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  • Spark(Hive) SQL数据类型使用详解(Python)

    Spark SQL使用时需要有若干“表”的存在,这些“表”可以来自于Hive,也可以来自“临时表”。如果“表”来自于Hive,它的模式(列名、列类型等)在创建时已经确定,一般情况下我们直接通过Spark SQL分析表中的数据即可;如果“表”来自“临时表”,我们就需要考虑两个问题:
     
    (1)“临时表”的数据是哪来的?
    (2)“临时表”的模式是什么?
     
    通过Spark的官方文档可以了解到,生成一张“临时表”需要两个要素:
     
    (1)关联着数据的RDD;
    (2)数据模式;
     
    也就是说,我们需要将数据模式应用于关联着数据的RDD,然后就可以将该RDD注册为一张“临时表”。在这个过程中,最为重要的就是数据(模式)的数据类型,它直接影响着Spark SQL计算过程以及计算结果的正确性。
     
    目前pyspark.sql.types支持的数据类型:NullType、StringType、BinaryType、BooleanType、DateType、TimestampType、DecimalType、DoubleType、FloatType、ByteType、IntegerType、LongType、ShortType、ArrayType、MapType、StructType(StructField),其中ArrayType、MapType、StructType我们称之为“复合类型”,其余称之为“基本类型”,“复合类型”在是“基本类型”的基础上构建而来的。
     
    这些“基本类型”与Python数据类型的对应关系如下:
     
    NullType None
    StringType basestring
    BinaryType bytearray
    BooleanType bool
    DateType datetime.date
    TimestampType datetime.datetime
    DecimalType decimal.Decimal
    DoubleType float(double precision floats)
    FloatType float(single precision floats)
    ByteType int(a signed integer)
    IntegerType int(a signed 32-bit integer)
    LongType long(a signed 64-bit integer)
    ShortType int(a signed 16-bit integer)
     
    下面我们分别介绍这几种数据类型在Spark SQL中的使用。
     
    1. 数字类型(ByteType、ShortType、IntegerType、LongType、FloatType、DoubleType、DecimalType)
     
    数字类型可分为两类,整数类型:ByteType、ShortType、IntegerType、LongType,使用时需要注意各自的整数表示范围;浮点类型:FloatType、DoubleType、DecimalType,使用时不但需要注意各自的浮点数表示范围,还需要注意各自的精度范围。
     
    我们以常见的数据类型IntegerType来说明数字类型的使用方法:
     
     
    a. 模拟“一行两列”的数据,并通过parallelize方法将其转换为一个RDD source,这个RDD就是关联着数据的RDD;
     
    b. 创建数据模式,需要分别为这两列指定列名、列类型、可否包含空(Null)值;其中模式需要使用StructType表示,每一列的各个属性(列名称、列类型、可否包含空(Null)值)需要使用StructField表示;第一列的列名为col1,列类型为IntegerType,不可包含空(Null)值(False);第二列的列名为col2,列类型为IntegerType,不可包含空(Null)值(False);(注意:实际使用中每列的数据类型并不一定相同)
     
    c. 通过applySchema方法将数据模式schema应用于RDD source,这会产生一个SchemaRDD(具有模式的RDD) table;
     
    d. 将SchemaRDD table注册为一张表:temp_table;
     
    到此我们就完成了创建RDD、创建Schema、注册Table的整个过程,接下来就可以使用这张表(temp_table)通过Spark(Hive) SQL完成分析。其它数字类型的使用方式类似。
     
    实际上本例中“一行两列”的数据实际就是IntergerType的表示范围:[-2147483648, 2147483647],其它数字类型的表示范围如下:
     
    ByteType [-128, 127]
    ShortType [-32768, 32767]
    IntegerType [-2147483648, 2147483647]
    LongType [-9223372036854775808, 9223372036854775807]
    FloatType [1.4E-45, 3.4028235E38]
    DoubleType [4.9E-324, 1.7976931348623157E308]
     
    可以看出,虽然我们使用Python编写程序,这些数据类型的表示范围与Java中的Byte、Short、Integer、Long、Float、Double是一致的,因为Spark是Scala实现的,而Scala运行于Java虚拟机之上,因此Spark SQL中的数据类型ByteType、ShortType、IntegerType、LongType、FloatType、DoubleType、DecimalType在运行过程中对应的数据实际上是由Java中的Byte、Short、Integer、Long、Float、Double表示的。
     
    在使用Python编写Spark Application时需要牢记:为分析的数据选择合适的数据类型,避免因为数据溢出导致输入数据异常,但这仅仅能够解决数据输入的溢出问题,还不能解决数据在计算过程中可能出现的溢出问题。
     
    我们将上述例子中的示例数据修改为(9223372036854775807, 9223372036854775807),数据类型修改为LongType,现在的示例数据实际是LongType所能表示的最大值,如果我们将这两例值相加,是否会出现溢出的情况呢?
     
