Lifetime-Based Memory Management for Distributed Data Processing Systems

Lifetime-Based Memory Management for Distributed Data Processing Systems

　　　　　　　　（Deca：Decompose and Analyze）

 

一、分布式数据处理系统像Spark、FLink中的优缺点：

1、优点：

in-memory中可以通过缓存中间数据以及在shuffle buffer中组合和聚合数据最小化重复 计算和I/O花销来提升多阶段和迭代计算性能。

2、缺点：

（1）会在堆中产生大量的长期生存的对象，因而产生很多GC，尤其是当处理大数据集 时，会对系统的伸缩性产生很大影响。

（2）这些框架都是用一些高级语言实现并且在托管运行时平台上（例如JVM等）运行， 这些都是自动内存管理，会带来重大的CPU和内存开销。

二、解决方案：提出了Lifetime-Based Memory Management:Deca

1、简介：

（1）它是在Spark之上实现，是Spark的自动优化器，能够高效的回收内存空间。

（2）它能够基于对象的lifetime而不是传统的GC跟踪来进行分配和释放内存。

（3）它能够自动的分析在Spark中不同容器中（UDF变量、cache block和shuffle buffer）的数据对象的lifetime,然后透明的将大量具有类似lifetime的对象 进行分解和存储到一些数量的byte array里。通过这种方 式，大量的对象本质上 可以绕开GC的连续跟踪和通过销毁byte array来进行空间的释放。

（4）它能够通过转换用户程序来使得新的内存布局对于用户是透明的。

2、举例说明：（以下是Spark中的逻辑回归代码）

在采用Deca后，内存格局的变化如下：

三、如何进行内存管理

1、在Deca中，对象被存储在三种不同的容器中：UDF变量、cache block和shuff buffer中。在每种容器中，Deca都分配了一定数量固定长度的字节数组，将UDT对象 与相应的容器进行map，UDT对象在被消除了没有必要的对象头 和引用后存储在字节 数组中，这种紧凑的内存布局不仅可以最小化内存消耗，而且可以显著减少GC开销， 因为GC进行跟踪的是byte array而不是大量的UDT对象。

2、因为像Spark这种数据框架容器的lifetime是可以预先明确知道的（比如缓存 RDD，当显示的调用cache（）和unpersist（）后，容器lifetime将会 end）Deca将 具有相同或者是相似对象放在相同的容器中，然后将对象与容器相对应，当容器的 lifetime 结束时，我们将简单的释放掉所有在容器中 的byte array的引用，然后GC 将回收所有被大量对象所占用的内存空间。

3、byte array的size如何确定？

（1）规定了data-size：对象的静态引用图中所有原始类型的数据大小的总和。

（2）对于一些原始类型的数据，data-size是固定的，但是对于一些非原始类型的 数据，需要通过代码分析知道对象的data-type和data-size的变化模式。

（3）进行UDT CLASSIFICATION ANALYSIS:只有满足安全性的UDT对象，才会被分解。

a、Deca会创建data  dependent graph，如下：

b、满足条件的data-type：

SFST（Static Fixed Size Type）:所有的UDT对象实例的data-size是相同的， 并且在运行期间不会改变。

RFST（Runtime Fixed Size Type）所有的UDT对象的实例在运行期间 data-size不会发生改变。

c、其他类型：

RDT（Recursively-Defined Type）指的是在data dependent graph中有cycle 的。

VST（Variable-Sized Type）除了以上三种之外所有的其他数据类型属于这种。

d、级别：

SFST < RFST < VST

e、分析算法：

Local Classification Analysis：

Global Classification Analysis：

1)Init-only field：对于非原始类型T来说，如果每个对象的域在程序在执 行的时候仅仅被执行一次。

2)Fixed-length array types：对于数组类型的T来说，如果在一个良好的 范围内所有分配给f的A的对象具有相同长度的值如：

 Phased Refinement：

在Spark中可以将一个task分为多个的阶段，那么每个阶段都有可 能对 data-size进行改变，所以需要每阶段的细化分析。

4、内存管理：

（1）Spark中不同容器的lifetime：

a、UDF variables.：

包括函数对象和局部变量。因为在task结束后，函数对象也会结束，而当方 法调用结束后，局部变量将结束。所以所有的数据对象将和局部变量一样，都 是短期存在的临时对象。

