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No.23 聊一聊数据倾斜那些坑

 7 years ago
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0x00 前言

数据倾斜是大数据领域绕不开的拦路虎，当你所需处理的数据量到达了上亿甚至是千亿条的时候，数据倾斜将是横在你面前一道巨大的坎。

迈的过去，将会海阔天空！迈不过去，就要做好准备：很可能有几周甚至几月都要头疼于数据倾斜导致的各类诡异的问题。

  1. 先大致解释一下什么是数据倾斜

  2. 再根据几个场景来描述一下数据倾斜产生的情况

  3. 详细分析一下在Hadoop和Spark中产生数据倾斜的原因

  4. 如何解决（优化）数据倾斜问题？

0x01 什么是数据倾斜

简单的讲，数据倾斜就是我们在计算数据的时候，数据的分散度不够，导致大量的数据集中到了一台或者几台机器上计算，这些数据的计算速度远远低于平均计算速度，导致整个计算过程过慢。

一、关键字：数据倾斜

相信大部分做数据的童鞋们都会遇到数据倾斜，数据倾斜会发生在数据开发的各个环节中，比如：

  • 用 Hive 算数据的时候 reduce 阶段卡在 99.99%

  • 用 Spark Streaming 做实时算法时候，一直会有 executor 出现 OOM 的错误，但是其余的 executor 内存使用率却很低。

这些问题经常会困扰我们，辛辛苦苦等了几个小时的数据就是跑不出来，心里多难过啊。

例子很多，这里先随便举两个，后文会详细的说明。

二、关键字：千亿级

为什么要突出这么大数据量？先说一下笔者自己最初对数据量的理解：

数据量大就了不起了？数据量少，机器也少，计算能力也是有限的，因此难度也是一样的。凭什么数据量大就会有数据倾斜，数据量小就没有？

这样理解也有道理，但是比较片面，举两个场景来对比：

  • 公司一：总用户量 1000 万，5 台 64G 内存的的服务器。

  • 公司二：总用户量 10 亿，1000 台 64G 内存的服务器。

两个公司都部署了 Hadoop 集群。假设现在遇到了数据倾斜，发生什么？

公司一的数据分时童鞋在做 join 的时候发生了数据倾斜，会导致有几百万用户的相关数据集中到了一台服务器上，几百万的用户数据，说大也不大，正常字段量的数据的话 64G 还是能轻松处理掉的。

公司二的数据分时童鞋在做  join的时候也发生了数据倾斜，可能会有 1 亿的用户相关数据集中到了一台机器上了（相信我，这很常见），这时候一台机器就很难搞定了，最后会很难算出结果。

0x02 数据倾斜长什么样

工作中遇到的大部分的数据倾斜问题都解决了，而且也不想重新运行任务来截图，下面会分几个场景来描述一下数据倾斜的特征，方便读者辨别。

由于 Hadoop 和 Spark 是最常见的两个计算平台，下面就以这两个平台说明：

一、Hadoop中的数据倾斜

Hadoop 中最常用的是的是 Mapreduce 和 Hive ，虽说 Hive 最后也是用 MR 来执行（至少目前Hive内存计算并不普及），但是毕竟写的内容逻辑区别很大，一个是程序，一个是 Sql，因此这里稍作区分。

Hadoop中的数据倾斜主要表现在、ruduce 阶段卡在 99.99%，一直 99.99% 不能结束。

这里如果详细的看日志或者和监控界面的话会发现：

  • 有一个多几个 reduce 卡住

  • 各种 container 报错 OOM

  • 读写的数据量极大，至少远远超过其它正常的 reduce

伴随着数据倾斜，会出现任务被 kill 等各种诡异的表现。

经验：Hive 的数据倾斜，一般都发生在 Sql 中 Group 和 On 上，而且和数据逻辑绑定比较深。

二、Spark 中的数据倾斜

Spark 中的数据倾斜也很常见，这里包括Spark Streaming 和 Spark Sql，表现主要有下面几种：

  • Executor lost，OOM，Shuffle过程出错

  • Driver OOM

  • 单个 executor 执行时间特别久，整体任务卡在某个阶段不能结束

  • 正常运行的任务突然失败

补充一下，在 Spark streaming 程序中，数据倾斜更容易出现，特别是在程序中包含一些类似 Sql 的 join、group 这种操作的时候。 因为 Spark Streaming 程序在运行的时候，我们一般不会分配特别多的内存，因此一旦在这个过程中出现一些数据倾斜，就十分容易造成 OOM。

0x03 数据倾斜的原理

一、数据倾斜产生的原因

我们以 Spark 和 Hive 的使用场景为例。他们在做数据运算的时候会涉及到，count distinct、group by、join 等操作，这些都会触发 Shuffle 动作，一旦触发，所有相同 key 的值就会拉到一个或几个节点上，就容易发生单点问题。

