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Spark Graphx编程指南

2024-08-19 16:47:49   222人阅读

问题导读

1.GraphX提供了几种方式从RDD或者磁盘上的顶点和边集合构造图?
2.PageRank算法在图中发挥什么作用？
3.三角形计数算法的作用是什么？

技术分享






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Pregel API
图本身是递归数据结构，顶点的属性依赖于它们邻居的属性，这些邻居的属性又依赖于自己邻居的属性。所以许多重要的图算法都是迭代的重新计算每个顶点的属性，直到满足某个确定的条件。 一系列的graph-parallel抽象已经被提出来用来表达这些迭代算法。GraphX公开了一个类似Pregel的操作，它是广泛使用的Pregel和GraphLab抽象的一个融合。
在GraphX中，更高级的Pregel操作是一个约束到图拓扑的批量同步（bulk-synchronous）并行消息抽象。Pregel操作者执行一系列的超级步骤（super steps），在这些步骤中，顶点从 之前的超级步骤中接收进入(inbound)消息的总和，为顶点属性计算一个新的值，然后在以后的超级步骤中发送消息到邻居顶点。不像Pregel而更像GraphLab，消息作为一个边三元组的函数被并行 计算，消息计算既访问了源顶点特征也访问了目的顶点特征。在超级步中，没有收到消息的顶点被跳过。当没有消息遗留时，Pregel操作停止迭代并返回最终的图。
注意，与更标准的Pregel实现不同的是，GraphX中的顶点仅仅能发送信息给邻居顶点，并利用用户自定义的消息函数构造消息。这些限制允许在GraphX进行额外的优化。
一下是[url=https://spark.apache.org/docs/latest/api/scala/index.html#org.apache.spark.graphx.GraphOps@pregel[A](A,Int,EdgeDirection]Pregel操作[/url]((VertexId,VD,A)?VD,(EdgeTriplet[VD,ED])?Iterator[(VertexId,A)],(A,A)?A)(ClassTag[A]):Graph[VD,ED])的类型签名以及实现草图（注意，访问graph.cache已经被删除）
  1. class GraphOps[VD, ED] {
  2.   def pregel[A]
  3.       (initialMsg: A,
  4.        maxIter: Int = Int.MaxValue,
  5.        activeDir: EdgeDirection = EdgeDirection.Out)
  6.       (vprog: (VertexId, VD, A) => VD,
  7.        sendMsg: EdgeTriplet[VD, ED] => Iterator[(VertexId, A)],
  8.        mergeMsg: (A, A) => A)
  9.     : Graph[VD, ED] = {
  10.     // Receive the initial message at each vertex
  11.     var g = mapVertices( (vid, vdata) => vprog(vid, vdata, initialMsg) ).cache()
  12.     // compute the messages
  13.     var messages = g.mapReduceTriplets(sendMsg, mergeMsg)
  14.     var activeMessages = messages.count()
  15.     // Loop until no messages remain or maxIterations is achieved
  16.     var i = 0
  17.     while (activeMessages > 0 && i < maxIterations) {
  18.       // Receive the messages: -----------------------------------------------------------------------
  19.       // Run the vertex program on all vertices that receive messages
  20.       val newVerts = g.vertices.innerJoin(messages)(vprog).cache()
  21.       // Merge the new vertex values back into the graph
  22.       g = g.outerJoinVertices(newVerts) { (vid, old, newOpt) => newOpt.getOrElse(old) }.cache()
  23.       // Send Messages: ------------------------------------------------------------------------------
  24.       // Vertices that didn‘t receive a message above don‘t appear in newVerts and therefore don‘t
  25.       // get to send messages.  More precisely the map phase of mapReduceTriplets is only invoked
  26.       // on edges in the activeDir of vertices in newVerts
  27.       messages = g.mapReduceTriplets(sendMsg, mergeMsg, Some((newVerts, activeDir))).cache()
  28.       activeMessages = messages.count()
  29.       i += 1
  30.     }
  31.     g
  32.   }
  33. }
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注意，pregel有两个参数列表（graph.pregel(list1)(list2)）。第一个参数列表包含配置参数初始消息、最大迭代数、发送消息的边的方向（默认是沿边方向出）。第二个参数列表包含用户 自定义的函数用来接收消息（vprog）、计算消息（sendMsg）、合并消息（mergeMsg）。
 
