Spark的Straggler深入学习（2）：思考Block和Partition的划分问题——以论文为参考

一、partition的划分问题

如何划分partition对block数据的收集有很大影响。如果需要根据block来加速task的执行，partition应该满足什么条件？

参考思路1：range partition

1、出处：

IBM DB2 BLU；Google PowerDrill；Shark on HDFS

2、规则：

range partition遵循三个原则：1、针对每一列进行细粒度的范围细分，防止数据倾斜和工作量倾斜；2、每一个partition分配的列是不同的；3、需要针对数据相关性和过滤关联性来考虑partition的划分。

实现方法可以参考思路3中的Spark的实现。

3、简单思考：

这样划分partition需要很多额外的工作，如果针对我的设计是不需要这么多的，唯一需要考虑的就是第一点：避免数据倾斜和工作量倾斜。

参考思路2：Fine-grained Partitioning ( one of horizontal partitioning )

1、出处：

Fine-grained Partitioning for Aggressive Data Skipping （ACMSIGMOD14）

2、规则：

fine-grained partitioning的划分目的很明确：划分成细粒度的、大小平衡的block，而划分的依据是让查询操作（该partition方式针对 shark query制定）更大程度上的跳过对该block的扫描。具体的方法是：

（1）从之前频繁使用的过滤集（文章已证明一部分典型的过滤能够用来决策）中抽取过滤的判断条件作为特征；

（2）根据抽取的特征对数据进行重计算，产生特征向量，从而将问题修改成最优解的问题；

示例如下：每个partition对应一个Feature为0，即不满足该特征，如果利用该Feature扫描时可以直接跳过改partition。

3、简单思考：

首先，fine-grained具有以下特点：（1）由一个额外的进程守护，工作于数据加载时或者某个最新的任务（这个任务必然是对partition重新提出了请求，诸如显示的用户partition操作）执行时；（2）该方法针对partition的形成、block的形成同时适用；（3）从filter中抽取典型的特征来划分数据。

然后分析该方法的思想，该方法利用所需要的信息，即filter特性与skip block的特性，来将划分block和partition，具有很高的参考价值。而我所需要的数据特性应该包括数据的重要性、启动task所需要的数据的完整性、启动task所需要的block块的完整性，更确切的说应该是block数据完成了多少就可以启动task了，如何判断这个量？

 参考思路3：Spark实现的Hash Partition

1、出处：

Spark1.3.1源码解析，Spark默认的自带Partitioner。实际上，Spark1.3.1在这一块也实现了RangePartitioner，而HashPartitioner利用的还是Range Partition。

2、规则：

首先，为了粗略达到输出Partition之间的平衡，需要定义一些参数，这些参数辅助决策一个RDD结果分配到每个Partition的样本数：

sampleSize，限定取样的大小，min(20*partitions,1M)；

sampleSizePerPartition，Partition取样样本数，ceil(3*sampleSize/partitions)，通过向上取整表示允许超过取样数目少量；

sketched，用来描述一个rdd的结果，包括了(partition id, items number, sample)，sample是根据前面的参数决定的；

(key,weight)和imbalancedPartitions，分别是一个buffer数组和mutable类型值，分别存放平衡的Partition的权重和非平衡的Partition，平衡与否根据Partition大小与平均Partition大小的关系判断，权重=Partition大小/取样大小。

具体看看如何实现平衡的判断：

val fraction = math.min(sampleSize / math.max(numItems, 1L), 1.0)

val balance_or_not = if(fraction * numItems > sampleSizePerPartition) true else false

针对不平衡的Partition重新取样，取样后权重为1/fraction。

其次，需要注意的是，Partition中利用了一个implicitly方法，该方法获取RangPartition中隐藏的参数值：Ordering[ClassTag]。改参数值用来写入和读取Spark框架中的数据流。通过writeObject和readObject可以控制写入和读取Partition中的数据。

最后，决策Partition的bounds时利用的是Object RangePartitioner中的determineBounds方法，该方法利用weight的值来平衡block的大小，然后放入Partition中，进而平衡Partition的大小。

3、简单思考：

Spark自带的Partition策略是利用hashcode获取Partition id的RangePartition，RangePartition采用取样权重的方法来平衡各个Partition的大小，但是并未考虑Partition内部数据的关联度，也就是Block层面的决策没有体现在这里，需要进一步考虑如何按block优化。

二、如何利用Partition和Block的划分策略——重点论文：The Power of Choice in Data-Aware Cluster Scheduling，OSDI14

前文讲了三个如何划分Partition和Block的方法，但是划分之后如何应用其优化，除了上述提到的相应文章，与开题更加对应的是OSDI14年的文章The Power of Choice in Data-Aware Cluster Scheduling。该论文设计实现的系统为KMN，因此下文以KMN代替该论文。

1、概要

原始的Spark中的task在需要资源（该资源为上游stage的output）时，由调度器拉取task需要的资源数目，然后交付给task；而KMN的策略是，调度器拉取的是全部的资源中的数学组合，数量上仍旧是task所需的资源数，大体的关系如下图。

因此，KMN的特色之处在于choice，如何组合最优的block给Scheduler，然后调度给task，达到最高的效率。进而将问题转化为NP问题。需要注意的是，KMN选择choice时是根据全部的block来决策，那么必须等全部的block产生，即上游stage运行完成后才能决策。这样KMN就需要考虑上游Straggler的影响了，很遗憾的是，KMN针对的是近似解问题，从而导致它决定将Straggler丢弃来加快速度。

2、详细实现

KMN核心在于数据感知的choice，其决策分Input Stage和Intermediate Stage两种基本场景，决策Memory Locality和NetWork Blance两个方面。

（1）Input Stage

Input Stage中通过组合block的决策可以在各种集群利用率下保证很高的数据本地性，论文以N中采样K个block为例说明自然采样和用户自定义采样条件下的数据本地性概率。

（2）Intermediate Stage

Intermediate Stage需要考虑其上下游的Stage。KMN为上游Stage设置了额外的task，需要确认额外的task对Block决策调度的影响，文章以M个task和K个block的模型，分析M/K下上游额外task对cross-rack skew，即倾斜度造成的干扰。然后，根据上游Stage的输出选择最优的Block，此时问题转化为一个NP困难问题。最后，需要处理上游Stage的Straggler问题，因为Straggler的出现会导致Intermediate Stage的block的决策受到影响。文章对比Straggler的出现和额外的choice决策的时间，发现Straggler的影响占20%-40%，因此文章采用如下方法解决该问题：当M个上游task中的K个task执行完成后就启动下游task。实际上就是通过加速Stage的执行来加快下游stage的启动时间。