Spark源码系列（一）spark-submit提交作业过程

问题导读：
1.spark是如何提交作业的？
2.Akka框架是如何实现的？
3.如何实现调度的？



前言

折腾了很久，终于开始学习Spark的源码了，第一篇我打算讲一下Spark作业的提交过程。

这个是Spark的App运行图，它通过一个Driver来和集群通信，集群负责作业的分配。今天我要讲的是如何创建这个Driver Program的过程。

1、作业提交方法以及参数

我们先看一下用Spark Submit提交的方法吧，下面是从官方上面摘抄的内容。

# Run on a Spark standalone cluster
./bin/spark-submit 
  --class org.apache.spark.examples.SparkPi 
  --master spark://207.184.161.138:7077 
  --executor-memory 20G 
  --total-executor-cores 100 
  /path/to/examples.jar 
  1000

这个是提交到standalone集群的方式，打开spark-submit这文件，我们会发现它最后是调用了org.apache.spark.deploy.SparkSubmit这个类。

我们直接进去看就行了，main函数就几行代码，太节省了。

def main(args: Array[String]) {
    val appArgs = new SparkSubmitArguments(args)
    val (childArgs, classpath, sysProps, mainClass) = createLaunchEnv(appArgs)
    launch(childArgs, classpath, sysProps, mainClass, appArgs.verbose)
}

我们主要看看createLaunchEnv方法就可以了，launch是反射调用mainClass，精华全在createLaunchEnv里面了。

在里面我发现一些有用的信息，可能在官方文档上面都没有的，发出来大家瞅瞅。前面不带--的可以在spark-defaults.conf里面设置，带--的直接在提交的时候指定，具体含义大家一看就懂。

val options = List[OptionAssigner](
      OptionAssigner(args.master, ALL_CLUSTER_MGRS, false, sysProp = "spark.master"),
      OptionAssigner(args.name, ALL_CLUSTER_MGRS, false, sysProp = "spark.app.name"),
      OptionAssigner(args.name, YARN, true, clOption = "--name", sysProp = "spark.app.name"),
      OptionAssigner(args.driverExtraClassPath, STANDALONE | YARN, true,
        sysProp = "spark.driver.extraClassPath"),
      OptionAssigner(args.driverExtraJavaOptions, STANDALONE | YARN, true,
        sysProp = "spark.driver.extraJavaOptions"),
      OptionAssigner(args.driverExtraLibraryPath, STANDALONE | YARN, true,
        sysProp = "spark.driver.extraLibraryPath"),
      OptionAssigner(args.driverMemory, YARN, true, clOption = "--driver-memory"),
      OptionAssigner(args.driverMemory, STANDALONE, true, clOption = "--memory"),
      OptionAssigner(args.driverCores, STANDALONE, true, clOption = "--cores"),
      OptionAssigner(args.queue, YARN, true, clOption = "--queue"),
      OptionAssigner(args.queue, YARN, false, sysProp = "spark.yarn.queue"),
      OptionAssigner(args.numExecutors, YARN, true, clOption = "--num-executors"),
      OptionAssigner(args.numExecutors, YARN, false, sysProp = "spark.executor.instances"),
      OptionAssigner(args.executorMemory, YARN, true, clOption = "--executor-memory"),
      OptionAssigner(args.executorMemory, STANDALONE | MESOS | YARN, false,
        sysProp = "spark.executor.memory"),
      OptionAssigner(args.executorCores, YARN, true, clOption = "--executor-cores"),
      OptionAssigner(args.executorCores, YARN, false, sysProp = "spark.executor.cores"),
      OptionAssigner(args.totalExecutorCores, STANDALONE | MESOS, false,
        sysProp = "spark.cores.max"),
      OptionAssigner(args.files, YARN, false, sysProp = "spark.yarn.dist.files"),
      OptionAssigner(args.files, YARN, true, clOption = "--files"),
      OptionAssigner(args.files, LOCAL | STANDALONE | MESOS, false, sysProp = "spark.files"),
      OptionAssigner(args.files, LOCAL | STANDALONE | MESOS, true, sysProp = "spark.files"),
      OptionAssigner(args.archives, YARN, false, sysProp = "spark.yarn.dist.archives"),
      OptionAssigner(args.archives, YARN, true, clOption = "--archives"),
      OptionAssigner(args.jars, YARN, true, clOption = "--addJars"),
      OptionAssigner(args.jars, ALL_CLUSTER_MGRS, false, sysProp = "spark.jars")
 )

