大数据Spark框架概述

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1 Spark 是什么

Spark 是加州大学伯克利分校AMP实验室（Algorithms Machines and People Lab）开发的通用大数据出来框架。Spark生态栈也称为BDAS，是伯克利AMP实验室所开发的，力图在算法（Algorithms）、机器（Machines）和人（Person）三种之间通过大规模集成来展现大数据应用的一个开源平台。AMP实验室运用大数据、云计算等各种资源以及各种灵活的技术方案，对海量数据进行分析并转化为有用的信息，让人们更好地了解世界。Spark的发展历史，经历过几大重要阶段，如下图所示：
Spark 是一种快速、通用、可扩展的大数据分析引擎，2009 年诞生于加州大学伯克利分校AMPLab，2010 年开源， 2013年6月成为Apache孵化项目，2014年2月成为 Apache 顶级项目，用 Scala进行编写项目框架。

定义：Apache Spark是用于大规模数据（large-scala data）处理的统一（unified）分析引擎。
官方网址： http://spark.apache.org/、https://databricks.com/spark/about

官方定义

Spark 最早源于一篇论文 Resilient Distributed Datasets: A Fault-Tolerant Abstraction for In-Memory Cluster Computing，该论文是由加州大学柏克莱分校的 Matei Zaharia 等人发表的。论文中提出了一种弹性分布式数据集（即 RDD）的概念，原文开头对其的解释是：

翻译过来就是：RDD 是一种分布式内存抽象，其使得程序员能够在大规模集群中做 内存运算，并且有一定的容错方式。而这也是整个 Spark 的核心数据结构，Spark 整个平台都围绕着RDD进行。

2 Spark 四大特点

Spark 使用Scala语言进行实现，它是一种面向对、函数式编程语言，能够像操作本地集合一样轻松的操作分布式数据集。Spark具有运行速度快、易用性好、通用性强和随处运行等特点。

2.1 速度快

由于Apache Spark支持内存计算，并且通过DAG（有向无环图）执行引擎支持无环数据流，
所以官方宣称其在内存中的运算速度要比Hadoop的MapReduce快100倍，在硬盘中要快10倍。

• Spark处理数据与MapReduce处理数据相比，有如下两个不同点：其一、Spark处理数据时，可以将中间处理结果数据存储到内存中；

• 其二、Spark Job调度以DAG方式，并且每个任务Task执行以线程（Thread）方式，并不是像
  MapReduce以进程（Process）方式执行。

2014 年的如此Benchmark测试中，Spark 秒杀Hadoop，在使用十分之一计算资源的情况下，
相同数据的排序上，Spark 比Map Reduce快3倍！

2.2 易于使用

Spark 的版本已经更新到 Spark 2.4.5（截止日期2020.05.01），支持了包括 Java、Scala、Python 、R和SQL语言在内的多种语言。

2.3 通用性强

在 Spark 的基础上，Spark 还提供了包括Spark SQL、Spark Streaming、MLib 及GraphX在内的多个工具库，我们可以在一个应用中无缝地使用这些工具库。其中，Spark SQL 提供了结构化的数据处理方式，Spark Streaming 主要针对流式处理任务（也是重点），MLlib提供了很多有用的机器学习算法库，GraphX提供图形和图形并行化计算。

2.4 运行方式

Spark 支持多种运行方式，包括在 Hadoop 和 Mesos 上，也支持 Standalone的独立运行模
式，同时也可以运行在云Kubernetes（Spark 2.3开始支持）上。

对于数据源而言，Spark 支持从HDFS、HBase、Cassandra 及 Kafka 等多种途径获取数据。

3 Spark 框架模块

整个Spark 框架模块包含：Spark Coke、 Spark SQL、 Spark Streaming、 Spark GraphX、Spark MLlib，而后四项的能力都是建立在核心引擎之上 。

3.1 Spark Core

实现了 Spark 的基本功能，包含RDD、任务调度、内存管理、错误恢复、与存储系统交互等模块。数据结构：RDD

3.2 Spark SQL

Spark 用来操作结构化数据的程序包。通过 Spark SQL，我们可以使用 SQL操作数据。数据结构：Dataset/DataFrame = RDD + Schema
官网： http://spark.apache.org/sql/

3.3 Spark Streaming

Spark 提供的对实时数据进行流式计算的组件。提供了用来操作数据流的 API。 数据结构：DStream = Seq[RDD]
官网： http://spark.apache.org/streaming/

3.4 Spark MLlib

提供常见的机器学习(ML)功能的程序库。包括分类、回归、聚类、协同过滤等，还提供了模型
评估、数据导入等额外的支持功能。 数据结构：RDD或者DataFrame

3.5 Spark GraphX

Spark中用于图计算的API，性能良好，拥有丰富的功能和运算符，能在海量数据上自如地运行复杂的图算法。数据结构：RDD或者DataFrame
官网： http://spark.apache.org/graphx/
在Full Stack 理想的指引下，Spark 中的Spark SQL 、SparkStreaming 、MLLib 、GraphX 几大子框架和库之间可以无缝地共享数据和操作，这不仅打造了Spark 在当今大数据计算领域其他计算框架都无可匹敌的优势，而且使得Spark 正在加速成为大数据处理中心首选通用计算平台。

3.6 Structured Streaming

Structured Streaming结构化流处理模块针对，流式结构化数据封装到DataFrame中进行分析。
Structured Streaming是建立在SparkSQL引擎之上的可伸缩和高容错的流式处理引擎，可以像
操作静态数据的批量计算一样来执行流式计算。当流式数据不断的到达的过程中Spark SQL的引擎
会连续不断的执行计算并更新最终结果。简而言之，Structured Streaming提供了快速、可伸缩、可容错、端到端精确的流处理。
官网：http://spark.apache.org/docs/2.4.5/structured-streaming-programming-guide.html

4 Spark 运行模式

Spark 框架编写的应用程序可以运行在本地模式（Local Mode）、集群模式（Cluster Mode）
和云服务（Cloud），方便开发测试和生产部署。

• 第一、本地模式：Local Mode
  将Spark 应用程序中任务Task运行在一个本地JVM Process进程中，通常开发测试使用。
  
• 第二、集群模式：Cluster Mode
  将Spark应用程序运行在集群上，比如Hadoop YARN集群，Spark 自身集群Standalone及Apache Mesos集群，网址： http://spark.apache.org/docs/2.4.3/
  
• Hadoop YARN集群模式（生产环境使用）：运行在 yarn 集群之上，由 yarn 负责资源管
  理，Spark 负责任务调度和计算，好处：计算资源按需伸缩，集群利用率高，共享底层存
  储，避免数据跨集群迁移。
• Spark Standalone集群模式（开发测试及生成环境使用）：类似Hadoop YARN架构，典型
  的Mater/Slaves模式，使用Zookeeper搭建高可用，避免Master是有单点故障的。
• Apache Mesos集群模式（国内使用较少）：运行在 mesos 资源管理器框架之上，由 mesos
  负责资源管理，Spark 负责任务调度和计算。
• 第三、云服务：Kubernetes 模式
  中小公司未来会更多的使用云服务，Spark 2.3开始支持将Spark 开发应用运行到K8s上。