     
    输出结果:
     
     
    可以看出,实际计算结果与我们预想的完全一样,这是因为col1与col2的类型为LongType,那么col1 + col2的类型也应为LongType(原因见后),然而col1 + col2的结果值18446744073709551614已经超过LongType所能表示的范围([-9223372036854775808, 9223372036854775807]),必然导致溢出。
     
    因为我们使用的是HiveContext(SQLContext目前不被推荐使用),很多时候我们会想到使用“bigint”,
     
     
    输出结果依然是:
     
     
    要解释这个原因,需要了解一下Hive中数字类型各自的表示范围:
     
    通过比对可以发现Hive BIGINT的表示范围与LongType是一致的,毕竟Hive是Java实现的,因此我们可以猜想Hive tinyint、smallint、int、bigint、float、double与Java Byte、Short、Integer、Long、Float、Double是一一对应的(仅仅是猜想,并没有实际查看源码验证),所以我们将LongType的数据类型转换为BIGINT的方式是行不通的,它们的数值范围是一样的。
     
    那么我们应该如何解决溢出问题呢?注意到Hive Numeric Types中的最后一个数字类型:DECIMAL,从Hive 0.11.0引入,Hive 0.13.0开始支持用户可以自定义“precision”和“scale”。Decimal基于Java BigDecimal实现,可以表示不可变的任务精度的十进制数字,支持常规的数学运算(+,-,*,/)和UDF(floor、ceil、round等),也可以与其它数字类型相互转换(cast)。使用示例如下:
     
     
    使用Decimal时需要注意“precision”和“scale”值的选取,Java BigDecimal(BigInteger,后续会提到)取值范围理论上取决于(虚拟)内存的大小,可见它们是比较消耗内存资源的,因此我们需要根据我们的实际需要为它们选取合适的值,并且需要满足下述条件:
     
    整数部分位数(precision - scale) + 小数部分位数(scale) = precision
     
    LongType所能表示的最大位数:19,因为在我们的示例中会导致溢出问题,因此我们将数值转换为Decimal,并指定precision为38,scale为0,这样我们便可以得到正确的结果:
     
     
    需要注意的是计算结果类型也变成decimal.Decimal(Python),使用Python编写Spark Application时,pyspark也提供了DecimalType,它是一种比较特殊的数据类型,它不是Python内建的数据类型,使用时需要导入模块decimal,使用方式如下:
     
     
    使用数据类型DecimalType时有两个地方需要注意:
     
    (1)创建RDD时需要使用模块decimal中的Decimal生成数据;
     
    (2)DecimalType在Spark 1.2.0环境下使用时会出现异常:java.lang.ClassCastException: java.math.BigDecimal cannot be cast to org.apache.spark.sql.catalyst.types.decimal.Decimal,在Spark 1.5.0环境下可以正常使用,但需要将模块名称由“pyspark.sql”修改为“pyspark.sql.types”。
     
    我们明确指定数据的类型是什么,那么什么决定我们常规数学运算(+,-,*,/)之后的结果类型呢?这些数学运行在Hive中实际都是由UDF实现的(org.apache.hadoop.hive.ql.exec.FunctionRegistry),
     
     
    (1)+
     
     
    (2)-
     
     
    (3)*
     
     
    (4)/
     
     
    (5)%
     
     
    可以看出,“+”,“-”,“*”,“%”通过重载支持的数据类型:byte、short、int、long、float、double、decimal,“/”通过重载仅仅支持数据类型:double、decimal,计算的结果类型与输入类型是相同的,这也意味着:
    (1)数学运算“+”、“-”,“*”,“%”时可能会出现隐式转换(如int + long => long + long);
    (2)数学运算“/”则统一将输入数据转换为数据类型double或decimal进行运算,这一点也意味着,计算结果相应地为数据类型double或decimal。
     
    2. 时间类型(DateType,TimestampType)
     
    DateType可以理解为年、月、日,TimestampType可以理解为年、月、日、时、分、秒,它们分别对着着Python datetime中的date,datetime,使用示例如下:
     
     
    输出结果:
     
     
    3. StringType、BooleanType、BinaryType、NoneType
     
    这几种数据类型的使用方法大致相同,就不一一讲解了,注意BinaryType对应着使用了Python中的bytearray。
     
     
    输出结果:
     
     
    4. 复合数据类型(ArrayType、MapType、StructType)
     
    复合数据类型共有三种:数组(ArrayType)、字典(MapType)、结构体(StructType),其中数组(ArrayType)要求数组元素类型一致;字典(MapType)要求所有“key”的类型一致,所有“value”的类型一致,但“key”、“value”的类型可以不一致;结构体(StructType)的元素类型可以不一致。
     
    (1)ArrayType
     
    ArrayType要求指定数组元素类型。
     
     
    (2)MapType
     
    MapType要求指定键(key)类型和值(value)类型。
     
     
     
    (3)StructType
     
    StructType包含的元素类型可不一致,需要根据元素的次序依次为其指定合适的名称与数据类型。
     
     
     
    综上所述,Spark(Hive)SQL为我们提供了丰富的数据类型,我们需要根据分析数据的实际情况为其选取合适的数据类型(基本类型、复合类型)、尤其是数据类型各自的表示(精度)范围以及数据溢出的情况处理。
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