Driver程序的部署模式有两种，client和cluster，默认是client。client的话默认就是直接在本地运行了Driver程序了，cluster模式还会兜一圈把作业发到集群上面去运行。

指定部署模式需要用参数--deploy-mode来指定，或者在环境变量当中添加DEPLOY_MODE变量来指定。

下面讲的是cluster的部署方式，兜一圈的这种情况。

yarn模式的话mainClass是org.apache.spark.deploy.yarn.Client，standalone的mainClass是org.apache.spark.deploy.Client。

这次我们讲org.apache.spark.deploy.Client，yarn的话单独找一章出来单独讲，目前超哥还是推荐使用standalone的方式部署spark，具体原因不详，据说是因为资源调度方面的问题。

说个快捷键吧，Ctrl+Shift+N，然后输入Client就能找到这个类，这是IDEA的快捷键，相当好使。

我们直接找到它的main函数，发现了它居然使用了Akka框架，我百度了一下，被它震惊了。

2、Akka

在main函数里面，主要代码就这么三行。

//创建一个ActorSystem
val (actorSystem, _) = AkkaUtils.createActorSystem("driverClient",Utils.localHostName(),0,
　　conf, new SecurityManager(conf))
//执行ClientActor的preStart方法和receive方法
actorSystem.actorOf(Props(classOf[ClientActor], driverArgs, conf))
//等待运行结束
actorSystem.awaitTermination()

看了这里真的有点儿懵啊，这是啥玩意儿，不懂的朋友们，请点击这里Akka。下面是它官方放出来的例子：

//定义一个case class用来传递参数
case class Greeting(who: String)
//定义Actor，比较重要的一个方法是receive方法，用来接收信息的
class GreetingActor extends Actor with ActorLogging {
   def receive = {
       case Greeting(who) ⇒ log.info("Hello " + who)
   }
}
//创建一个ActorSystem
val system = ActorSystem("MySystem")
//给ActorSystem设置Actor
val greeter = system.actorOf(Props[GreetingActor], name = "greeter")
//向greeter发送信息，用Greeting来传递
greeter ! Greeting("Charlie Parker")

简直是无比强大啊，就这么几行代码就搞定了，接下来看你会更加震惊的。

我们回到Client类当中，找到ClientActor，它有两个方法，是之前说的preStart和receive方法，preStart方法用于连接master提交作业请求，receive方法用于接收从master返回的反馈信息。

我们先看preStart方法吧。

override def preStart() = {
    // 这里需要把master的地址转换成akka的地址，然后通过这个akka地址获得指定的actor
    // 它的格式是"akka.tcp://%s@%s:%s/user/%s".format(systemName, host, port, actorName)
    masterActor = context.actorSelection(Master.toAkkaUrl(driverArgs.master))
    // 把自身设置成远程生命周期的事件
    context.system.eventStream.subscribe(self, classOf[RemotingLifecycleEvent])

    driverArgs.cmd match {
      case "launch" =>
        // 此处省略100个字
        val mainClass = "org.apache.spark.deploy.worker.DriverWrapper"
        // 此处省略100个字
        // 向master发送提交Driver的请求，把driverDescription传过去，RequestSubmitDriver前面说过了，是个case class
        masterActor ! RequestSubmitDriver(driverDescription)

      case "kill" =>
        val driverId = driverArgs.driverId
        val killFuture = masterActor ! RequestKillDriver(driverId)
    }
}

从上面的代码看得出来，它需要设置master的连接地址，最后提交了一个RequestSubmitDriver的信息。在receive方法里面，就是等待接受回应了，有两个Response分别对应着这里的launch和kill。

