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Spark-Read-Deep-Dive.md

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Spark Paruqet Read Deep Dive
2018-11-01 04:05:52 -0700
Spark
Parquet
BigData

读取流程

入口点

我们以读取 parquet 文件为例, 使用 ss.read.parquet(path) 读取文件的时候, 入口点是sparkSession.baseRelationToDataFrame, 该方法接受一个 relation 返回一个 DataFrame.

问题的关键在于如何得到这个 relation(具体来说是 HadoopFsRelation), 其代码在 DataSource#resolveRelation, 里面代码比较多,因为要 infer schema 什么的, 所有代码最后只是要构造一个 HadoopFsRelation, 我们先来看 HadoopFsRelation 的定义:

case class HadoopFsRelation(
    location: FileIndex,
    partitionSchema: StructType,
    dataSchema: StructType,
    bucketSpec: Option[BucketSpec],
    fileFormat: FileFormat,
    options: Map[String, String])(val sparkSession: SparkSession)
  extends BaseRelation with FileRelation {}

下面我们来说说每个属性:

  1. location, 它的类型是 FileIndex, 其实这个 FileIndex 单独拿出来说内容也不少(我们可以使用这个来实现自己的 parquet index ), 这边只简单的提下(填个坑 之后详细讲下这个和各种 pruning), FileIndex 接口提供了一个 listFiles 的方法, 就是通过这个方法 Spark 知道要去哪里扫文件, 观察这个方法我们可以看到它传入了两个 filter, 可以用来做后续的 pruning, 如果有 partitionBy 的列, 那么就会多一级的目录, 所以这边返回的是一个 PartitionDirectory ( PartitionDirectory 是一个分区列的值带着一串文件列表).

    def listFiles(partitionFilters: Seq[Expression], dataFilters: Seq[Expression]): Seq[PartitionDirectory]

  2. partitionSchema: partitionBy 的列

  3. dataSchema: 数据文件本身的 schema, Spark 是从文件中 infer 出来的(如果用户没传的话)

  4. bucketSpec: 如果有 bucketBy 的话, bucketBy的信息, 详细可以见我之前的博客 Spark bucketing 机制

  5. fileFormat: 如果是 parquet 的话, 就是 ParquetFileFormat.

  6. 其他可选项

我们要读取一个文件, 得到一个 DF, 其实最主要的就是要知道文件的 schema 和 location, 如果有这两个属性, 我们完全可以自己 new 一个 HadoopFsRelation, 传给 baseRelationToDataFrame (我们也可以写自己的 relation, 里面可以带我们自己需要的信息).

Strategy 部分

Spark 靠各个 Strategy把 Logic plan 转换成 SparkPlan(以 Exec 结尾), . 读取文件会用到的 Strategy 是 FileSourceStrategy.

何时这个 Strategy 会被触发到? 主体代码在它的 apply 方法中, 在 apply 中可以看到, 当 match 到一个 HadoopFsRelation 时, 会触发到这个 Strategy.

case PhysicalOperation(projects, filters,
      l @ LogicalRelation(fsRelation: HadoopFsRelation, _, table, _)) =>

FileSourceStrategy 主要是用来生成 FileSourceScanExec(如果有 project 和 filter, 会生成 FilterExec/ProjectExec, 并把 FileSourceScanExec 作为他们的 child), 我们结合最后生成的 exec 的属性一起看看它到底做了什么.

val scan = FileSourceScanExec(
    fsRelation,
    outputAttributes,
    outputSchema,
    partitionKeyFilters.toSeq,
    bucketSet,
    dataFilters,
    table.map(_.identifier))

val afterScanFilter = afterScanFilters.toSeq.reduceOption(expressions.And)
val withFilter = afterScanFilter.map(execution.FilterExec(_, scan)).getOrElse(scan)
val withProjections = if (projects == withFilter.output) {
  withFilter
} else {
  execution.ProjectExec(projects, withFilter)
}
  1. fsRelation: 上面的 HadoopFsRelation
  2. outputAttributes/outputSchema: 从logic plan上拿到 project 和 filter, 得到具体会用到的的是哪些列(列存, 不用扫描所有列)
  3. partitionKeyFilters: 如果有 partition by 的列, 提取与其相关的 filter, 保存为 partitionKeyFilters.
  4. bucketSet: 如果有 bucket by, 得到具体要扫哪些 buckets, 具体看我另外一篇关于 Spark bucket 的博客
  5. dataFilters: 在没有 partition by 的列上的 filters
  6. tableIdentifier: table 在 metastore 的 identify.

Exec 部分

负责数据文件扫描的 spark plan 是 FileSourceScanExec, 借一张图来简要说明怎么会走到这个 Exec.

Spark SQL 内核剖析

从图中可以看到, 从 SQL 生成了一颗逻辑执行计划树. 每个逻辑执行计划的节点都会转换成对应的一个物理执行计划(也是一颗树状结构).