我们可以用Pregel操作表达计算单源最短路径( single source shortest path)。
  1. import org.apache.spark.graphx._
  2. // Import random graph generation library
  3. import org.apache.spark.graphx.util.GraphGenerators
  4. // A graph with edge attributes containing distances
  5. val graph: Graph[Int, Double] =
  6.   GraphGenerators.logNormalGraph(sc, numVertices = 100).mapEdges(e => e.attr.toDouble)
  7. val sourceId: VertexId = 42 // The ultimate source
  8. // Initialize the graph such that all vertices except the root have distance infinity.
  9. val initialGraph = graph.mapVertices((id, _) => if (id == sourceId) 0.0 else Double.PositiveInfinity)
  10. val sssp = initialGraph.pregel(Double.PositiveInfinity)(
  11.   (id, dist, newDist) => math.min(dist, newDist), // Vertex Program
  12.   triplet => {  // Send Message
  13.     if (triplet.srcAttr + triplet.attr < triplet.dstAttr) {
  14.       Iterator((triplet.dstId, triplet.srcAttr + triplet.attr))
  15.     } else {
  16.       Iterator.empty
  17.     }
  18.   },
  19.   (a,b) => math.min(a,b) // Merge Message
  20.   )
  21. println(sssp.vertices.collect.mkString("\n"))
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图构造者
GraphX提供了几种方式从RDD或者磁盘上的顶点和边集合构造图。默认情况下，没有哪个图构造者为图的边重新分区，而是把边保留在默认的分区中（例如HDFS中它们的原始块）。Graph.groupEdges?ED):Graph[VD,ED]) 需要重新分区图，因为它假定相同的边将会被分配到同一个分区，所以你必须在调用groupEdges之前调用Graph.partitionBy:Graph[VD,ED])
  1. object GraphLoader {
  2.   def edgeListFile(
  3.       sc: SparkContext,
  4.       path: String,
  5.       canonicalOrientation: Boolean = false,
  6.       minEdgePartitions: Int = 1)
  7.     : Graph[Int, Int]
  8. }
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GraphLoader.edgeListFile:Graph[Int,Int]) 提供了一个方式从磁盘上的边列表中加载一个图。它解析如下形式（源顶点ID，目标顶点ID）的连接表，跳过以#开头的注释行。
  1. # This is a comment
  2. 2 1
  3. 4 1
  4. 1 2
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它从指定的边创建一个图，自动地创建边提及的所有顶点。所有的顶点和边的属性默认都是1。canonicalOrientation参数允许重定向正方向(srcId < dstId)的边。这在connected components 算法中需要用到。minEdgePartitions参数指定生成的边分区的最少数量。边分区可能比指定的分区更多，例如，一个HDFS文件包含更多的块。
  1. object Graph {
  2.   def apply[VD, ED](
  3.       vertices: RDD[(VertexId, VD)],
  4.       edges: RDD[Edge[ED]],
  5.       defaultVertexAttr: VD = null)
  6.     : Graph[VD, ED]
  7.   def fromEdges[VD, ED](
  8.       edges: RDD[Edge[ED]],
  9.       defaultValue: VD): Graph[VD, ED]
  10.   def fromEdgeTuples[VD](
  11.       rawEdges: RDD[(VertexId, VertexId)],
  12.       defaultValue: VD,
  13.       uniqueEdges: Option[PartitionStrategy] = None): Graph[VD, Int]
  14. }
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[url=https://spark.apache.org/docs/latest/api/scala/index.html#org.apache.spark.graphx.Graph$@apply[VD,ED](RDD[(VertexId,VD]Graph.apply[/url]],RDD[Edge[ED]],VD)(ClassTag[VD],ClassTag[ED]):Graph[VD,ED]) 允许从顶点和边的RDD上创建一个图。重复的顶点可以任意的选择其中一个，在边RDD中而不是在顶点RDD中发现的顶点分配默认的属性。
[url=https://spark.apache.org/docs/latest/api/scala/index.html#org.apache.spark.graphx.Graph$@fromEdges[VD,ED](RDD[Edge[ED]],VD]Graph.fromEdges[/url](ClassTag[VD],ClassTag[ED]):Graph[VD,ED]) 允许仅仅从一个边RDD上创建一个图，它自动地创建边提及的顶点，并分配这些顶点默认的值。
[url=https://spark.apache.org/docs/latest/api/scala/index.html#org.apache.spark.graphx.Graph$@fromEdgeTuples[VD](RDD[(VertexId,VertexId]Graph.fromEdgeTuples[/url]],VD,Option[PartitionStrategy])(ClassTag[VD]):Graph[VD,Int]) 允许仅仅从一个边元组组成的RDD上创建一个图。分配给边的值为1。它自动地创建边提及的顶点，并分配这些顶点默认的值。它还支持删除边。为了删除边，需要传递一个PartitionStrategy 为值的Some作为uniqueEdges参数（如uniqueEdges = Some(PartitionStrategy.RandomVertexCut)）。分配相同的边到同一个分区从而使它们可以被删除，一个分区策略是必须的。

