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  • Map Task内部实现分析

            上篇我刚刚学习完,Spilt的过程,还算比较简单的了,接下来学习的就是Map操作的过程了,Map和Reduce一样,是整个MapReduce的重要内容,所以,这一篇,我会好好的讲讲里面的内部实现过程。首先要说,MapTask,分为4种,可能这一点上有人就可能知道了,分别是Job-setup Task,Job-cleanup Task,Task-cleanup和Map Task。前面3个都是辅助性质的任务,不是本文分析的重点,我讲的就是里面的最最重要的MapTask。

            MapTask的整个过程分为5个阶段:

    Read----->Map------>Collect------->Spill------>Combine

    来张时序图,简单明了:


    在后面的代码分析中,你会看到各自方法的调用过程。

            在分析整个过程之前,得先了解里面的一些内部结构,MapTask类作为Map Task的一个载体,他的类关系如下:


    我们调用的就是里面的run方法,开启map任务,相应的代码:

    /**
       * mapTask主要执行流程
       */
      @Override
      public void run(final JobConf job, final TaskUmbilicalProtocol umbilical) 
        throws IOException, ClassNotFoundException, InterruptedException {
        this.umbilical = umbilical;
    
        // start thread that will handle communication with parent
        //发送task任务报告,与父进程做交流
        TaskReporter reporter = new TaskReporter(getProgress(), umbilical,
            jvmContext);
        reporter.startCommunicationThread();
        //判断用的是新的MapReduceAPI还是旧的API
        boolean useNewApi = job.getUseNewMapper();
        initialize(job, getJobID(), reporter, useNewApi);
    
        // check if it is a cleanupJobTask
        //map任务有4种,Job-setup Task, Job-cleanup Task, Task-cleanup Task和MapTask
        if (jobCleanup) {
          //这里执行的是Job-cleanup Task
          runJobCleanupTask(umbilical, reporter);
          return;
        }
        if (jobSetup) {
          //这里执行的是Job-setup Task
          runJobSetupTask(umbilical, reporter);
          return;
        }
        if (taskCleanup) {
          //这里执行的是Task-cleanup Task
          runTaskCleanupTask(umbilical, reporter);
          return;
        }
    
        //如果前面3个任务都不是,执行的就是最主要的MapTask,根据新老API调用不同的方法
        if (useNewApi) {
          runNewMapper(job, splitMetaInfo, umbilical, reporter);
        } else {
          //我们关注一下老的方法实现splitMetaInfo为Spilt分片的信息,由于上步骤的InputFormat过程传入的
          runOldMapper(job, splitMetaInfo, umbilical, reporter);
        }
        done(umbilical, reporter);
      }
    在这里我研究的都是旧的API所以往runOldMapper里面跳。在这里我要插入一句,后面的执行都会围绕着一个叫Mapper的东西,就是用户执行map函数的一个代理称呼一样,他可以完全自己重写map的背后的过程,也可以用系统自带的mapp流程。


    系统已经给了MapRunner的具体实现:

    public void run(RecordReader<K1, V1> input, OutputCollector<K2, V2> output,
                      Reporter reporter)
        throws IOException {
        try {
          // allocate key & value instances that are re-used for all entries
          K1 key = input.createKey();
          V1 value = input.createValue();
          
          //从RecordReader中获取每个键值对,调用用户写的map函数
          while (input.next(key, value)) {
            // map pair to output
        	//调用用户写的map函数
            mapper.map(key, value, output, reporter);
            if(incrProcCount) {
              reporter.incrCounter(SkipBadRecords.COUNTER_GROUP, 
                  SkipBadRecords.COUNTER_MAP_PROCESSED_RECORDS, 1);
            }
          }
        } finally {
          //结束了关闭mapper
          mapper.close();
        }
      }
    从这里我们可以看出Map的过程就是迭代式的重复的执行用户定义的Map函数操作。好了,有了这些前提,我们可以往里深入的学习了刚刚说到了runOldMapper方法,里面马上要进行的就是Map Task的第一个过程Read。

          Read阶段的作业就是从RecordReader中读取出一个个key-value,准备给后面的map过程执行map函数操作。

    //获取输入inputSplit信息
        InputSplit inputSplit = getSplitDetails(new Path(splitIndex.getSplitLocation()),
               splitIndex.getStartOffset());
    
        updateJobWithSplit(job, inputSplit);
        reporter.setInputSplit(inputSplit);
        
