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Spark SQL 之 DataFrame

概述（Overview）

Spark SQL是Spark的一个组件，用于结构化数据的计算。Spark SQL提供了一个称为DataFrames的编程抽象，DataFrames可以充当分布式SQL查询引擎。

DataFrames

DataFrame是一个分布式的数据集合，该数据集合以命名列的方式进行整合。DataFrame可以理解为关系数据库中的一张表，也可以理解为R/Python中的一个data frame。DataFrames可以通过多种数据构造，例如：结构化的数据文件、hive中的表、外部数据库、Spark计算过程中生成的RDD等。
DataFrame的API支持4种语言：Scala、Java、Python、R。

入口：SQLContext（Starting Point: SQLContext）

Spark SQL程序的主入口是SQLContext类或它的子类。创建一个基本的SQLContext，你只需要SparkContext，创建代码示例如下：

• Scala

val sc: SparkContext // An existing SparkContext.
val sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc)

• Java

JavaSparkContext sc = ...; // An existing JavaSparkContext.
SQLContext sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc);

除了基本的SQLContext，也可以创建HiveContext。SQLContext和HiveContext区别与联系为：

• SQLContext现在只支持SQL语法解析器（SQL-92语法）
• HiveContext现在支持SQL语法解析器和HiveSQL语法解析器，默认为HiveSQL语法解析器，用户可以通过配置切换成SQL语法解析器，来运行HiveSQL不支持的语法。
• 使用HiveContext可以使用Hive的UDF，读写Hive表数据等Hive操作。SQLContext不可以对Hive进行操作。
• Spark SQL未来的版本会不断丰富SQLContext的功能，做到SQLContext和HiveContext的功能容和，最终可能两者会统一成一个Context

HiveContext包装了Hive的依赖包，把HiveContext单独拿出来，可以在部署基本的Spark的时候就不需要Hive的依赖包，需要使用HiveContext时再把Hive的各种依赖包加进来。

SQL的解析器可以通过配置spark.sql.dialect参数进行配置。在SQLContext中只能使用Spark SQL提供的”sql“解析器。在HiveContext中默认解析器为”hiveql“，也支持”sql“解析器。

创建DataFrames（Creating DataFrames）

使用SQLContext，spark应用程序（Application）可以通过RDD、Hive表、JSON格式数据等数据源创建DataFrames。下面是基于JSON文件创建DataFrame的示例：

• Scala

val sc: SparkContext // An existing SparkContext.
val sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc)

val df = sqlContext.read.json("examples/src/main/resources/people.json")

// Displays the content of the DataFrame to stdout
df.show()

• Java

JavaSparkContext sc = ...; // An existing JavaSparkContext.
SQLContext sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc);

DataFrame df = sqlContext.read().json("examples/src/main/resources/people.json");

// Displays the content of the DataFrame to stdout
df.show();

DataFrame操作（DataFrame Operations）

DataFrames支持Scala、Java和Python的操作接口。下面是Scala和Java的几个操作示例：

• Scala

val sc: SparkContext // An existing SparkContext.
val sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc)

// Create the DataFrame
val df = sqlContext.read.json("examples/src/main/resources/people.json")

// Show the content of the DataFrame
df.show()
// age  name
// null Michael
// 30   Andy
// 19   Justin

// Print the schema in a tree format
df.printSchema()
// root
// |-- age: long (nullable = true)
// |-- name: string (nullable = true)

// Select only the "name" column
df.select("name").show()
// name
// Michael
// Andy
// Justin

// Select everybody, but increment the age by 1
df.select(df("name"), df("age") + 1).show()
// name    (age + 1)
// Michael null
// Andy    31
// Justin  20

// Select people older than 21
df.filter(df("age") > 21).show()
// age name
// 30  Andy

// Count people by age
df.groupBy("age").count().show()
// age  count
// null 1
// 19   1
// 30   1

• Java

JavaSparkContext sc // An existing SparkContext.
SQLContext sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc)

// Create the DataFrame
DataFrame df = sqlContext.read().json("examples/src/main/resources/people.json");

// Show the content of the DataFrame
df.show();
// age  name
// null Michael
// 30   Andy
// 19   Justin

// Print the schema in a tree format
df.printSchema();
// root
// |-- age: long (nullable = true)
// |-- name: string (nullable = true)

// Select only the "name" column
df.select("name").show();
// name
// Michael
// Andy
// Justin

// Select everybody, but increment the age by 1
df.select(df.col("name"), df.col("age").plus(1)).show();
// name    (age + 1)
// Michael null
// Andy    31
// Justin  20

// Select people older than 21
df.filter(df.col("age").gt(21)).show();
// age name
// 30  Andy

// Count people by age
df.groupBy("age").count().show();
// age  count
// null 1
// 19   1
// 30   1

详细的DataFrame API请参考 API Documentation。

除了简单列引用和表达式，DataFrames还有丰富的library，功能包括string操作、date操作、常见数学操作等。详细内容请参考 DataFrame Function Reference。

运行SQL查询程序（Running SQL Queries Programmatically）

Spark Application可以使用SQLContext的sql()方法执行SQL查询操作，sql()方法返回的查询结果为DataFrame格式。代码如下：

