MapReduce的架构及原理

MapReduce是一种分布式计算模型，是Hadoop的主要组成之一，承担大批量数据的计算功能。MapReduce分为两个阶段：Map和Reduce。

一、MapReduce的架构演变

客户端向JobTracker提交一个作业，JobTracker会把这个作业拆分成多份，然后分配给TaskTracker(任务执行者)执行，TaskTracker会每隔一段时间向JobTracker发送心跳信息，如果JobTracker在一段时间内没有收到TaskTracker的心跳信息，JobTracker会认为TaskTracker挂掉，并把TaskTracker的任务分配给其它TaskTracker。该架构存在的问题：a、JobTracker节点压力过大；b、单点故障；3、只能跑MapReduce作业。

以上架构，在Hadoop版本中称为MRv2，所解决的问题：

1、更高的集群利用率，一个框架未使用的资源可由另一个框架进行使用，充分的避免资源浪费；

2、很高的扩展性；

3、yarn通过加入ApplicationMaster可变部分，可以编写不同的APPMst；

4、监控job的tasks运行情况下放到ApplicationMaster中；

二、MapReduce执行过程

1、客户端提交作业

2、JobClient与JobTracker通信，JobTracker返回一个JobID

3、JobClient复制作业资源文件

将运行作业所需要的资源赋值到HDFS上，包括MR程序打包的JAR文件、配置文件和输入划分信息。这些文件都存在JobTracker专门为该作业创建的文件夹中，文件夹名称为该作业的JobID。

4、提交任务

5、JobTracker初始化任务，创建作业对象

JobTracker接收到作业后，将其放在一个作业队列，等待作业调度器进行调度。

6、对HDFS上的资源文件进行分片，每个分片对应一个MapTask

当作业调度器根据自己的调度算法调度到该作业时，会根据输入划分信息为每个划分创建一个map任务，并将map任务分配给TaskTracker执行

7、TaskTracker会向JobTracker返回一个心跳信息，根据心跳信息分配任务

TaskTracker每隔一段时间会给JobTracker发送一个心跳，告诉JobTracker它依然在运行，同时心跳中还携带着任务进度等信息

8、TaskTracker从HDFS上获取作业资源文件

对于map和reduce任务，TaskTracker根据主机核的数量和内存的大小有固定数量的map槽和reduce槽。这里需要强调的是：map任务不是随随便便地分配给某个TaskTracker的，这里有个概念叫：数据本地化（Data-Local）。意思是：将map任务分配给含有该map处理的数据块的TaskTracker上，同时将程序JAR包复制到该TaskTracker上来运行，这叫“运算移动，数据不移动”。而分配reduce任务时并不考虑数据本地化。

9、登录到子JVM

10、TaskTracker启动一个child进程来执行具体任务

Map端：

1．每个输入分片会让一个map任务来处理，默认情况下，以HDFS的一个块的大小（默认为64M）为一个分片，当然我们也可以设置块的大小。map输出的结果会暂且放在一个环形内存缓冲区中（该缓冲区的大小默认为100M，由io.sort.mb属性控制），当该缓冲区快要溢出时（默认为缓冲区大小的80%，由io.sort.spill.percent属性控制），会在本地文件系统中创建一个溢出文件，将该缓冲区中的数据写入这个文件。

2．在写入磁盘之前，线程首先根据reduce任务的数目将数据划分为相同数目的分区，也就是一个reduce任务对应一个分区的数据。这样做是为了避免有些reduce任务分配到大量数据，而有些reduce任务却分到很少数据，甚至没有分到数据的尴尬局面。其实分区就是对数据进行hash的过程。然后对每个分区中的数据进行排序，如果此时设置了Combiner，将排序后的结果进行Combine操作，这样做的目的是让尽可能少的数据写入到磁盘。

3．当map任务输出最后一个记录时，可能会有很多的溢出文件，这时需要将这些文件合并。合并的过程中会不断地进行排序和combine操作，目的有两个：1.尽量减少每次写入磁盘的数据量；2.尽量减少下一复制阶段网络传输的数据量。最后合并成了一个已分区且已排序的文件。为了减少网络传输的数据量，这里可以将数据压缩，只要将mapred.compress.map.out设置为true就可以了。

