark作业（Job）的触发，高层DAG调度器（DAGScheduler），底层的Task调度器（TaskScheduler）和调度器的通信终端（Scheduler-Backend）。 

1.1 Spark运行的基本对象

RDD是Spark运行的基本对象。

RDD是一种数据模型，与分布式的共享内存类似，RDD具有以下几个特征

1. 是只读的内存数据，但可以持久化
2. 是可以分区的数据集合
3. 是一个对象，可以调用它的方法执行一些变换操作(Transformation)，如flapMap、filter等
4. 是可恢复。与数据多副本的备份方式不同，RDD的恢复可以通过重复执行变换操作(Transformation)得到

有下列两种方式可以创建RDD

1. 从持久化的数据上创建，如硬盘和HDFS上的文件
2. 从其他RDD上通过变换Transformation操作创建

1.2 Spark运行框架及各组件的基本运行原理

二、Spark Driver Program剖析

2.1 什么是Spark Driver Program

Driver是运行Application的Main函数，并且新建SparkContext实例的程序。

初始化SparkContext是为了准备Spark应用程序的环境，在Spark中由SparkContext负责与集群进行通信、资源的申请，以及任务的分配和监控等。

当Worker节点中的Executor运行完Task后，Driver同时负责将SparkContext关闭，通常也可以使用SparkContext来代表驱动程序。 

2.2 SparkContext原理剖析

SparkContext是用户通往Spark集群的唯一入口，可以用来在Spark集群中创建RDD、累加器Accumulator和广播变量Braodcast Variable。

SparkContext 也是整个Spark应用程序中至关重要的一个对象，可以说是整个应用运行调度的核心(不是指资源调度)。

SparkContext在实例化的过程中会初始化DAGScheduler、TaskScheduler和SchedulerBackend，而当RDD的action出发了作业Job之后，

SparkContext会调用DAGScheduler将整个Job划分成几个小的阶段(Stage),TaskScheduler会调度每个Stage的任务(Task)应该如何处理。另外，SchedulerBackend管理整个集群中为这个当前的应用分配的计算资源(Executor). 

2.3 SparkContext源码解析 （2.2中被SparkSession取代）

2.3.1构造函数

SparkContext提供了多种不同的构造函数

1. 默认构造函数， 完全以系统配置作为参数进行初始化，例如，通过./bin/spark-submit提交任务

    2.  提供master url和应用名称进行初始化

    3.  提供master url，appname，sparkhome，jars和环境变量

等等

2.3.2成员变量

成员变量都是私有的，SparkContext另外提供了一系列的方法允许外界进行访问

SparkContext中比较重要的成员：

SchedulerBackend

TaskScheduler

DAGScheduler 

2.3.3初始化和校验

1. 初始化异步监听bus

监听spark事件，用于SparkUI的跟踪管理

    2.  创建spark环境变量

    3.  启动心跳接收器

在创建taskScheduler之间需要先注册HeartbeatReceiver，因为Executor在创建时回去检索HeartbeatReceiver

    4.  创建SchedulerBackend、TaskScheduler、DAGScheduler

    5.  启动TaskScheduler

在TaskScheduler被DAGScheduler引用后，就可以进行启动

    6. pos init

2.3.4方法相关

1. RDD相关
2. Accumulator相关
3. Job相关
4. Cluster相关
5. 缓存相关

三、Spark Job的触发

3.1 Job的执行逻辑

典型的Job逻辑执行有下列四个步骤

1. 从数据源（本地File，内存数据结构，HDFS，HBase等）读取数据，创建最初的RDD
2. 对RDD进行一系列的transformation（）操作，每一个transformat会产生一个或多个包含不同类型T的RDD[T]

T可以是Scala里的基本类型或数据结构，不限于（K,V）。但如果是（K,V），K不能是Array等复杂类型（因为难以在复杂类型上定义partition函数）

1. 队最后的final RDD进行action()操作，每个partition计算后产生结果Result
2. 将Result回送到Driver端，进行最后的f(list[result])计算。

3.2 Job具体的物理执行

Spark Application里可以产生1个或者多个Job，程序中一般而言可以有不同的Action，每一个Action一般也会触发一个Job.

有了Job的逻辑执行图后，如何合理划分Stage，并确定Task的类型和个数?