        //是否是跳过错误记录模式,获取RecordReader
        RecordReader<INKEY,INVALUE> in = isSkipping() ? 
            new SkippingRecordReader<INKEY,INVALUE>(inputSplit, umbilical, reporter) :
            new TrackedRecordReader<INKEY,INVALUE>(inputSplit, job, reporter);
    
            后面的就是Map阶段,把值取出来之后,就要给Mapper去执行里面的run方法了,run方法里面会调用用户自己实现的map函数,之前也都是分析过了的。在用户编写的map的尾部,一般会调用collect.collect()方法,把处理后的key-value输出,这个时候,也就来到了collect阶段。

    runner.run(in, new OldOutputCollector(collector, conf), reporter);
            之后进行的是Collect阶段主要的操作时什么呢,就是把一堆堆的key-value进行分区输出到环形缓冲区中,这是的数据仅仅放在内存中,还没有写到磁盘中。在collect这个过程中涉及的东西还比较多,看一下结构关系图;



    里面有个partitioner的成员变量,专门用于获取key-value的的分区号,默认是通过key的哈希取模运算,得到分区号的,当然你可以自定义实现,如果不分区的话partition就是等于-1。

      /**
       * Since the mapred and mapreduce Partitioners don't share a common interface
       * (JobConfigurable is deprecated and a subtype of mapred.Partitioner), the
       * partitioner lives in Old/NewOutputCollector. Note that, for map-only jobs,
       * the configured partitioner should not be called. It's common for
       * partitioners to compute a result mod numReduces, which causes a div0 error
       */
      private static class OldOutputCollector<K,V> implements OutputCollector<K,V> {
        private final Partitioner<K,V> partitioner;
        private final MapOutputCollector<K,V> collector;
        private final int numPartitions;
    
        @SuppressWarnings("unchecked")
        OldOutputCollector(MapOutputCollector<K,V> collector, JobConf conf) {
          numPartitions = conf.getNumReduceTasks();
          if (numPartitions > 0) {
        	//如果分区数大于0,则反射获取系统配置方法,默认哈希去模,用户可以自己实现字节的分区方法
        	//因为是RPC传来的,所以采用反射
            partitioner = (Partitioner<K,V>)
              ReflectionUtils.newInstance(conf.getPartitionerClass(), conf);
          } else {
        	//如果分区数为0,说明不进行分区
            partitioner = new Partitioner<K,V>() {
              @Override
              public void configure(JobConf job) { }
              @Override
              public int getPartition(K key, V value, int numPartitions) {
            	//分区号直接返回-1代表不分区处理
                return -1;
              }
            };
          }
          this.collector = collector;
        }
        .....
    collect的代理调用实现方法如下,注意此时还不是真正调用:

    .....
        @Override
        public void collect(K key, V value) throws IOException {
          try {
        	//具体通过collect方法分区写入内存,调用partitioner.getPartition获取分区号
        	//缓冲区为环形缓冲区
            collector.collect(key, value,
                              partitioner.getPartition(key, value, numPartitions));
          } catch (InterruptedException ie) {
            Thread.currentThread().interrupt();
            throw new IOException("interrupt exception", ie);
          }
        }
    这里的collector指的是上面代码中的MapOutputCollector对象,开放给用调用的是OldOutputCollector,但是我们看看代码:

    interface MapOutputCollector<K, V> {
    
        public void collect(K key, V value, int partition
                            ) throws IOException, InterruptedException;
        public void close() throws IOException, InterruptedException;
        
        public void flush() throws IOException, InterruptedException, 
                                   ClassNotFoundException;
            
