Spark调优

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• 数据序列化
• 内存优化

确定内存用量

调整数据结构

序列化RDD存储

垃圾收集调整

• 其他考虑因素

并行化水平

Reduce任务的内存用量

Broadcasting large variables

• 总结

因为大部分Spark程序都具有“内存计算”的天性，所以集群中的所有资源：CPU、网络带宽或者是内存都有可能成为Spark程序的瓶颈。通常情况下， 如果数据完全加载到内存那么网络带宽就会成为瓶颈，但是你仍然需要对程序进行优化，例如采用序列化的方式保存RDD数据（Resilient Distributed Datasets），以便减少内存使用。该文章主要包含两个议题：数据序列化和内存优化，数据序列化不但能提高网络性能还能减少内存使用。与此同时，我们 还讨论了其他几个的小议题。

数据序列化

序列化对于提高分布式程序的性能起到非常重要的作用。一个不好的序列化方式（如序列化模式的速度非常慢或者序列化结果非常大）会极大降低计算速度。很多情 况下，这是你优化Spark应用的第一选择。Spark试图在方便和性能之间获取一个平衡。Spark提供了两个序列化类库：

• Java 序列化：在默认情况下，Spark采用Java的ObjectOutputStream序列化一个对象。该方式适用于所有实现了java.io.Serializable的类。通过继承 java.io.Externalizable，你能进一步控制序列化的性能。Java序列化非常灵活，但是速度较慢，在某些情况下序列化的结果也比较大。
• Kryo序列化：Spark也能使用Kryo（版本2）序列化对象。Kryo不但速度极快，而且产生的结果更为紧凑（通常能提高10倍）。Kryo的缺点是不支持所有类型，为了更好的性能，你需要提前注册程序中所使用的类（class）。

你可以在创建SparkContext之前，通过调用System.setProperty("spark.serializer", "spark.KryoSerializer")，将序列化方式切换成Kryo。Kryo不能成为默认方式的唯一原因是需要用户进行注册；但是，对于任何 “网络密集型”（network-intensive)的应用，我们都建议采用该方式。

最后，为了将类注册到Kryo，你需要继承 spark.KryoRegistrator并且设置系统属性spark.kryo.registrator指向该类，如下所示：

import com.esotericsoftware.kryo.Kryoimport org.apache.spark.serializer.KryoRegistratorclass MyRegistrator extends KryoRegistrator {  override def registerClasses(kryo: Kryo) {    kryo.register(classOf[MyClass1])    kryo.register(classOf[MyClass2])  }}val conf = new SparkConf().setMaster(...).setAppName(...)conf.set("spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.KryoSerializer")conf.set("spark.kryo.registrator", "mypackage.MyRegistrator")val sc = new SparkContext(conf)

Kryo 文档描述了很多便于注册的高级选项，例如添加用户自定义的序列化代码。

如果对象非常大，你还需要增加属性spark.kryoserializer.buffer.mb的值。该属性的默认值是32，但是该属性需要足够大以便能够容纳需要序列化的最大对象。

最后，如果你不注册你的类，Kryo仍然可以工作，但是需要为了每一个对象保存其对应的全类名（full class name),这是非常浪费的。

内存优化

内存优化有三个方面的考虑：对象所占用的内存（你或许希望将所有的数据都加载到内存），访问对象的消耗以及垃圾回收（garbage collection)所占用的开销。

通常，Java对象的访问速度更快，但其占用的空间通常比其内部的属性数据大2-5倍。这主要由以下几方面原因：

• 每一个Java对象都包含一个“对象头”（object header），对象头大约有16字节，包含了指向对象所对应的类(class)的指针等信息以。如果对象本身包含的数据非常少，那么对象头有可能会比对象数据还要大。
• Java String在实际的字符串数据之外，还需要大约40字节的额外开销（因为String将字符串保存在一个Char数组，需要额外保存类似长度等的其他数 据）；同时，因为是Unicode编码，每一个字符需要占用两个字节。所以，一个长度为10的字符串需要占用60个字节。
• 通用的集合类，例如HashMap、LinkedList等，都采用了链表数据结构，对于每一个条目（entry）都进行了包装(wrapper)。每一个条目不仅包含对象头，还包含了一个指向下一条目的指针（通常为8字节）。
• 基本类型（primitive type）的集合通常都保存为对应的类，例如java.lang.Integer