基于Pipeline的思想：数据用的时候再算，而且数据是流到要计算的位置的。我们可以将整个流程图看成一个Stage，为最后一个finalRDD中的每个partition分配一个Task。

Spark算法构造和物理执行时最基本的核心：最大化Pipeline。

整体流程：整个Computing Chain根据数据依赖关系自后向前建立，遇到ShuffleDependency后形成Stage。在每个Stage中，每个RDD的compute（）调用parentRDD.iter（）来将parent RDD中的Record一个个fetch过来。

stage内部计算的逻辑是完全一样的，只是计算的数据不同而已。 

3.3 Job触发流程源代码解析

3.3.1 SparkContext提交Job

runJob有多个重载方法，下面是一个最典型的

触发针对一个RDD的所有partition的计算，并将处理结果返回在一个数组里 

调用runJob的重载方法

触发一个在RDD的给定partition上运行的Job，并将处理结果返回在一个数组里 

在这个方法里首先会针对func调用一个clean，目的是针对传输的闭包进行清理，保证func可以正常序列化发送到task上

然后再调用一个重载方法

这里的ctx是从哪里来的???这是什么语法   ctx到底是从哪里来的。。。

重载方法如下

方法里的index是从哪里来的???

构造出result集合,最后一次进入SparkContext 中runJob的另一个同名重载方法，构造出了result handler函数

触发一个Job处理一个RDD的指定部分的partition，并把处理结果给指定的handler函数，这是Spark的所有Action 的主入口 

向高层调度器DAGScheduler提交Job，从而获得执行结果

3.3.2 DAGScheduler接收Job

3.3.2.1 DAGScheduler实例化

DAGScheduler是在SparkContext中实例化的，相关实例化代码如下

3.3.2.2 DAGScheduler提交Job

RDD的action操作会调用SparkContext中的runJob方法，SparkContex的runJob方法最终会调用自身维护的已经实例化过的DAGScheduler的runJob

DAGScheduler的runJob方法，会先调用submitJob方法构造一个JobWaiter对象（干嘛的?就是一个future）,在submitJob方法，真正执行提交job操作

1. 先校验partition是否有不合理partition
2. 获取递增的jobId
3. 构造新的JobWaiter对象，JobWaiter对象等待DAGScheduler 任务完成，任务结束时，它会将task的结果传递给result handler
4. 提交一个JobSubmitted任务给eventProcessLoop

eventProcessLoop是一个DAGSchedulerEventProcessLoop，它的父类是EventLoop

EventLoop接收事件，放在队列中，不断从队列中获取新事件，进行处理

DAGSchedulerEventProcessLoop重写了onReceive，定义了对于不同事件的不同处理形式

不同Job的处理方式如下：

1. JobSubmitted =》 handleJobSubmitted
2. MapStageSubmitted =》handleMapStageSubmitted
3. StageCancelled =》 handleStageCancellation
4. JobCancelled =-》 handleJobCancellation
5. JobGroupCancelled =》handleJobGroupCancelled
6. AllJobsCancelled =》 doCancelAllJobs
7. ExecutorAdded =》 handleExecutorAdded
8. ExecutorLost =》handleExecutorLost
9. BeginEvent =》 handleBeginEvent
10. GettingResultEvent =》 handleGetTaskResult
11. CompletionEvent =》handleTaskCompletion
12. TaskSetFailed =》handleTaskSetFailed
13. ResubmitFailedStages =》resubmitFailedStages

可以看出，这里不仅是处理RDD的action操作，还处理了所有的执行流程相关事件

 

3.3.2.3 DAGScheduler划分Stage

这里主要分析一下JobSubmitted事件 handleJobSubmitted

处理步骤：

1. 创建finalStage，获取所有依赖的Parent Stage列表，以及ResultStage的Stage ID

    2. 创建Job

    3. 将job设置到stage中

    4. 设置监听事件，提交stage

提交stage，根据RDD的依赖关系，递归提交所有的Stage，实际提交Stage时，调用的是submitMissingTasks

    5. 提交Task  submitMissingTasks

submitMissingTasks 方法中体现了利用RDD的本地性来得到Task的本地性，从而获取Stage内部Task的最佳位置。通过调用getPreferredLocs方法得到Task的最佳位置，并把结果存放到taskIdToLocations Map中方便调用。

submitMissingTasks中调用了getPreferredLocs方法来获取数据本地化信息

调用方法getPreferredLocsInternal

调用方法getPreferredLocsInternal

处理流程

1. 检查数据是否在之前的迭代中已经被访问过了，没有必要重复访问

      2.  检查数据是否cache，如果有，直接返回

      3.  检查内存数据结构中是否存在当前partition的数据本地信息，如果有，直接返回

      4.  如果RDD有窄依赖，判断RDD本身是否有首选地址，如有，就用来构造TaskLocation并返回

3.3.3 TaskScheduler接收Task

3.3.3.1 TaskScheduler实例化

TaskScheduler的实例化发生在SparkContext实例化过程中

具体实例化时会根据当前启动模式进行选择如何初始化TaskSchedulerImpl和SchedulerBackend

3.3.3.2 TaskScheduler初始化

    TaskScheduler的初始化过程其实就是在实现类TaskSchedulerImpl的initialize方法中，初始化过程中会设置对SchedulerBackend对象的引用，实例化SchedulerBuilder具体实现类的对象用来创建和管理TaskSetManager池。

