分布式计算模式之MapReduce

前言

前面文章中介绍两层调度时提到,Mesos 的第二层调度是由 Framework 完成的。这里的 Framework 通常就是计算框架,比如 Hadoop、Spark 等。用户基于这些计算框架,可以完成不同类型和规模的计算。
那么,在接下来就来介绍分布式计算技术”了。分布式领域的4 种计算模式:MapReduceStreamActor流水线

计算问题处理思想之分而治之

分而治之的基本思想是将一个复杂的、难以直接解决的大问题,分割成一些规模较小的、可以比较简单的或直接求解的子问题,这些子问题之间相互独立且与原问题形式相同,递归地求解这些子问题,然后将子问题的解合并得到原问题的解。
那么,在分布式领域,具体有哪些问题适合采用分治法呢?要回答这个问题,我们先看下适合分治法的问题具有哪些特征吧。

  • 问题规模比较大或复杂,且问题可以分解为几个规模较小的、简单的同类型问题进行求解;
  • 子问题之间相互独立,不包含公共子问题;
  • 子问题的解可以合并得到原问题的解。

这种分治的思想广泛应用于计算机科学的各个领域中,分布式领域中的很多场景和问题也非常适合采用这种思想解决,并为此设计出了很多计算框架。比如,Hadoop 中的 MapReduce。
同时,根据这些特征,我们可以推导出,采用分治法解决问题的核心步骤是:

  • 分解原问题:将原问题分解为若干个规模较小,相互独立,且与原问题形式相同的子问题;
  • 求解子问题:若子问题规模较小且容易被解决则直接求解,否则递归地求解各个子问题;
  • 合并解:就是将各个子问题的解合并为原问题的解;

分治法原理

Google 提出的 MapReduce 分布式计算模型(Hadoop MapReduce 是 Google 的开源实现),作为分治法的典型代表,最开始用于搜索领域,后来被广泛用于解决各种海量数据的计算问题。

抽象模型

如下图所示,MapReduce 分为 MapReduce 两个核心阶段:

  • Map 对应“分”,即把复杂的任务分解为若干个“简单的任务”执行;
  • Reduce 对应着“合”,即对 Map 阶段的结果进行汇总。

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在第一阶段,也就是 Map 阶段,将大数据计算任务拆分为多个子任务,拆分后的子任务通常具有如下特征:

  • 相对于原始任务来说,划分后的子任务与原任务是同质的,比如原任务是统计全国人口数,拆分为统计省的人口数子任务时,都是统计人口数;
  • 并且,子任务的数据规模和计算规模会小很多。
  • 多个子任务之间没有依赖,可以独立运行、并行计算,比如按照省统计人口数,统计河北省的人口数和统计湖南省的人口数之间没有依赖关系,可以独立、并行的统计。

第二阶段,也就是 Reduce 阶段,第一阶段拆分的子任务计算完成后,汇总所有子任务的计算结果,以得到最终结果。也就是,汇总各个省统计的人口数,得到全国的总人口数。

MapReduce 工作原理

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如上图所示,MapReduce 主要包括以下三种组件:

  • Master,也就是 MRAppMaster,该模块像一个大总管一样,独掌大权,负责分配任务,协调任务的运行,并为 Mapper 分配 map() 函数操作、为 Reducer 分配 reduce() 函数操作。
  • Mapper worker,负责 Map 函数功能,即负责执行子任务。
  • Reducer worker,负责 Reduce 函数功能,即负责汇总各个子任务的结果。
    基于这三种组件,MapReduce 的工作流程如下所示:
    在这里插入图片描述
    程序从 User Program 开始进入 MapReduce 操作流程。其中图中的“step1,step2,…,step6”表示操作步骤。
  • step1:User Program 将任务下发到 MRAppMaster 中。然后,MRAppMaster 执行任务拆分步骤,把User Program 下发的任务划分成 M 个子任务(M 是用户自定义的数值)。假设,MapReduce 函数将任务划分成了 5个,其中 Map 作业有 3 个,Reduce 作业有 2 个;集群内的MRAppMaster 以及 Worker节点都有任务的副本。
  • step2:MRAppMaster 分别为 Mapper 和 Reducer 分配相应的 Map 和 Reduce作业。Map 作业的数量就是划分后的子任务数量,也就是 3 个;Reduce 作业是 2 个。
  • step3:被分配了 Map 作业的 Worker,开始读取子任务的输入数据,并从输入数据中抽取出 <key, value> 键值对,每一个键值对都作为参数传递给 map()函数。
  • step4:map() 函数的输出结果存储在环形缓冲区 kvBuffer 中,这些 Map 结果会被定期写入本地磁盘中,被存储在 R个不同的磁盘区。这里的 R 表示 Reduce 作业的数量,也是由用户定义的。在这个案例中,R=2。此外,每个 Map结果的存储位置都会上报给 MRAppMaster。
  • step5:MRAppMaster 通知 Reducer它负责的作业在哪一个分区,Reducer 远程读取相应的 Map 结果,即中间键值对。当 Reducer把它负责的所有中间键值对都读过来后,首先根据键值对的 key 值对中间键值对进行排序,将相同 key 值的键值对聚集在一起,从而有利于Reducer 对 Map 结果进行统计。
  • step6:Reducer 遍历排序后的中间键值对,将具有相同 key值的键值对合并,并将统计结果作为输出文件存入负责的分区中。