顶点和边RDDs
GraphX暴露保存在图中的顶点和边的RDD。然而，因为GraphX包含的顶点和边拥有优化的数据结构，这些数据结构提供了额外的功能。顶点和边分别返回VertexRDD和EdgeRDD。这一章 我们将学习它们的一些有用的功能。
VertexRDDs
VertexRDD[A]继承自RDD[(VertexID, A)]并且添加了额外的限制，那就是每个VertexID只能出现一次。此外，VertexRDD[A]代表了一组属性类型为A的顶点。在内部，这通过 保存顶点属性到一个可重复使用的hash-map数据结构来获得。所以，如果两个VertexRDDs从相同的基本VertexRDD获得（如通过filter或者mapValues），它们能够在固定的时间内连接 而不需要hash评价。为了利用这个索引数据结构，VertexRDD暴露了一下附加的功能：
  1. class VertexRDD[VD] extends RDD[(VertexID, VD)] {
  2.   // Filter the vertex set but preserves the internal index
  3.   def filter(pred: Tuple2[VertexId, VD] => Boolean): VertexRDD[VD]
  4.   // Transform the values without changing the ids (preserves the internal index)
  5.   def mapValues[VD2](map: VD => VD2): VertexRDD[VD2]
  6.   def mapValues[VD2](map: (VertexId, VD) => VD2): VertexRDD[VD2]
  7.   // Remove vertices from this set that appear in the other set
  8.   def diff(other: VertexRDD[VD]): VertexRDD[VD]
  9.   // Join operators that take advantage of the internal indexing to accelerate joins (substantially)
  10.   def leftJoin[VD2, VD3](other: RDD[(VertexId, VD2)])(f: (VertexId, VD, Option[VD2]) => VD3): VertexRDD[VD3]
  11.   def innerJoin[U, VD2](other: RDD[(VertexId, U)])(f: (VertexId, VD, U) => VD2): VertexRDD[VD2]
  12.   // Use the index on this RDD to accelerate a `reduceByKey` operation on the input RDD.
  13.   def aggregateUsingIndex[VD2](other: RDD[(VertexId, VD2)], reduceFunc: (VD2, VD2) => VD2): VertexRDD[VD2]
  14. }
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举个例子，filter操作如何返回一个VertexRDD。过滤器实际使用一个BitSet实现，因此它能够重用索引以及保留和其它VertexRDDs做连接时速度快的能力。同样的，mapValues操作 不允许map函数改变VertexID，因此可以保证相同的HashMap数据结构能够重用。当连接两个从相同的hashmap获取的VertexRDDs和使用线性扫描而不是昂贵的点查找实现连接操作时，leftJoin 和innerJoin都能够使用。
从一个RDD[(VertexID, A)]高效地构建一个新的VertexRDD，aggregateUsingIndex操作是有用的。概念上，如果我通过一组顶点构造了一个VertexRDD[B]，而VertexRDD[B]是 一些RDD[(VertexID, A)]中顶点的超集，那么我们就可以在聚合以及随后索引RDD[(VertexID, A)]中重用索引。例如：
  1. val setA: VertexRDD[Int] = VertexRDD(sc.parallelize(0L until 100L).map(id => (id, 1)))
  2. val rddB: RDD[(VertexId, Double)] = sc.parallelize(0L until 100L).flatMap(id => List((id, 1.0), (id, 2.0)))
  3. // There should be 200 entries in rddB
  4. rddB.count
  5. val setB: VertexRDD[Double] = setA.aggregateUsingIndex(rddB, _ + _)
  6. // There should be 100 entries in setB
  7. setB.count
  8. // Joining A and B should now be fast!
  9. val setC: VertexRDD[Double] = setA.innerJoin(setB)((id, a, b) => a + b)
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EdgeRDDs
EdgeRDD[ED]继承自RDD[Edge[ED]]，使用定义在PartitionStrategy的 各种分区策略中的一个在块分区中组织边。在每个分区中，边属性和相邻结构被分别保存，当属性值改变时，它们可以最大化的重用。
EdgeRDD暴露了三个额外的函数