线索貌似到这里就断了，那下一步在哪里了呢？当然是在Master里面啦，怎么知道的，猜的，哈哈。

Master也是继承了Actor，在它的main函数里面找到了以下代码：

val (actorSystem, boundPort) = AkkaUtils.createActorSystem(systemName, host, port, conf = conf, 
　　securityManager = securityMgr)
val actor = actorSystem.actorOf(Props(classOf[Master], host, boundPort, webUiPort, securityMgr), actorName)
val timeout = AkkaUtils.askTimeout(conf)
val respFuture = actor.ask(RequestWebUIPort)(timeout)
val resp = Await.result(respFuture, timeout).asInstanceOf[WebUIPortResponse]

和前面的actor基本一致，多了actor.ask这句话，查了一下官网的文档，这句话的意思的发送消息，并且接受一个Future作为response，和前面的actor ！ message的区别就是它还接受返回值。

具体的Akka的用法，大家还是参照官网吧，Akka确实如它官网所言的那样子，是一个简单、强大、并行的分布式框架。

小结：

Akka的使用确实简单，短短的几行代码即刻完成一个通信功能，比Socket简单很多。但是它也逃不脱我们常说的那些东西，请求、接收请求、传递的消息、注册的地址和端口这些概念。

3、调度schedule

我们接下来查找Master的receive方法吧，Master是作为接收方的，而不是主动请求，这点和hadoop是一致的。

   case RequestSubmitDriver(description) => {
        val driver = createDriver(description)
        persistenceEngine.addDriver(driver)
        waitingDrivers += driver
        drivers.add(driver)
        // 调度
        schedule()
         // 告诉client，提交成功了，把driver.id告诉它
        sender ! SubmitDriverResponse(true, Some(driver.id), s"Driver successfully submitted as ${driver.id}")
      }

这里我们主要看schedule方法就可以了，它是执行调度的方法。

private def schedule() {
    if (state != RecoveryState.ALIVE) { return }

    // 首先调度Driver程序，从workers里面随机抽一些出来
    val shuffledWorkers = Random.shuffle(workers) 
    for (worker <- shuffledWorkers if worker.state == WorkerState.ALIVE) {
      for (driver <- waitingDrivers) {
        // 判断内存和cpu够不够，够的就执行了哈
        if (worker.memoryFree >= driver.desc.mem && worker.coresFree >= driver.desc.cores) {
          launchDriver(worker, driver)
          waitingDrivers -= driver
        }
      }
    }

    // 这里是按照先进先出的，spreadOutApps是由spark.deploy.spreadOut参数来决定的，默认是true
    if (spreadOutApps) {
      // 遍历一下app
      for (app <- waitingApps if app.coresLeft > 0) {
        // canUse里面判断了worker的内存是否够用，并且该worker是否已经包含了该app的Executor
        val usableWorkers = workers.toArray.filter(_.state == WorkerState.ALIVE)
          .filter(canUse(app, _)).sortBy(_.coresFree).reverse
        val numUsable = usableWorkers.length
        val assigned = new Array[Int](numUsable) 
        // 记录每个节点的核心数
        var toAssign = math.min(app.coresLeft, usableWorkers.map(_.coresFree).sum)
        var pos = 0
        // 遍历直到分配结束
        while (toAssign > 0) {
          // 从0开始遍历可用的work，如果可用的cpu减去已经分配的>0,就可以分配给它
          if (usableWorkers(pos).coresFree - assigned(pos) > 0) {
            toAssign -= 1
            // 这个位置的work的可分配的cpu数+1
            assigned(pos) += 1
          }
          pos = (pos + 1) % numUsable
        }
        // 给刚才标记的worker分配任务
        for (pos <- 0 until numUsable) {
          if (assigned(pos) > 0) {
            val exec = app.addExecutor(usableWorkers(pos), assigned(pos))
            launchExecutor(usableWorkers(pos), exec)
            app.state = ApplicationState.RUNNING
          }
        }
      }
    } else {
      // 这种方式和上面的方式的区别是，这种方式尽可能用少量的节点来完成这个任务
      for (worker <- workers if worker.coresFree > 0 && worker.state == WorkerState.ALIVE) {
        for (app <- waitingApps if app.coresLeft > 0) {
          // 判断条件是worker的内存比app需要的内存多
          if (canUse(app, worker)) {
            val coresToUse = math.min(worker.coresFree, app.coresLeft)
            if (coresToUse > 0) {
              val exec = app.addExecutor(worker, coresToUse)
              launchExecutor(worker, exec)
              app.state = ApplicationState.RUNNING
            }
          }
        }
      }
    }
  }

