MapReduce框架原理

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一、InputFormat数据输入

1. 切片与MapTask并行度决定机制

数据切片只是在逻辑上对输入进行分片，并不会在磁盘上将其切分成片进行存储。实际存储在磁盘上，还是按照HDFS将数据分成一个一个Block进行存储。
MapTask的并行速度决定Map阶段的任务处理并发度，进而影响到整个Job的处理速度。

决定机制原理

• 当切片大小为100M时，不同节点之间需要数据传输，耗费大量IO，不高效；
• 当切分时，只针对单个文件进行切分，不考虑文件之间的大小；
• MapTask的数量由切片数量决定，切片的大小默认是块大小。

2. Job提交流程源码解析

Job提交流程源码解析

waitForCompletion();

// 1 建立连接
connect();
  // 1.1 创建提交Job的代理
  new Cluster(getConfiguration());
  // 1.2 判断是本地yarn还是远程yarn
  initialize(jobTrackAddr, conf);

// 2 提交job
submitter.submitJobInternal(Job.this, cluster)
  // 2.1 创建给集群提交数据的Stag路径
  Path jobStagingArea = JobSubmissionFiles.getStagingDir(cluster, conf);
  // 2.2 获取jobid，并创建Job路径
  JobID jobId = submitClient.getNewJobID();
  // 2.3 拷贝jar包到集群
  copyAndConfigureFiles(job, submitJobDir);
  rUpLoader.uploadFiles(job, jobSubmitDir);
  // 2.4 计算切片，生成切片规划文件
  writeSplits(job, submitJobDir);
  maps = writeNewSplits(job, jobSubmitDir);
  input.getSplits(job);
  // 2.5 向Stag路径写XML配置文件
  writeConf(conf, submitJobFile);
  conf.writeXml(out);
  // 2.6 提交Job，返回提交状态
  status = submitClint.submitJob(jobId, submitJobDir.toString(), job.getCredentials());

3. FileInputFormat切片机制

• 根据计算公式，切片大小默认为块大小，本地模式切片大小为32M；
• 公式中，默认minSize=1，maxSize=Long.MAXValue；
• 切片大小设置：maxSize调的小于blockSize，则切片会变小。minSize调的比blockSize大，则可以让切片变大；
• MrAppMaster根据切片数量计算MapTask个数；
• 获取切片的文件名：
  String name = inputSplit.getPath().getName();
• 根据文件类型获取切片信息：
  FileSplit inputSplit = (FileSplit) context.getInputSplit();

4. CombineTextInputFormat切片机制

框架默认的TextInputFormat切片机制是对任务按照文件进行切片，当有大量小文件时，就会产生大量的MapTask，处理效率及其低下。

CombineTextFormat用于小文件过多的场景，从逻辑上将多个小文件规划到一个切片中，交给一个MapTask处理。

• 虚拟存储切片最大值可以任意设置，但是要根据实际的小文件大小来具体设置：
  combineTextFormat.setMaxInputSplitSize(job, 4194304); // 4M
• 主要分为两个过程：虚拟存储过程和切片过程。
• 当存储时当文件大于4M，会判断是否比2*4M大。
• 在实际使用时，需要处理很多小文件时，可以按如下操作，在Driver类中增加如下信息：

// 如果不设置InputFormat，默认是TextInputFormat.class
job.setInputFormatClass(CombineTextInputForamt.class);
// 设置虚拟存储切片最大值
CombineTextInputFormat.setMaxInputSplitSize(job, 4194304);

5. FileInputFormat实现类

在运行MapReduce程序时，针对不同格式的输入文件，MapReduce是如何读取这些数据的？

FileInputFormat常见的接口实现类包括：

• TextInputFormat
• KeyValueTextInputFormat
• NLineInputFormat
• CombineTextInputFormat
• 自定义的InputFormat

5.1 TextInputFormat

TextinputFormat是默认的FileInputFormat实现类。按行读取每条记录，健是存储该行在整个文件中的起始字节偏移量，LongWritable类型。值是这行的内容，不包括任何终止符（换行，回车等），Text类型。