      }

    他只是一个接口,真正的实现是谁呢?这个时候应该回头看一下代码:

    private <INKEY,INVALUE,OUTKEY,OUTVALUE>
      void runOldMapper(final JobConf job,
                        final TaskSplitIndex splitIndex,
                        final TaskUmbilicalProtocol umbilical,
                        TaskReporter reporter
                        ) throws IOException, InterruptedException,
                                 ClassNotFoundException {
    	...
    	int numReduceTasks = conf.getNumReduceTasks();
        LOG.info("numReduceTasks: " + numReduceTasks);
        MapOutputCollector collector = null;
        if (numReduceTasks > 0) {
          //如果存在ReduceTask,则将数据存入MapOutputBuffer环形缓冲
          collector = new MapOutputBuffer(umbilical, job, reporter);
        } else { 
          //如果没有ReduceTask任务的存在,直接写入把操作结果写入HDFS作为最终结果
          collector = new DirectMapOutputCollector(umbilical, job, reporter);
        }
        MapRunnable<INKEY,INVALUE,OUTKEY,OUTVALUE> runner =
          ReflectionUtils.newInstance(job.getMapRunnerClass(), job);
    
        try {
          runner.run(in, new OldOutputCollector(collector, conf), reporter);
          .....
    分为2种情况当有Reduce任务时,collector为MapOutputBuffer,没有Reduce任务时为DirectMapOutputCollector,从这里也能明白,作者考虑的很周全呢,没有Reduce直接写入HDFS,效率会高很多。也就是说,最终的collect方法就是MapOutputBuffer的方法了。

    因为collect的操作时将数据存入环形缓冲区,这意味着,用户对数据的读写都是在同个缓冲区上的,所以为了避免出现脏数据的现象,一定会做额外处理,这里作者用了和BlockingQueue类似的操作,用一个ReetrantLocj,获取2个锁控制条件,一个为spillDone

    ,一个为spillReady,同个condition的await,signal方法实现丢缓冲区的读写控制。

    .....
        private final ReentrantLock spillLock = new ReentrantLock();
        private final Condition spillDone = spillLock.newCondition();
        private final Condition spillReady = spillLock.newCondition();
        .....
    然后看collect的方法:

    public synchronized void collect(K key, V value, int partition
                  ) throws IOException {
          .....
          try {
            // serialize key bytes into buffer
            int keystart = bufindex;
            keySerializer.serialize(key);
            if (bufindex < keystart) {
              // wrapped the key; reset required
              bb.reset();
              keystart = 0;
            }
            // serialize value bytes into buffer
            final int valstart = bufindex;
            valSerializer.serialize(value);
            int valend = bb.markRecord();
    
            if (partition < 0 || partition >= partitions) {
              throw new IOException("Illegal partition for " + key + " (" +
                  partition + ")");
            }
            ....

    至于环形缓冲区的结构,不是本文的重点,结构设计还是比较复杂的,大家可以自行学习。当环形缓冲区内的数据渐渐地被填满之后,会出现"溢写"操作,就是把缓冲中的数据写到磁盘DISK中,这个过程就是后面的Spill阶段了。

          Spill的阶段会时不时的穿插在collect的执行过程中。

    ...
              if (kvstart == kvend && kvsoftlimit) {
                LOG.info("Spilling map output: record full = " + kvsoftlimit);
                startSpill();
              }
    如果开头kvstart的位置等kvend的位置,说明转了一圈有到头了,数据已经满了的状态,开始spill溢写操作。

    private synchronized void startSpill() {
          LOG.info("bufstart = " + bufstart + "; bufend = " + bufmark +
                   "; bufvoid = " + bufvoid);
          LOG.info("kvstart = " + kvstart + "; kvend = " + kvindex +
                   "; length = " + kvoffsets.length);
          kvend = kvindex;
          bufend = bufmark;
          spillReady.signal();
        }
    会触发condition的信号量操作:

    private synchronized void startSpill() {
          LOG.info("bufstart = " + bufstart + "; bufend = " + bufmark +
                   "; bufvoid = " + bufvoid);
          LOG.info("kvstart = " + kvstart + "; kvend = " + kvindex +
                   "; length = " + kvoffsets.length);
          kvend = kvindex;
          bufend = bufmark;
          spillReady.signal();
        }
    就会跑到了SpillThead这个地方执行sortAndSpill方法:

    spillThreadRunning = true;
            try {
              while (true) {
                spillDone.signal();
                while (kvstart == kvend) {
                  spillReady.await();
                }
                try {
                  spillLock.unlock();
                  //当缓冲区溢出时,写到磁盘中
                  sortAndSpill();
    sortAndSpill里面会对数据做写入文件操作写入之前还会有sort排序操作,数据多了还会进行一定的combine合并操作。

    private void sortAndSpill() throws IOException, ClassNotFoundException,
                                           InterruptedException {
          ......
          try {
            // create spill file
            final SpillRecord spillRec = new SpillRecord(partitions);
            final Path filename =
                mapOutputFile.getSpillFileForWrite(numSpills, size);
            out = rfs.create(filename);
    