从上述流程可以看出,整个 MapReduce 的工作流程主要可以概括为 5 个阶段,即:Input(输入)Splitting(拆分)Mapping(映射)、**Reducing(化简)**以及 Final Result(输出)。所有 MapReduce 操作执行完毕后,MRAppMaster 将 R 个分区的输出文件结果返回给 User Program,用户可以根据实际需要进行操作。比如,通常并不需要合并这 R 个输出文件,而是将其作为输入交给另一个 MapReduce 程序处理。

MapReduce 实践应用

接下来通过一个电商统计用户消费记录的例子,进一步加深一下对MapReduce 功能的理解。
每隔一段时间,电商都会统计该时期平台的订单记录,从而分析用户的消费倾向。在不考虑国外消费记录的前提下,全国范围内的订单记录已经是一个很大规模的工程了。在前面的文章中我也提到过,电商往往会在每个省份、多个城市分布式地部署多个服务器,用于管理某一地区的平台数据。因此,针对全国范围内的消费统计,可以拆分成对多个省份的消费统计,并再一次细化到统计每一个城市的消费记录。
为方便描述,假设我们现在要统计苏锡常地区第二季度手机订单数量 Top3 的品牌。我们来看看具体的统计步骤吧。

  1. 任务拆分(Splitting 阶段)。根据地理位置,分别统计苏州、无锡、常州第二季度手机订单 Top3 品牌,从而将大规模任务划分为 3 个子任务。
  2. 通过循环调用 map() 函数,统计每个品牌手机的订单数量。其中,key 为手机品牌,value 为手机购买数量(单位:万台)。如下图 Mapping 阶段所示(为简化描述,图中直接列出了统计结果)。
  3. 与前面讲到的计算流程不同的是,Mapping 阶段和 Reducing 阶段中间多了一步 Shuffling 操作。Shuffling 阶段主要是读取 Mapping 阶段的结果,并将不同的结果划分到不同的区。在大多数参考文档中,Mapping 和 Reducing 阶段的任务分别定义为映射以及归约。但是,在映射之后,要对映射后的结果进行排序整合,然后才能执行归约操作,因此往往将这一排序整合的操作单独放出来,称之为 Shuffling 阶段。
  4. Reducing 阶段,归并同一个品牌的购买次数。得到苏锡常地区第二季度 Top3 品牌手机的购买记录。

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由上述流程可以看出,Map/Reduce 作业和 map()/reduce() 函数是有区别的:

  • Map 阶段由一定数量的 Map 作业组成,这些 Map 作业是并发任务,可以同时运行,且操作重复。Map 阶段的功能主要由 map() 函数实现。每个 Map 作业处理一个子任务(比如一个城市的手机消费统计),需要调用多次 map() 函数来处理(因为城市内不同的居民倾向于不同的手机)。
  • Reduce 阶段执行的是汇总任务结果,遍历 Map 阶段的结果从而返回一个综合结果。与 Reduce 阶段相关的是 reduce() 函数,它的输入是一个键(key)和与之对应的一组数据(values),其功能是将具有相同 key 值的数据进行合并。Reduce 作业处理一个分区的中间键值对,期间要对每个不同的 key 值调用一次 reduce() 函数。在完成 Map 作业后,每个分区中会存在多个临时文件;而执行完 Reduce 操作后,一个分区最终只有一个输出文件。

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