  1. // Transform the edge attributes while preserving the structure
  2. def mapValues[ED2](f: Edge[ED] => ED2): EdgeRDD[ED2]
  3. // Revere the edges reusing both attributes and structure
  4. def reverse: EdgeRDD[ED]
  5. // Join two `EdgeRDD`s partitioned using the same partitioning strategy.
  6. def innerJoin[ED2, ED3](other: EdgeRDD[ED2])(f: (VertexId, VertexId, ED, ED2) => ED3): EdgeRDD[ED3]
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在大多数的应用中，我们发现，EdgeRDD操作可以通过图操作者(graph operators)或者定义在基本RDD中的操作来完成。
图算法
GraphX包括一组图算法来简化分析任务。这些算法包含在org.apache.spark.graphx.lib包中，可以被直接访问。
PageRank算法
PageRank度量一个图中每个顶点的重要程度，假定从u到v的一条边代表v的重要性标签。例如，一个Twitter用户被许多其它人粉，该用户排名很高。GraphX带有静态和动态PageRank的实现方法 ，这些方法在PageRank object中。静态的PageRank运行固定次数 的迭代，而动态的PageRank一直运行，直到收敛。GraphOps允许直接调用这些算法作为图上的方法。
GraphX包含一个我们可以运行PageRank的社交网络数据集的例子。用户集在graphx/data/users.txt中，用户之间的关系在graphx/data/followers.txt中。我们通过下面的方法计算 每个用户的PageRank。
  1. // Load the edges as a graph
  2. val graph = GraphLoader.edgeListFile(sc, "graphx/data/followers.txt")
  3. // Run PageRank
  4. val ranks = graph.pageRank(0.0001).vertices
  5. // Join the ranks with the usernames
  6. val users = sc.textFile("graphx/data/users.txt").map { line =>
  7.   val fields = line.split(",")
  8.   (fields(0).toLong, fields(1))
  9. }
  10. val ranksByUsername = users.join(ranks).map {
  11.   case (id, (username, rank)) => (username, rank)
  12. }
  13. // Print the result
  14. println(ranksByUsername.collect().mkString("\n"))
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连通体算法
连通体算法用id标注图中每个连通体，将连通体中序号最小的顶点的id作为连通体的id。例如，在社交网络中，连通体可以近似为集群。GraphX在ConnectedComponents object 中包含了一个算法的实现，我们通过下面的方法计算社交网络数据集中的连通体。
  1. / Load the graph as in the PageRank example
  2. val graph = GraphLoader.edgeListFile(sc, "graphx/data/followers.txt")
  3. // Find the connected components
  4. val cc = graph.connectedComponents().vertices
  5. // Join the connected components with the usernames
  6. val users = sc.textFile("graphx/data/users.txt").map { line =>
  7.   val fields = line.split(",")
  8.   (fields(0).toLong, fields(1))
  9. }
  10. val ccByUsername = users.join(cc).map {
  11.   case (id, (username, cc)) => (username, cc)
  12. }
  13. // Print the result
  14. println(ccByUsername.collect().mkString("\n"))
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三角形计数算法
一个顶点有两个相邻的顶点以及相邻顶点之间的边时，这个顶点是一个三角形的一部分。GraphX在TriangleCount object 中实现了一个三角形计数算法，它计算通过每个顶点的三角形的数量。需要注意的是，在计算社交网络数据集的三角形计数时，TriangleCount需要边的方向是规范的方向(srcId < dstId), 并且图通过Graph.partitionBy分片过。
  1. // Load the edges in canonical order and partition the graph for triangle count