由于 Spark 会使用 Codegen, WholeStageCodegenExec 是所有 Exec 的入口点. child.asInstanceOf[CodegenSupport].inputRDDs() 处于所有的 exec 的最头部, 会沿着 exec 树一层层调用下去最后会走到:FileSourceScanExec#inputRDD, 如图:

先到 WholeStageCodegenExec 的 doExecute, 这里要下面会提到的有两个地方, 一个是 inputRDDs, 另一个是 buffer.hasNext :

  override def doExecute(): RDD[InternalRow] = {
    ...
    val (ctx, cleanedSource) = doCodeGen()
    ...
    val rdds = child.asInstanceOf[CodegenSupport].inputRDDs()
    assert(rdds.size <= 2, "Up to two input RDDs can be supported")
    if (rdds.length == 1) {
      rdds.head.mapPartitionsWithIndex { (index, iter) =>
        val (clazz, _) = CodeGenerator.compile(cleanedSource)
        val buffer = clazz.generate(references).asInstanceOf[BufferedRowIterator]
        buffer.init(index, Array(iter))
        new Iterator[InternalRow] {
          override def hasNext: Boolean = {
            val v = buffer.hasNext
            if (!v) durationMs += buffer.durationMs()
            v
          }
          override def next: InternalRow = buffer.next()
        }
      }
    } 
  }

FileSourceScanExec

inputRDD 首先会调用具体 FileFormat 实现类的 buildReaderWithPartitionValues ,因为我们用的是 parquet 作为例子, 所以这里会是 ParquetFileFormat, build 出来一个 readFunction : ((PartitionedFile) => Iterator[InternalRow]), 顾名思义后面会用这个 func 来读取文件.

下一步的 createBucketedReadRDD 我们之前的博客分析过( Spark-Parquet-file-split ), 主要是用来切分 partitions, 并且返回一个 FileScanRDD.

  private lazy val inputRDD: RDD[InternalRow] = {
    val readFile: (PartitionedFile) => Iterator[InternalRow] =
      relation.fileFormat.buildReaderWithPartitionValues(
        sparkSession = relation.sparkSession,
        dataSchema = relation.dataSchema,
        partitionSchema = relation.partitionSchema,
        requiredSchema = requiredSchema,
        filters = pushedDownFilters,
        options = relation.options,
        hadoopConf = relation.sparkSession.sessionState.newHadoopConfWithOptions(relation.options))

    relation.bucketSpec match {
      case Some(bucketing) if relation.sparkSession.sessionState.conf.bucketingEnabled =>
        createBucketedReadRDD(bucketing, readFile, selectedPartitions, relation)
      case _ =>
        createNonBucketedReadRDD(readFile, selectedPartitions, relation)
    }
  }

Pushdown filter

首先在 FileSourceStrategy.apply, 拿到 logic plan 上的 Filter, 处理逻辑在 PhysicalOperation#collectProjectsAndFilters, 这里看个方法splitConjunctivePredicates, 这个方法会把 Filter 按照 And 切开, 但是也不是遍历着切, 如果你外面套着个 And, 才会切, 所以会得到一个 Seq:

  protected def splitConjunctivePredicates(condition: Expression): Seq[Expression] = {
    condition match {
      case And(cond1, cond2) =>
        splitConjunctivePredicates(cond1) ++ splitConjunctivePredicates(cond2)
      case other => other :: Nil
    }
  }

在 FileSourceStrategy 中, 会用这个 filter 构造 dataFilters:val dataFilters = normalizedFilters.filter(_.references.intersect(partitionSet).isEmpty), 这里会过滤掉 partition by 的列的 filter, 这个后面会单独传给 exec.

在 ScanExec 中, 会构造 pushedDownFilters: dataFilters.flatMap(DataSourceStrategy.translateFilter), 它把 Expression 转成 sources.Filter.

注意这个 translateFilter 不支持任何的函数, 例如 cast, substr 等, filter 表达式中带着函数的, 会被直接跳过, 在最后的 pushedDownFilters 中, 也不会有这个 Expression 的 Filter.

FileIndex

TBD

FileScanRDD

比较重要的是 currentIterator:Iterator[Object] 这个东西, compute 方法吐出去的就是这个 iter. 可以看到这个 iter 通过之前 FileFormat 里生成的 readFunction 来生成的.

private def readCurrentFile(): Iterator[InternalRow] = {
  try {
    readFunction(currentFile)
  } catch {
    case e: FileNotFoundException =>
      throw new FileNotFoundException(
        e.getMessage + "\n" +
          "It is possible the underlying files have been updated. " +
          "You can explicitly invalidate the cache in Spark by " +
          "running 'REFRESH TABLE tableName' command in SQL or " +
          "by recreating the Dataset/DataFrame involved.")
  }
}

注意这个 rdd.iterator codegen

scan_mutableStateArray_0[0].hasNext() 调用到了 rdd 的 iter

    private void scan_nextBatch_0() throws java.io.IOException {
        long getBatchStart = System.nanoTime();
        if (scan_mutableStateArray_0[0].hasNext()) {
            scan_mutableStateArray_1[0] = (org.apache.spark.sql.vectorized.ColumnarBatch)scan_mutableStateArray_0[0].next();
            ((org.apache.spark.sql.execution.metric.SQLMetric) references[0] /* numOutputRows */).add(scan_mutableStateArray_1[0].numRows());
            scan_batchIdx_0 = 0;
            scan_mutableStateArray_2[0] = (org.apache.spark.sql.execution.vectorized.OnHeapColumnVector) scan_mutableStateArray_1[0].column(0);

        }
        scan_scanTime_0 += System.nanoTime() - getBatchStart;
    }

RecordReaderIterator

上面的 currentIterator 其实是一个 RecordReaderIterator, 里面包装了 RecordReader. 对于 Parquet 的实现是 VectorizedParquetRecordReader.

initialize
  blocks = filterRowGroups(filter, footer.getBlocks(), fileSchema);
  this.reader = new ParquetFileReader(
    configuration, footer.getFileMetaData(), file, blocks, requestedSchema.getColumns())
nextKeyValue
getCurrentValue
checkEndOfRowGroup