5.2 KeyValueTextInputFormat

每一行均为一条记录，被分割符分割为key和value，默认的分割符是"\t"。可以在驱动类中进行设置：
conf.set(KeyValueLineRecoredReader,KEY_VALUE_SEPERATOR, "\t");
此时的key是每行排在分割符之前的Text序列。

5.3 NLineInputFormat

如果使用NLineInpurFormat，代表每个MapTask进程处理的InputSplit不再按照Block块去切分，而是按照NLineInputFormat指定的行数N来切分。
，如果不整除，。
此时的key-value与TextInputFormat生成的一样。可以在驱动类中进行设置：
NLineInputFormat.setNumLinesPerSplit(job, 3);

5.4 自定义InputFormat

具体步骤：
1）自定义一个类继承FileInputFormat；
2）改写RecordReader，实现自定义读取并封装为key-value；
3）在输出时使用SequenceFileOutPutFormat输出合并文件。

SequenceFile文件是Hadoop用来存储二进制形式的key-value对的文件格式，文件路径+文件名为key，文件内容为value。

自定义InputFormat案例：

实现步骤

代码实现：
WholeFileInputFormat.java

package Inputformat;

import org.apache.hadoop.io.BytesWritable;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.InputSplit;
import org.apache.hadoop.mapreduce.RecordReader;
import org.apache.hadoop.mapreduce.TaskAttemptContext;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileInputFormat;

import java.io.IOException;

public class WholeFileInputFormat extends FileInputFormat<Text, BytesWritable> {

    @Override
    public RecordReader<Text, BytesWritable> createRecordReader(InputSplit split, TaskAttemptContext context) throws IOException, InterruptedException {

        WholeRecordReader recordReader = new WholeRecordReader();
        recordReader.initialize(split, context);

        return recordReader;
    }
}

WholeRecordReader.java

package Inputformat;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.FSDataInputStream;
import org.apache.hadoop.fs.FileSystem;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.BytesWritable;
import org.apache.hadoop.io.IOUtils;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.InputSplit;
import org.apache.hadoop.mapreduce.RecordReader;
import org.apache.hadoop.mapreduce.TaskAttemptContext;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileSplit;

import java.io.IOException;

public class WholeRecordReader extends RecordReader<Text, BytesWritable> {

    FileSplit split;
    Configuration configuration;
    Text k = new Text();
    BytesWritable v = new BytesWritable();
    boolean isProgress = true;

    // 初始化
    @Override
    public void initialize(InputSplit split, TaskAttemptContext context) throws IOException, InterruptedException {
        this.split = (FileSplit) split;
        configuration = context.getConfiguration();
    }

    // 核心的业务逻辑
    @Override
    public boolean nextKeyValue() throws IOException, InterruptedException {

        if (isProgress) {
            byte[] buf = new byte[(int) split.getLength()];

            // 1 获取Fs对象
            Path path = split.getPath();
            FileSystem fs = path.getFileSystem(configuration);

            // 2 获取输入流
            FSDataInputStream fis = fs.open(path);

            // 3 拷贝
            IOUtils.readFully(fis, buf, 0, buf.length);

            // 4 封装v
            v.set(buf, 0, buf.length);

            // 5 封装k
            k.set(path.toString());

            // 6 关闭资源
            IOUtils.closeStream(fis);

            isProgress = false;

            return true;
        }

        return false;
    }

    public Text getCurrentKey() throws IOException, InterruptedException {
        return k;
    }

    public BytesWritable getCurrentValue() throws IOException, InterruptedException {
        return v;
    }

    public float getProgress() throws IOException, InterruptedException {
        return 0;
    }

    public void close() throws IOException {

    }
}

完成相应的Mapper和Reducer类，并在Driver中增加两句：

// 4 设置输入的InputFormat
job.setInputFormatClass(WholeFileInputFormat.class);