  3. val graph = GraphLoader.edgeListFile(sc, "graphx/data/followers.txt", true).partitionBy(PartitionStrategy.RandomVertexCut)

  5. // Find the triangle count for each vertex

  7. val triCounts = graph.triangleCount().vertices

  9. // Join the triangle counts with the usernames

  11. val users = sc.textFile("graphx/data/users.txt").map { line =>

  13.   val fields = line.split(",")

  15.   (fields(0).toLong, fields(1))

  17. }

  19. val triCountByUsername = users.join(triCounts).map { case (id, (username, tc)) =>

  21.   (username, tc)

  23. }

  25. // Print the result

  27. println(triCountByUsername.collect().mkString("\n"))
复制代码



例子
假定我们想从一些文本文件中构建一个图，限制这个图包含重要的关系和用户，并且在子图上运行page-rank，最后返回与top用户相关的属性。可以通过如下方式实现.
  1. // Connect to the Spark cluster
  2. val sc = new SparkContext("spark://master.amplab.org", "research")

  4. // Load my user data and parse into tuples of user id and attribute list
  5. val users = (sc.textFile("graphx/data/users.txt")
  6.   .map(line => line.split(",")).map( parts => (parts.head.toLong, parts.tail) ))

  8. // Parse the edge data which is already in userId -> userId format
  9. val followerGraph = GraphLoader.edgeListFile(sc, "graphx/data/followers.txt")

  11. // Attach the user attributes
  12. val graph = followerGraph.outerJoinVertices(users) {
  13.   case (uid, deg, Some(attrList)) => attrList
  14.   // Some users may not have attributes so we set them as empty
  15.   case (uid, deg, None) => Array.empty[String]
  16. }

  18. // Restrict the graph to users with usernames and names
  19. val subgraph = graph.subgraph(vpred = (vid, attr) => attr.size == 2)

  21. // Compute the PageRank
  22. val pagerankGraph = subgraph.pageRank(0.001)

  24. // Get the attributes of the top pagerank users
  25. val userInfoWithPageRank = subgraph.outerJoinVertices(pagerankGraph.vertices) {
  26.   case (uid, attrList, Some(pr)) => (pr, attrList.toList)
  27.   case (uid, attrList, None) => (0.0, attrList.toList)
  28. }

  30. println(userInfoWithPageRank.vertices.top(5)(Ordering.by(_._2._1)).mkString("\n"))
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