二、万恶的 Shuffle

Shuffle 是一个能产生奇迹的地方，不管是在 Spark 还是 Hadoop 中，它们的作用都是至关重要的。关于 Shuffle 的原理，这里不再讲述，看看 Hadoop 相关的论文或者文章理解一下就 ok。这里主要针对在 Shuffle 如何产生了数据倾斜。

Hadoop 和 Spark 在 Shuffle 过程中产生数据倾斜的原理基本类似。如下图。

大部分数据倾斜的原理就类似于下图，很明了，因为数据分布不均匀，导致大量的数据分配到了一个节点。

Image

三、从数据角度来理解数据倾斜

我们举一个例子，就说数据默认值的设计吧，假设我们有两张表：

  • user（用户信息表）：userid，register_ip

  • ip（IP表）：ip，register_user_cnt

这可能是两个不同的人开发的数据表，如果我们的数据规范不太完善的话，会出现一种情况，user 表中的 register_ip 字段，如果获取不到这个信息，我们默认为 null，但是在 ip 表中，我们在统计这个值的时候，为了方便，我们把获取不到 ip 的用户，统一认为他们的 ip 为 0。

两边其实都没有错的，但是一旦我们做关联了会出现什么情况，这个任务会在做关联的阶段，也就是sql的on的阶段卡死。

四、从业务计角度来理解数据倾斜

数据往往和业务是强相关的，业务的场景直接影响到了数据的分布。

再举一个例子，比如就说订单场景吧，我们在某一天在北京和上海两个城市多了强力的推广，结果可能是这两个城市的订单量增长了10000%，其余城市的数据量不变。

然后我们要统计不同城市的订单情况，这样，一做 group 操作，可能直接就数据倾斜了。

0x04 如何解决

数据倾斜的产生是有一些讨论的，解决它们也是有一些讨论的，本章会先给出几个解决数据倾斜的思路，然后对 Hadoop 和 Spark 分别给出一些解决数据倾斜的方案。

注意： 很多数据倾斜的问题，都可以用和平台无关的方式解决，比如更好的数据预处理， 异常值的过滤等，因此笔者认为，解决数据倾斜的重点在于对数据设计和业务的理解，这两个搞清楚了，数据倾斜就解决了大部分了。

一、几个思路

解决数据倾斜有这几个思路：

  1. 业务逻辑，我们从业务逻辑的层面上来优化数据倾斜，比如上面的例子，我们单独对这两个城市来做 count，最后和其它城市做整合。

  2. 程序层面，比如说在 Hive 中，经常遇到count（distinct）操作，这样会导致最终只有一个 reduce，我们可以先 group 再在外面包一层 count，就可以了。

  3. 调参方面，Hadoop 和 Spark 都自带了很多的参数和机制来调节数据倾斜，合理利用它们就能解决大部分问题。

二、从业务和数据上解决数据倾斜

很多数据倾斜都是在数据的使用上造成的。我们举几个场景，并分别给出它们的解决方案。

数据分布不均匀：

前面提到的“从数据角度来理解数据倾斜”和“从业务计角度来理解数据倾斜”中的例子，其实都是数据分布不均匀的类型，这种情况和计算平台无关，我们能通过设计的角度尝试解决它。

  • 有损的方法：

    • 找到异常数据，比如 ip 为 0 的数据，过滤掉

  • 无损的方法：

    • 对分布不均匀的数据，单独计算

    • 先对 key 做一层 hash，先将数据打散让它的并行度变大，再汇集

  • 数据预处理

三、Hadoop平台的优化方法

列出来一些方法和思路，具体的参数和用法在官网看就行了。

  1. map join 方式

  2. count distinct 的操作，先转成 group，再 count

  3. 万能膏药：hive.groupby.skewindata=true

  4. left semi join的使用

  5. 设置 map 端输出、中间结果压缩。（不完全是解决数据倾斜的问题，但是减少了 IO 读写和网络传输，能提高很多效率）

四、Spark平台的优化方法

列出来一些方法和思路，具体的参数和用法在官网看就行了。

  1. mapjoin 方式

  2. 设置 rdd 压缩

  3. 合理设置 driver 的内存

  4. Spark Sql 中的优化和 Hive 类似，可以参考Hive

0xFF 总结

数据倾斜的坑还是很大的，如何处理数据倾斜是一个长期的过程，希望本文的一些思路能提供帮助。

文中一些内容没有细讲，比如 Hive Sql 的优化，数据清洗中的各种坑，这些留待后面单独的分享，会有很多的内容。

另外千亿级别的数据还会有更多的难点，不仅仅是数据倾斜的问题，这一点在后面也会有专门的分享。

文章以前是发在简书上了，名字叫《漫谈千亿级数据优化实践：数据倾斜（纯干货）》，显得有的吸人眼球，这次改一下。

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