// 5 设置输出的OutputFormat
job.setOutputFormatClass(SequenceFileOutputFormat.class);

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二、Shuffle机制

Map方法之后，Reduce方法之前的数据处理过程称之为Shuffle。

1. Partition分区

分区就是将计算结果按照条件输出到不同文件中。比如按照手机号归属地将不同省份输出到不同文件中。

1.1系统默认的分区是Hash分区：

public class Hashpartitioner<K, V> extends Partitioner<K, V> {
  public int getPartition(K key, V value, int numReduceTasks) {
    return (key.hasCode() & Integer.MAX_VALUE) % numReduceTasks;
  }
}

• 默认分区是根据key的HashCode对ReduceTasks个数取模得到的；
• 用户没法控制那个Key存储到那个分区。

1.2 自定义Partition分区

自定义步骤：

案例实现：

按照手机号前三位将统计结果写入到不同的文件。

自定义Partition类ProvincePartitioner.java

package Flowsum;

import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Partitioner;

public class ProvincePartitioner extends Partitioner<Text, FlowBean> {

    @Override
    public int getPartition(Text key, FlowBean value, int numPartitions) {

        // 1 获取手机号前三位
        String prePhoneNum = key.toString().substring(0, 3);

        int partition = 3;
        if ("136".equals(prePhoneNum)) {
            partition = 0;
        }else if ("137".equals(prePhoneNum)) {
            partition = 1;
        }else if ("138".equals(prePhoneNum)) {
            partition = 2;
        }
        
        return partition;
    }
}

编写Mapper和Reducer，在Driver类中增加如下代码：

// 5 设置Partition分区
 job.setPartitionerClass(ProvincePartitioner.class);
 job.setNumReduceTasks(4);

• 在定义分区时，分区号一定要严格按照顺序从0开始；
• 在设置分区数时：
  当忘记设置或者设置为1，则最终只会产生一个文件，程序会将所有的分区数据统统写入一个文件；
  当设置的分区数在1和实际分区数之间会报错（IO异常）；
  当设置的分区数大于实际分区数，会生成期待的结果，但是会多出超出分区个数个空文件，因为实际运行中，没有对应的数据传给多余的ReduceTask。

1.3 WritableComparable排序

排序是MapReduce中的重要操作。

MapTask和ReduceTask均会对数据按照key进行排序 ，属于Hadoop的默认行为。默认排序是按照字典顺序排序，且实现该排序的方法是快速排序。

MapReduce排序分类：

自定义排序：
bean对象作为key传输，需要实现WritableComparable接口重写compareTo方法，就可以实现排序。

示例编写：

按照电话所属区将统计数据存储到不同的文件中，并在每个文件中实现按总流量的逆序。

重写编写FlowBean.java

package Sort;

import org.apache.hadoop.io.WritableComparable;

import java.io.DataInput;
import java.io.DataOutput;
import java.io.IOException;

public class FlowBean implements WritableComparable<FlowBean> {

    private long upFlow;
    private long downFlow;
    private long sumFlow;

    public FlowBean() {
        super();
    }

    public FlowBean(long upFlow, long downFlow) {
        this.upFlow = upFlow;
        this.downFlow = downFlow;
        sumFlow = upFlow + downFlow;
    }

    // 核心的比较
    public int compareTo(FlowBean bean) {

        int result;

        if (sumFlow > bean.getSumFlow()) {
            result = -1;
        }else if(sumFlow < bean.getSumFlow()) {
            result = 1;
        }else{
            result = 0;
        }

        return result;
    }

    // 序列化方法
    public void write(DataOutput out) throws IOException {
        out.writeLong(upFlow);
        out.writeLong(downFlow);
        out.writeLong(sumFlow);
    }