            final int endPosition = (kvend > kvstart)
              ? kvend
              : kvoffsets.length + kvend;
            //在写入操作前进行排序操作
            sorter.sort(MapOutputBuffer.this, kvstart, endPosition, reporter);
            int spindex = kvstart;
            IndexRecord rec = new IndexRecord();
            InMemValBytes value = new InMemValBytes();
            for (int i = 0; i < partitions; ++i) {
              IFile.Writer<K, V> writer = null;
              try {
                long segmentStart = out.getPos();
                writer = new Writer<K, V>(job, out, keyClass, valClass, codec,
                                          spilledRecordsCounter);
                if (combinerRunner == null) {
                  // spill directly
                  DataInputBuffer key = new DataInputBuffer();
                  while (spindex < endPosition &&
                      kvindices[kvoffsets[spindex % kvoffsets.length]
                                + PARTITION] == i) {
                    final int kvoff = kvoffsets[spindex % kvoffsets.length];
                    getVBytesForOffset(kvoff, value);
                    key.reset(kvbuffer, kvindices[kvoff + KEYSTART],
                              (kvindices[kvoff + VALSTART] - 
                               kvindices[kvoff + KEYSTART]));
                    //writer中写入键值对操作
                    writer.append(key, value);
                    ++spindex;
                  }
                } else {
                  int spstart = spindex;
                  while (spindex < endPosition &&
                      kvindices[kvoffsets[spindex % kvoffsets.length]
                                + PARTITION] == i) {
                    ++spindex;
                  }
                  // Note: we would like to avoid the combiner if we've fewer
                  // than some threshold of records for a partition
                  //如果分区多的话,执行合并操作
                  if (spstart != spindex) {
                    combineCollector.setWriter(writer);
                    RawKeyValueIterator kvIter =
                      new MRResultIterator(spstart, spindex);
                    //执行一次文件合并combine操作
                    combinerRunner.combine(kvIter, combineCollector);
                  }
                }
    
              ......
              //写入到文件中
              spillRec.writeToFile(indexFilename, job);
            } else {
              indexCacheList.add(spillRec);
              totalIndexCacheMemory +=
                spillRec.size() * MAP_OUTPUT_INDEX_RECORD_LENGTH;
            }
            LOG.info("Finished spill " + numSpills);
            ++numSpills;
          } finally {
            if (out != null) out.close();
          }
        }
           每次Spill的过程都会产生一堆堆的文件,在最后的时候就会来到了Combine阶段,也就是Map任务的最后一个阶段了,他的任务就是把所有上一阶段的任务产生的文件进行Merge操作,合并成一个文件,便于后面的Reduce的任务的读取,在代码的对应实现中是collect.flush()方法。

    .....
        try {
          runner.run(in, new OldOutputCollector(collector, conf), reporter);
          //将collector中的数据刷新到内存中去
          collector.flush();
        } finally {
          //close
          in.close();                               // close input
          collector.close();
        }
      }
    这里的collector的flush方法调用的就是MapOutputBuffer.flush方法,
    public synchronized void flush() throws IOException, ClassNotFoundException,
                                                InterruptedException {
          ...
          // shut down spill thread and wait for it to exit. Since the preceding
          // ensures that it is finished with its work (and sortAndSpill did not
          // throw), we elect to use an interrupt instead of setting a flag.
          // Spilling simultaneously from this thread while the spill thread
          // finishes its work might be both a useful way to extend this and also
          // sufficient motivation for the latter approach.
          try {
            spillThread.interrupt();
            spillThread.join();
          } catch (InterruptedException e) {
            throw (IOException)new IOException("Spill failed"
                ).initCause(e);
          }
          // release sort buffer before the merge
          kvbuffer = null;
          //最后进行merge合并成一个文件
          mergeParts();
          Path outputPath = mapOutputFile.getOutputFile();
          fileOutputByteCounter.increment(rfs.getFileStatus(outputPath).getLen());
        }
    至此,Map任务宣告结束了,整体流程还是真是有点九曲十八弯的感觉。分析这么一个比较庞杂的过程,我一直在想如何更好的表达出我的想法,欢迎MapReduce的学习者,提出意见,共同学习

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