TaskSchedulerImpl中默认的调度模式是FIFO

初始化过程initailize会设置对SchedulerBackend对象的引用，根据调度模式，初始化ScheduleBuiler

然后开始构建不同SchedulableBuilder的Pool 

FIFO的buildPools实现为空

FAIR的buildPools实现如下，啊？看不懂目的

3.3.3.3 TaskScheduler启动

TaskScheduler实例对象在DAGScheduler实例化后启动，并且TaskScheduler启动的过程由TaskSchedulerImpl具体实现。在启动过程中，主要是调用SchedulerBackend的启动方法，然后对不是本地部署模式并且开启任务的推测执行？？？（设置spark.speculation为true）情况，根据配置判断是否周期性地调用TaskSetManager的checkSpeculatable方法检测任务的推测执行？？？、   

    SparkDeploySchedulerBackend的start方法最终会注册应用程序AppClient。 

创建完Scheduler之后执行TaskScheduler的启动

TaskSchedulerImpl中的start方法直接调用了backend.start，但只有在standalone模式下才会调用

3.3.3.4 TaskScheduler提交任务

 TaskSchedulerImpl启动后，就可以接收DAGScheduler的submitMissingTasks方法提交过来的TaskSet进行进一步处理了。

    对于ShuffleMapStage类型的Stage，DAGScheduler初始化一组ShuffleMapTask实例对象；对于ResultStage类型的Stage，DAGScheduler初始化一组ResultTask实例对象。   怎么区分的stage类型？？？

    最后，DAGScheduler将这组ResultTask实例对象封装成TaskSet实例对象提交给TaskSchedulerImpl

    注意，ShuffleMapTask是根据Stage所依赖的RDD的partition分布产生跟partition数量相等的Task，这些Task根据partition的本地性分布在不同的集群节点；ResultTask负责输出整个Job的结果。

DAGScheduler.submitMissingTasks流程

1. 区分stage类型ShuffleMapStage，生成新的StageStatus
2. 区分stage类型，查看数据资源位置信息
3. 区分stage类型，将task进行序列化，广播出去
4. 区分stage类型，创建一组ShuffleMapTask/ ResultTask实例对象

TaskSchedulerImpl.submitTasks

TaskSchedulerImpl在submitTasks中初始化一个TaskSetManager，并通过SchedulerBuilder对其进行生命周期管理，最后调用SchedulerBackend的reviveOffers方法进行TaskSet所需资源的分配。在TaskSet得到足够的资源后，在SchedulerBackend的launchTasks方法中将TaskSet中的Task一个个地发送到Executor中去执行。 

 

四、高层的DAGScheduler

4.1 DAGScheduler的定义

2.2章节中介绍了RDD DAG构建了RDD的数据流，即RDD的各个分区数据是从哪里来的，还进一步分析了RDD DAG的生成机制和RDD DAG的逻辑视图。

RDD DAG还构建了基于数据流之上的操作算子流，即RDD的各个分区的数据总共会经过哪些Transformation和Action这两种类型的一系列操作的调度运行，从而RDD先被Transformation操作转换为新的RDD，然后被Action操作将结果反馈到Driver Program或存储到外部存储系统上。

    上面提到的一系列操作的调度运行其实是DAG提交给DAGScheduler来解析完成的，DAGScheduler是面向Stage的高层级的调度器，DAGScheduler把DAG拆分成很多Tasks，每组Tasks都是一个Stage。解析时是以Shuffle为边界反向解析构建Stage，每当遇到Shuffle就会产生新的Stage，然后以一个个TaskSet的形式提交给底层调度器TaskScheduler。另外，DAGScheduler需要记录哪些RDD被存入磁盘等物化动作，同时要寻求Task的最优化调度，如在Stage内部数据的本地性等。DAGScheduler还需要监视因为Shuffle跨节点输出可能导致的失败，如果发现这个Stage失败，可能就要重新提交该Stage。

    概念说明：

1. Stage：一个Job需要拆分成多组任务来完成，每组任务由Stage封装。跟一个Job的所有涉及的partitionRDD类似，Stage之间也有依赖关系
2. TaskSet：一组任务就是一个TaskSet，对应一个Stage，其中，一个TaskSet的所有Task之间没有Shuffle依赖，因此互相之间可以并行运行
3. Task：一个独立的工作单元，由Driver Program发送到Executor上去执行，通常情况下，一个Task处理RDD的一个Partition的数据。根据Task返回类型的不同，Task又分为ShuffleMapTask和ResultTask。

4.2 DAGScheduler的实例化

参考

4.3 DAGScheduler划分Stage的原理

从后往前，根据是否需要Shuffle来划分Stage

4.4 DAGScheduler划分Stage的具体算法

RDD的Action操作算子如count会触发一个Spark Job，其实是RDD的count方法调用了SparkContext的runJob方法。然后，在SparkContext的runJob方法中调用3次重载的runJob方法。最后被调用的重载runJob方法中调用了DAGScheduler的runJob方法，从而进入DAGScheduler的源代码。