    // 反序列化方法
    public void readFields(DataInput in) throws IOException {
        upFlow = in.readLong();
        downFlow = in.readLong();
        sumFlow = in.readLong();
    }

    public long getUpFlow() {
        return upFlow;
    }

    public void setUpFlow(long upFlow) {
        this.upFlow = upFlow;
    }

    public long getDownFlow() {
        return downFlow;
    }

    public void setDownFlow(long downFlow) {
        this.downFlow = downFlow;
    }

    public long getSumFlow() {
        return sumFlow;
    }

    public void setSumFlow(long sumFlow) {
        this.sumFlow = sumFlow;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return upFlow + "\t" + downFlow + "\t" + sumFlow;
    }
}

• 此时，要继承WritableComparable类；
• 重写compareTo方法，这是排序比较的核心；

编写Mapper类，FlowCountSortMapper.java

package Sort;

import org.apache.hadoop.io.LongWritable;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Mapper;

import java.io.IOException;

public class FlowCountSortMapper extends Mapper<LongWritable, Text, FlowBean, Text> {

    FlowBean k = new FlowBean();
    Text v = new Text();

    @Override
    protected void map(LongWritable key, Text value, Context context) throws IOException, InterruptedException {

        // 1 获取一行
        String line = value.toString();

        // 2 拆分
        String[] fields = line.split("\t");

        // 3 封装
        k.setUpFlow(Long.parseLong(fields[1]));   // 流量作为key
        k.setDownFlow(Long.parseLong(fields[2]));
        k.setSumFlow(Long.parseLong(fields[3]));

        v.set(fields[0]);  // 电话号码作为Value

        // 3 写出
        context.write(k, v);
    }
}

• 需要对数据按照总流量排序，所以Map阶段结束后的key应该是Flowbean对象，value为电话号码.

编写Reducer类，FlowCountSortReducer.java

package Sort;

import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Reducer;

import java.io.IOException;

public class FlowCountSortReducer extends Reducer<FlowBean, Text, Text, FlowBean> {

    @Override
    protected void reduce(FlowBean key, Iterable<Text> values, Context context) throws IOException, InterruptedException {

        for (Text value : values) {
            context.write(value, key);
        }
    }
}

• 排序结束后，生成的数据还是按照电话，流量展示，所以此时输出的key为电话号码，value为FlowBean。

编写Partition类，ProvincePartitioner.java

package Sort;

import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Partitioner;

public class ProvincePartitioner extends Partitioner<FlowBean, Text> {

    public int getPartition(FlowBean flowBean, Text text, int numPartitions) {

        String prePhoneNum = text.toString().substring(0, 3);

        int partition = 3;

        if ("136".equals(prePhoneNum)) {
            partition= 0;
        }else if ("137".equals(prePhoneNum)) {
            partition = 1;
        }else if ("138".equals(prePhoneNum)) {
            partition = 2;
        }

        return partition;
    }
}

• 在Reducer阶段，需要将不同所属区的数据写入不同文件，此时需要对数据进行Partition分区。

编写驱动类，FlowCountSortDriver.java

package Sort;

import org.apache.hadoop.conf.Configuration;
import org.apache.hadoop.fs.Path;
import org.apache.hadoop.io.Text;
import org.apache.hadoop.mapreduce.Job;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.input.FileInputFormat;
import org.apache.hadoop.mapreduce.lib.output.FileOutputFormat;

import java.io.IOException;

public class FlowCountSortDriver {

    public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException, InterruptedException {

        Configuration conf = new Configuration();
        Job job = Job.getInstance(conf);

        job.setJarByClass(FlowCountSortDriver.class);
        job.setMapperClass(FlowCountSortMapper.class);
        job.setReducerClass(FlowCountSortReducer.class);

        job.setPartitionerClass(ProvincePartitioner.class);
        job.setNumReduceTasks(4);

        job.setMapOutputKeyClass(FlowBean.class);
        job.setMapOutputValueClass(Text.class);

        job.setOutputKeyClass(Text.class);
        job.setOutputValueClass(FlowBean.class);

        FileInputFormat.setInputPaths(job, new Path(args[0]));
        FileOutputFormat.setOutputPath(job, new Path(args[1]));

        job.waitForCompletion(true);
    }
}