该章节讨论如何估算对象所占用的内存以及如何进行改进——通过改变数据结构或者采用序列化方式。然后，我们将讨论如何优化Spark的缓存以及Java内存回收（garbage collection)。

确定内存消耗

确定对象所需要内存大小的最好方法是创建一个RDD，然后将其放入缓存，最后阅读驱动程序（driver program）中SparkContext的日志。日志会告诉你每一部分占用的内存大小；你可以收集该类信息以确定RDD消耗内存的最终大小。日志信息 如下所示：

INFO BlockManagerMasterActor: Added rdd_0_1 in memory on mbk.local:50311 (size: 717.5 KB, free: 332.3 MB)

优化数据结构

减少内存使用的第一条途径是避免使用一些增加额外开销的Java特性，例如基于指针的数据结构以对对象进行再包装等。有很多方法：

1. 使用对象数组以及原始类型（primitive type)数组以替代Java或者Scala集合类（collection class)。 fastutil 库为原始数据类型提供了非常方便的集合类，且兼容Java标准类库。
2. 尽可能的避免采用还有指针的嵌套数据结构来保存小对象。
3. 考虑采用数字ID或者枚举类型一边替代String类型的主键。
4. 如果内存少于32G，设置JVM参数-XX:+UseCompressedOops以便将8字节指针修改成4字节。于此同时，在Java 7或者更高版本，设置JVM参数-XX:+UseCompressedStrings以便采用8比特来编码每一个ASCII字符。你可以将这些选项添加到spark-env.sh。

序列化RDD存储

经过上述优化，如果对象还是太大以至于不能有效存放，还有一个减少内存使用的简单方法——序列化，采用RDD持久化API的序列化StorageLevel，例如MEMORY_ONLY_SER。Spark将RDD每一部分都保存为byte数组。序列化带来的唯一缺点是会降低访问速度，因为需要将对象反序列化。如果需要采用序列化的方式缓存数据，我们强烈建议采用Kryo，Kryo序列化结果比Java标准序列化更小（其实比对象内部的原始数据都要小）。

优化内存回收

如果你需要不断的“翻动”程序保存的RDD数据，JVM内存回收就可能成为问题（通常，如果只需进行一次RDD读取然后进行操作是不会带来问题的）。当需 要回收旧对象以便为新对象腾内存空间时，JVM需要跟踪所有的Java对象以确定哪些对象是不再需要的。需要记住的一点是，内存回收的代价与对象的数量正 相关；因此，使用对象数量更小的数据结构（例如使用int数组而不是LinkedList）能显著降低这种消耗。另外一种更好的方法是采用对象序列化，如 上面所描述的一样；这样，RDD的每一部分都会保存为唯一一个对象（一个byte数组）。如果内存回收存在问题，在尝试其他方法之前，首先尝试使用序列化缓存（serialized caching）。

每项任务（task）的工作内存以及缓存在节点的RDD之间会相互影响，这种影响也会带来内存回收问题。下面我们讨论如何为RDD分配空间以便减轻这种影响。

估算内存回收的影响

优化内存回收的第一步是获取一些统计信息，包括内存回收的频率、内存回收耗费的时间等。为了获取这些统计信息，我们可以把参数-verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps添加到环境变量SPARK_JAVA_OPTS。设置完成后，Spark作业运行时，我们可以在日志中看到 每一次内存回收的信息。注意，这些日志保存在集群的工作节点（work nodes)而不是你的驱动程序（driver program).

优化缓存大小

用多大的内存来缓存RDD是内存回收一个非常重要的配置参数。默认情况下，Spark采用运行内存（executor memory，spark.executor.memory或者SPARK_MEM）的66%来进行RDD缓存。这表明在任务执行期间，有33%的内存可 以用来进行对象创建。

如果任务运行速度变慢且JVM频繁进行内存回收，或者内存空间不足，那么降低缓存大小设置可以减少内存消耗。为了将缓存大小修改为50%，你可以调用方法 System.setProperty("spark.storage.memoryFraction", "0.5")。结合序列化缓存，使用较小缓存足够解决内存回收的大部分问题。如果你有兴趣进一步优化Java内存回收，请继续阅读下面文章。