b、cache block：

cache block的lifetime是被显示调用cache（）和unpersist（）决定的，当 调用unpersist时，所有的缓存块将被迅速回收。

c、Shuff buffer：

一个shuffle buffer被两个阶段所访问：创建buffer和读取里边的数据。 当第二个阶段所完成后，这个buffer的lifetime就结束了。

（2）Deca将数据对象和容器相对应，数据确认在数据被创建的阶段或者是前一阶段（如 果是读取的上一阶段的数据）。

（3）Deca对容器提出以下的规则：

a、cache block和Shuffle buffer具有比UDF variables更高的级别。

b、当同时被高级的容器所拥有时，将会把第一次执行时创建的容器作为拥有者。

（4）数据可以被多个容器进行赋值，Deca会将拥有的容器分为primary  container 和secondary containers（除了primary container容器之外所有的容器）。

（5）数据的组织和管理：

a、Deca用统一具有固定长度的byte array作为逻辑memory page来存储被分解 的数据对象。逻辑page可以被分成字节端，并且page的size选择要恰当来 确保GC的开销是微乎其微的。（太大的话会造成大量的无用空间，太小的话 会造成空间内存不足以存放分解对象）

b、Deca用page info结构来维护page的原数据：Page info：

Pages：一个page array来存储所有这个page group中分配的page引用。 endOffset：一个整数来存储这个page中没有用的空间开 始位置。

curPage and curOffset：两个整数来表示进程访问扫描的page 和这个page group中的offset）。

（6）primary container中数据对象的存储依赖于容器的类别。

a、UDF variables：

对于UDF变量来说，Deca不会分解这些对象，因为这些对象被短lifetime的局部变量所引用，他们属于年轻代，而年轻代仅仅引发微型的GC，不会造成大的GC开销。被函数对象引用的会到老年代、但是这些对象总数相对于输入的大数据集来说，相对很小。

b、Cache blocks：

1）Deca总是分解SFST和RFST对象和存储他们在page group的缓存块上， 同时保留完整的VST对象。如下图表示包含分解对象的缓存RDD 在缓存快上 的结构：

2）一个task可以读取分解的缓存快数据，有可能会改变这些对象的data-szie， 如果这样的话，Deca将重新构建这些对象并释放掉之前所有的page group，但是Deca不会重新分解这个对象。

c、Shuffle buffer ：

和缓存块类似，Deca将SFST和RSFT的对象分解到shuffle Buffer的page group 中，但是不像缓存的RDD（数据访问是顺序的），数据在shuffle  buffer中将 会被随机访问来执行基于hash和sorting的操作。如下图所示，我们用array 来存储指向一个page group中key和value的指针。（当在基于hash的key和 value都是原始类型或者是SFST时，指针数组可以被省略，因为可以推断出具 体的数据offset）。当在进行基于hash shuffle buffer的groupbykey计算时，这 个生成对象会反复更改，频繁的GC将会不可避免，但是如果对于值是SFST 时，Deca将重用之前的page group，分解新的对象到里边来替代旧的对象， 这样将会减少不必要对于生成临时Value对象的频繁GC。

（7）第二容器中的数据的存储方式:

a、UDF变量：

将会被赋值一个指向primary container中page group的page端指 针。

b、其他所有变量：根据以下两种情况：

1）Fully decomposable：在所有的容器中，数据对象都是可以安全分解的。 那么仅仅存储一个指向每个对象primary  containe中page group的指 针，如下图：

2）Partially decomposable：在一些容器中可以安全的分解，但是在一些容 器中不可以被分解。可以不能够分解对象到公共的容器中供所有的容器共 享。然而，如果一些数据对象是不可变的或者说一个容器中对象的改 变不会影响到另外一个容器，那么我们就可以分解一些容器的对象，然后 存储在不可分解的容器中（这将对于可分解容器中具有long-live的对象 是非常有益的）。如下图所示：

四、评估：（用了真实和综合的数据集，相比较于Spark）

1、减少GC时间高达99.9%。

2、在没有数据溢出的情况下，执行速度加快了22.7倍，在数据溢出情况下，执行速度 加快了41.6倍。

3、消耗内存减少高达46.6%。

4、案例比较如下：