4．将分区中的数据拷贝给相对应的reduce任务。分区中的数据怎么知道它对应的reduce是哪个呢？其实map任务一直和其父TaskTracker保持联系，而TaskTracker又一直和JobTracker保持心跳，所以JobTracker中保存了整个集群中的宏观信息。只要reduce任务向JobTracker获取对应的map输出位置即可。

Reduce端：

1．Reduce会接收到不同map任务传来的数据，并且每个map传来的数据都是有序的。如果reduce端接受的数据量相当小，则直接存储在内存中（缓冲区大小由mapred.job.shuffle.input.buffer.percent属性控制，表示用作此用途的堆空间的百分比），当数据量超过该缓冲区大小的一定比例（由mapred.job.shuffle.merge.percent决定），则对数据合并后溢写到磁盘中。

2．随着溢写文件的增多，后台线程会将它们合并成一个更大的有序的文件，这样做是为了给后面的合并节省时间。其实不管在map端还是reduce端，MapReduce都是反复地执行排序，合并操作。排序是hadoop的灵魂。

3．合并的过程中会产生许多的中间文件（写入磁盘），但MapReduce会让写入磁盘的数据尽可能地少，并且最后一次合并的结果并没有写入磁盘，而是直接输入到reduce函数。

三、MR的Shuffle过程

MapReduce计算模型主要由三个阶段构成：Map、Shuffle、Reduce。Map是映射，负责数据的过滤分类，将原始数据转化为键值对；Reduce是合并，将具有相同key值的value进行处理后再输出新的键值对作为最终结果；为了让Reduce可以并行处理Map的结果，必须对Map的输出进行一定的排序与分割，然后再交给对应的Reduce，这个过程就是Shuffle。Shuffle过程包含Map Shuffle和Reduce Shuffle。

1）Map Shuffle

在Map端的shuffle过程就是对Map的结果进行分区、排序、分割，然后将属于同一个分区的输出合并在一起并写在磁盘上，最终得到一个分区有序的文件。分区有序的含义是Map输出的键值对按分区进行排列，具有相同partition值的键值对存储在一起，每个分区里面的键值对又按key值进行升序排序(默认)，大致流程如下：

2）Reduce Shuffle

Reduce任务通过HTTP向各个Map任务拖取它所需要的数据。Map任务成功完成后，会通知父TaskTracker状态已经更新，TaskTracker进而通知JobTracker（这些通知在心跳机制中进行）。所以，对于指定作业来说，JobTracker能记录Map输出和TaskTracker的映射关系。Reduce会定期向JobTracker获取Map的输出位置，一旦拿到输出位置，Reduce任务就会从此输出对应的TaskTracker上复制输出到本地，而不会等到所有的Map任务结束。

Copy过来的数据会先放入内存缓冲区中，如果内存缓冲区中能放得下这次数据的话就直接把数据写到内存中，即内存到内存merge。Reduce要向每个Map去拖取数据，在内存中每个Map对应一块数据，当内存缓存区中存储的Map数据占用空间达到一定程度的时候，开始启动内存中merge，把内存中的数据merge输出到磁盘上一个文件中，即内存到磁盘merge。在将buffer中多个map输出合并写入磁盘之前，如果设置了Combiner，则会化简压缩合并的map输出。Reduce的内存缓冲区可通过mapred.job.shuffle.input.buffer.percent配置，默认是JVM的heap size的70%。内存到磁盘merge的启动门限可以通过mapred.job.shuffle.merge.percent配置，默认是66%。

当属于该reducer的map输出全部拷贝完成，则会在reducer上生成多个文件（如果拖取的所有map数据总量都没有内存缓冲区，则数据就只存在于内存中），这时开始执行合并操作，即磁盘到磁盘merge，Map的输出数据已经是有序的，Merge进行一次合并排序，所谓Reduce端的sort过程就是这个合并的过程。一般Reduce是一边copy一边sort，即copy和sort两个阶段是重叠而不是完全分开的。最终Reduce shuffle过程会输出一个整体有序的数据块。