    在DAGScheduler的源代码中，DAGScheduler的runJob方法中调用submitJob方法。submitJob方法中最重要的是创建一个JobWaiter对象，以及创建JobSubmitted事件对象把JobWaiter对象发送给DAGScheduler的内嵌类DAGSchedulerEventProcessLoop对象实例，DAGSchedulerEventProcessLoop在doOnReceive方法中反过来调用了DAGScheduler中实现划分Stage算法很关键的handleJobSubmitted方法。

DAGScheduler的handleJobSubmitted方法中调用了newResultStage方法，newResultStage方法根据finalRDD创建finalStage，这时便真正开始了Stage的划分。DAGScheduler的handleJobSubmitted方法中最后调用submitStage方法，根据RDD的依赖的关系，递归提交所有的Stage。

    DAGScheduler的getShuffleDependencies方法是划分Stage的核心实现。在该方法中，Stage的划分由最后一个Rsult Stage开始，从后往前回溯边划分边创建。给定的RDD会先被压入Stack，以便被逐个访问。对每个被访问的RDD，判断其Dependency是否是ShuffleDependency宽依赖，如果是，就调用getShuffleMapStage方法获取或创建Stage，并放到一个临时的HashSet中，便于统一最后转为列表返回；如果不是，就把Dependency的RDD也压入Stack中，继续判断该RDD的Denpendency，该方法的结束标志是Stack中所有压入的临时RDD都被访问过。

    Stage划分完成后，DAGScheduler就会回到HandleJobSubmitted方法中调用submitStage方法。在submitStage方法中，从finalStage开始回溯，直到没有Parent Stage为止，提交整个Job的所有Stage，在某一个Stage，DAGScheduler会调用submitMissingTasks方法把Tasks提交给TaskScheduler进行细粒度的Task调度。

JobWaiter    JobSubmitted  DAGSchedulerEventProcessLoop   handleJobSubmitted 

4.5 Stage内部Task获取最佳位置的算法

五、底层的Task调度器TaskScheduler

TaskScheduler的核心任务是提交TaskSet到集群运算并汇报结果。

1. 为TaskSet创建和维护一个TaskSetManager，并追踪任务的本地性以及错误信息
2. 遇到Straggle任务会放到其他节点进行重试
3. 向DAGScheduler汇报执行情况，包括在Shuffle输出丢失时报告fetch failed错误等信息

5.1 TaskScheduler原理剖析

DAGScheduler将划分的一系列Stage（每个Stage封装一个TaskSet），按照Stage的先后顺序依次提交给底层的TaskScheduler去执行。

    DAGScheduler在SparkContext实例化时，TaskScheduler和SchedulerBackend就已经先在SparkContext的createTaskScheduler方法中创建出实例对象了。

    TaskSchedulerImpl在createTaskScheduler方法中实例化后，就立即调用自己的initialize方法把SparkDeploySchedulerBackedn的实例对象传进来，从而赋值给TaskSchedulerImpl的backend。在TaskScheduler的initialize方法中，根据调度模式的配置创建实现了SchedulerBuilder接口的相应实例对象，并且创建的对象会立即调用buildPools创建相应数量的Pool存放和管理TaskManager的实例对象。

1. FIFOSchedulableBuilder
2. FairSchedulableBuilder

在createTaskScheduler方法返回后，TaskSchedulerImpl通过DAGScheduler的实例化过程设置DAGScheduler的实例对象，然后调用自己的start方法，在SparkDeploySchedulerBackend的start方法中会最终注册应用程序AppClient。TaskSchedulerImpl的start方法中还会根据配置判断是否周期地检测任务的推测执行。

    TaskScheduler启动后，就可以接收DAGScheduler的submitMissingTasks方法提交过来的TaskSet进行进一步处理。TaskSchedulerImpl在submitTasks中初始化一个TaskSetManager对其进行生命周期管理，当TaskSchedulerImpl得到Worker节点上的Executor计算资源时，会通过TaskManager来发送具体的Task到Executor上执行计算。

    如果Task执行过程中有错误导致失败，会调用TaskSetManager来处理Task失败的情况，进而通知DAGScheduler结束当前的Task。TaskSetManager会将失败的Task再次添加到待执行的Task队列中。Task的默认失败次数是4次。

    如果Task执行完毕，执行的结果会反馈给TaskManager，由TaskManager通知DAGScheduler。DAGScheduler根据是否还存在待执行的Stage，继续迭代提交对应的TaskSet给TaskScheduler去执行，或者输出Job的结果。 

5.2 TaskScheduler源代码解析

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六、调度器的通信终端SchedulerBackend

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