• Scala

val sqlContext = ...  // An existing SQLContext
val df = sqlContext.sql("SELECT * FROM table")

• Java

SQLContext sqlContext = ...  // An existing SQLContext
DataFrame df = sqlContext.sql("SELECT * FROM table")

DataFrames与RDDs的相互转换（Interoperating with RDDs）

Spark SQL支持两种RDDs转换为DataFrames的方式：

• 使用反射获取RDD内的Schema
  • 当已知类的Schema的时候，使用这种基于反射的方法会让代码更加简洁而且效果也很好。
• 通过编程接口指定Schema
  • 通过Spark SQL的接口创建RDD的Schema，这种方式会让代码比较冗长。
  • 这种方法的好处是，在运行时才知道数据的列以及列的类型的情况下，可以动态生成Schema

使用反射获取Schema（Inferring the Schema Using Reflection）

Spark SQL支持将JavaBean的RDD自动转换成DataFrame。通过反射获取Bean的基本信息，依据Bean的信息定义Schema。当前Spark SQL版本（Spark 1.5.2）不支持嵌套的JavaBeans和复杂数据类型（如：List、Array）。创建一个实现Serializable接口包含所有属性getters和setters的类来创建一个JavaBean。通过调用createDataFrame并提供JavaBean的Class object，指定一个Schema给一个RDD。示例如下：

public static class Person implements Serializable {
  private String name;
  private int age;

  public String getName() {
    return name;
  }

  public void setName(String name) {
    this.name = name;
  }

  public int getAge() {
    return age;
  }

  public void setAge(int age) {
    this.age = age;
  }
}

// sc is an existing JavaSparkContext.
SQLContext sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc);

// Load a text file and convert each line to a JavaBean.
JavaRDD<Person> people = sc.textFile("examples/src/main/resources/people.txt").map(
  new Function<String, Person>() {
    public Person call(String line) throws Exception {
      String[] parts = line.split(",");

      Person person = new Person();
      person.setName(parts[0]);
      person.setAge(Integer.parseInt(parts[1].trim()));

      return person;
    }
  });

// Apply a schema to an RDD of JavaBeans and register it as a table.
DataFrame schemaPeople = sqlContext.createDataFrame(people, Person.class);
schemaPeople.registerTempTable("people");

// SQL can be run over RDDs that have been registered as tables.
DataFrame teenagers = sqlContext.sql("SELECT name FROM people WHERE age >= 13 AND age <= 19")

// The results of SQL queries are DataFrames and support all the normal RDD operations.
// The columns of a row in the result can be accessed by ordinal.
List<String> teenagerNames = teenagers.javaRDD().map(new Function<Row, String>() {
  public String call(Row row) {
    return "Name: " + row.getString(0);
  }
}).collect();

通过编程接口指定Schema（Programmatically Specifying the Schema）

当JavaBean不能被预先定义的时候，编程创建DataFrame分为三步：

• 从原来的RDD创建一个Row格式的RDD
• 创建与RDD中Rows结构匹配的StructType，通过该StructType创建表示RDD的Schema
• 通过SQLContext提供的createDataFrame方法创建DataFrame，方法参数为RDD的Schema

示例如下：

import org.apache.spark.api.java.function.Function;
// Import factory methods provided by DataTypes.
import org.apache.spark.sql.types.DataTypes;
// Import StructType and StructField
import org.apache.spark.sql.types.StructType;
import org.apache.spark.sql.types.StructField;
// Import Row.
import org.apache.spark.sql.Row;
// Import RowFactory.
import org.apache.spark.sql.RowFactory;

// sc is an existing JavaSparkContext.
SQLContext sqlContext = new org.apache.spark.sql.SQLContext(sc);

// Load a text file and convert each line to a JavaBean.
JavaRDD<String> people = sc.textFile("examples/src/main/resources/people.txt");

// The schema is encoded in a string
String schemaString = "name age";

// Generate the schema based on the string of schema
List<StructField> fields = new ArrayList<StructField>();
for (String fieldName: schemaString.split(" ")) {
  fields.add(DataTypes.createStructField(fieldName, DataTypes.StringType, true));
}
StructType schema = DataTypes.createStructType(fields);

// Convert records of the RDD (people) to Rows.
JavaRDD<Row> rowRDD = people.map(
  new Function<String, Row>() {
    public Row call(String record) throws Exception {
      String[] fields = record.split(",");
      return RowFactory.create(fields[0], fields[1].trim());
    }
  });

// Apply the schema to the RDD.
DataFrame peopleDataFrame = sqlContext.createDataFrame(rowRDD, schema);

// Register the DataFrame as a table.
peopleDataFrame.registerTempTable("people");

// SQL can be run over RDDs that have been registered as tables.
DataFrame results = sqlContext.sql("SELECT name FROM people");

// The results of SQL queries are DataFrames and support all the normal RDD operations.
// The columns of a row in the result can be accessed by ordinal.
List<String> names = results.javaRDD().map(new Function<Row, String>() {
  public String call(Row row) {
    return "Name: " + row.getString(0);
  }
}).collect();