它的调度器是这样的，先调度Driver程序，然后再调度App，调度App的方式是从各个worker的里面和App进行匹配，看需要分配多少个cpu。

那我们接下来看两个方法launchDriver和launchExecutor即可。

  def launchDriver(worker: WorkerInfo, driver: DriverInfo) {
    logInfo("Launching driver " + driver.id + " on worker " + worker.id)
    worker.addDriver(driver)
    driver.worker = Some(worker)
    worker.actor ! LaunchDriver(driver.id, driver.desc)
    driver.state = DriverState.RUNNING
  }

给worker发送了一个LaunchDriver的消息，下面在看launchExecutor的方法。

  def launchExecutor(worker: WorkerInfo, exec: ExecutorInfo) {
    logInfo("Launching executor " + exec.fullId + " on worker " + worker.id)
    worker.addExecutor(exec)
    worker.actor ! LaunchExecutor(masterUrl,
      exec.application.id, exec.id, exec.application.desc, exec.cores, exec.memory)
    exec.application.driver ! ExecutorAdded(
      exec.id, worker.id, worker.hostPort, exec.cores, exec.memory)
  }

它要做的事情多一点，除了给worker发送LaunchExecutor指令外，还需要给driver发送ExecutorAdded的消息，说你的任务已经有人干了。

在继续Worker讲之前，我们先看看它是怎么注册进来的，每个Worker启动之后，会自动去请求Master去注册自己，具体我们可以看receive的方法里面的RegisterWorker这一段，它需要上报自己的内存、Cpu、地址、端口等信息，注册成功之后返回RegisteredWorker信息给它，说已经注册成功了。

4、Worker执行

同样的，我们到Worker里面在receive方法找LaunchDriver和LaunchExecutor就可以找到我们要的东西。

case LaunchDriver(driverId, driverDesc) => {
      logInfo(s"Asked to launch driver $driverId")
      val driver = new DriverRunner(driverId, workDir, sparkHome, driverDesc, self, akkaUrl)
      drivers(driverId) = driver
      driver.start()

      coresUsed += driverDesc.cores
      memoryUsed += driverDesc.mem
}

看一下start方法吧，start方法里面，其实是new Thread().start()，run方法里面是通过传过来的DriverDescription构造的一个命令，丢给ProcessBuilder去执行命令，结束之后调用。

worker ！DriverStateChanged通知worker，worker再通过master ! DriverStateChanged通知master，释放掉worker的cpu和内存。

同理，LaunchExecutor执行完毕了，通过worker ! ExecutorStateChanged通知worker，然后worker通过master ! ExecutorStateChanged通知master，释放掉worker的cpu和内存。

下面我们再梳理一下这个过程，只包括Driver注册，Driver运行之后的过程在之后的文章再说，比较复杂。

1、Client通过获得Url地址获得ActorSelection（master的actor引用）,然后通过ActorSelection给Master发送注册Driver请求（RequestSubmitDriver）

2、Master接收到请求之后就开始调度了，从workers列表里面找出可以用的Worker

3、通过Worker的actor引用ActorRef给可用的Worker发送启动Driver请求（LaunchDriver）

4、调度完毕之后，给Client回复注册成功消息(SubmitDriverResponse)

5、Worker接收到LaunchDriver请求之后，通过传过来的DriverDescription的信息构造出命令来，通过ProcessBuilder执行

6、ProcessBuilder执行完命令之后，通过DriverStateChanged通过Worker

7、Worker最后把DriverStateChanged汇报给Master