内存回收高级优化

为了进一步优化内存回收，我们需要了解JVM内存管理的一些基本知识。

• Java堆（heap）空间分为两部分：新生代和老生代。新生代用于保存生命周期较短的对象；老生代用于保存生命周期较长的对象。
• 新生代进一步划分为三部分[Eden, Survivor1, Survivor2]
• 内存回收过程的简要描述：如果Eden区域已满则在Eden执行minor GC并将Eden和Survivor1中仍然活跃的对象拷贝到Survivor2。然后将Survivor1和Survivor2对换。如果对象活跃的时 间已经足够长或者Survivor2区域已满，那么会将对象拷贝到Old区域。最终，如果Old区域消耗殆尽，则执行full GC。

Spark内存回收优化的目标是确保只有长时间存活的RDD才保存到老生代区域；同时，新生代区域足够大以保存生命周期比较短的对象。这样，在任务执行期间可以避免执行full GC。下面是一些可能有用的执行步骤：

• 通过收集GC信息检查内存回收是不是过于频繁。如果在任务结束之前执行了很多次full GC，则表明任务执行的内存空间不足。
• 在打印的内存回收信息中，如果老生代接近消耗殆尽，那么减少用于缓存的内存空间。可这可以通过属性spark.storage.memoryFraction来完成。减少缓存对象以提高执行速度是非常值得的。
• 如果有过多的minor GC而不是full GC，那么为Eden分配更大的内存是有益的。你可以为Eden分配大于任务执行所需要的内存空间。如果Eden的大小确定为E，那么可以通过 -Xmn=4/3*E来设置新生代的大小（将内存扩大到4/3是考虑到survivor所需要的空间)。
• 举一个例子，如果任务从HDFS读取数据，那么任务需要的内存空间可以从读取的block数量估算出来。注意，解压后的blcok通常为解压前的2-3 倍。所以，如果我们需要同时执行3或4个任务，block的大小为64M，我们可以估算出Eden的大小为4*3*64MB。
• 监控内存回收的频率以及消耗的时间并修改相应的参数设置。

我们的经历表明有效的内存回收优化取决于你的程序和内存大小。 在网上还有很多其他的优化选项， 总体而言有效控制内存回收的频率非常有助于降低额外开销。

其他考虑

并行度

集群不能有效的被利用，除非为每一个操作都设置足够高的并行度。Spark会根据每一个文件的大小自动设置运行在该文件“Map"任务的个数（你也可以通 过SparkContext的配置参数来控制）；对于分布式"reduce"任务（例如group by key或者reduce by key)，则利用最大RDD的分区数。你可以通过第二个参数传入并行度（阅读文档spark.PairRDDFunctions ）或者通过设置系统参数spark.default.parallelism来改变默认值。通常来讲，在集群中，我们建议为每一个CPU核（core）分配2-3个任务。

Reduce Task的内存使用

有时，你会碰到OutOfMemory错误，这不是因为你的RDD不能加载到内存，而是因为任务执行的数据集过大，例如正在执行groupByKey操作 的reduce任务。Spark的”混洗“（shuffle）操作（sortByKey、groupByKey、reduceByKey、join等）为 了完成分组会为每一个任务创建哈希表,哈希表有可能非常大。最简单的修复方法是增加并行度，这样，每一个任务的输入会变的更小。Spark能够非常有效的 支持段时间任务（例如200ms)，因为他会对所有的任务复用JVM，这样能减小任务启动的消耗。所以，你可以放心的使任务的并行度远大于集群的CPU核 数。

广播”大变量“

使用SparkContext的广播功能可 以有效减小每一个任务的大小以及在集群中启动作业的消耗。如果任务会使用驱动程序（driver program)中比较大的对象（例如静态查找表），考虑将其变成可广播变量。Spark会在master打印每一个任务序列化后的大小，所以你可以通过 它来检查任务是不是过于庞大。通常来讲，大于20KB的任务可能都是值得优化的。

总结

该文指出了Spark程序优化所需要关注的几个关键点——最主要的是数据序列化和内存优化。对于大多数程序而言，采用Kryo框架以及序列化能够解决性能有关的大部分问题。非常欢迎在Spark mailing list提问优化相关的问题。

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