1. 前序
关于Executor如何运行算子，请参考前面博文：大数据：Spark Core（四）用LogQuery的例子来说明Executor是如何运算RDD的算子，当Executor进行reduce运算的时候，生成运算结果的临时Shuffle数据，并保存在磁盘中，被最后的Action算子调用，而这个阶段就是在ShuffleMapTask里执行的。
前面博客中也提到了，用什么ShuffleWrite是由ShuffleHandler来决定的，在这篇博客里主要介绍最常见的SortShuffleWrite的核心算法ExternalSorter.
2. 结构AppendOnlyMap
在前面博客中介绍了SortedShuffleWrite调用ExternalSorter.insertAll进行数据插入和数据合并的，ExternalSorted里使用了PartitionedAppendOnlyMap作为数据的存储方式
先来看PartitionedAppendOnlyMap的结构
虽然名字为Map,但是在这里和常见的Map的结构并不太一样，里面并没有使用链表结果保存相同的hash值的key，当插入的key的hashcode相同的时但key不相同，会通过i的叠加一直找到数组里空闲的位置。
这里有几个注意点：
- Key 注意这里的Key并不是通过Map里拆分的Key, 而是Tuple2(PartitionId,Key)，由分片的段和key组合的联合key
- 如何计算PartitionId? 这是由Partitioner来决定的
2.1 Partitioner
Partitioner的方法
abstract class Partitioner extends Serializable {
def numPartitions: Int
def getPartition(key: Any): Int
}
通过调用getPartition方法找到对应的partition相应的块，而常用的是HashPartitioner
def getPartition(key: Any): Int = key match {
case null => 0
case _ => Utils.nonNegativeMod(key.hashCode, numPartitions)
}
计算 key的hashCode，进行总的分片数求余，分配到对应的片区
3. Spill
在大数据的情况下进行归并，由于合并的数据量非常大，仅仅使用AppendOnlyMap进行数据的归并内存显然是不足够的，在这种情况下需要对讲内存里的已经归并的数据刷到磁盘上避免OOM的风险。
控制Spill到磁盘的阀值
- 内存：虽然Java的堆内存管理是由JVM虚拟机管控，但是Spark自己实现了一个简单的但不精准的内存管理，内存的申请在TaskMemoryManager里进行管理
if (elementsRead % 32 == 0 && currentMemory >= myMemoryThreshold) {
// Claim up to double our current memory from the shuffle memory pool
val amountToRequest = 2 * currentMemory - myMemoryThreshold
val granted = acquireMemory(amountToRequest)
myMemoryThreshold += granted
// If we were granted too little memory to grow further (either tryToAcquire returned 0,
// or we already had more memory than myMemoryThreshold), spill the current collection
shouldSpill = currentMemory >= myMemoryThreshold
}
在每添加32个元素的时候，检查一下当前的内存状况，currentMemory是Map当前大概使用的内存，myMemoryThreshold是可以使用的内存址，初始的时候受参数控制：
spark.shuffle.spill.initialMemoryThreshold
为何要尝试申请1倍的当前内存？AppendOnlyMap的每次扩容是1倍数组
- 数据的数量：有的时候每条数据量比较小，但是数据的数量非常大，为了避免在AppendOnlyMap里有大量的数据，在Spill的时候同时还可以使用数量的控制：
spark.shuffle.spill.numElementsForceSpillThreshold
3.1 如何Spill?
当从AppendOnlyMap到SpilledFile磁盘总共有3个过程
- 整理数组，将数组里的不存在KV的空间移除
- 按照区块排序，对同一区块里的Key使用TimeSort进行排序，TimeSort不在此处讨论
- Spill到文件的时候，只是保存了序列化了Key,Value并没有保存Key的区块信息，但在SpilledFile的对象中有记录每个partitionkey的数量的数组
SpilledFile的命名：temp_shuffle_UUID
4. 生成ShuffleWrite的数据文件
在3章节的时候，有没有考虑过为何要排序完才Spill到临时文件中？
Spark中是不要求在reduce端进行排序的，生成Shuffle的结果文件并不要求排序，但是因为Spill到文件中后，有可能相同的Key会分布在不同的文件中，所以需要对不同的文件进行相同的Key的值的计算。如果Spill到文件是乱序的，那代表在最后生成Shuffle结果的时候，还是要Load所有文件才能确定哪些Key是重复的需要做合并，这样依然面对着内存不够的情况。
生成Shuffle文件过程实际上就是个外排序的过程。
- 首先对AppendOnlyMap进行归并，排序
- 开始对同一区块的进行归并
- 将AppendOnlyMap，SpilledFile的文件进行优先级的Queue的迭代，每次迭代出所有Queue中一个最小的Key，最小的Key就是HashCode最小
private def mergeSort(iterators: Seq[Iterator[Product2[K, C]]], comparator: Comparator[K])
: Iterator[Product2[K, C]] =
{
val bufferedIters = iterators.filter(_.hasNext).map(_.buffered)
type Iter = BufferedIterator[Product2[K, C]]
val heap = new mutable.PriorityQueue[Iter]()(new Ordering[Iter] {
// Use the reverse of comparator.compare because PriorityQueue dequeues the max
override def compare(x: Iter, y: Iter): Int = -comparator.compare(x.head._1, y.head._1)
})
heap.enqueue(bufferedIters: _*) // Will contain only the iterators with hasNext = true
new Iterator[Product2[K, C]] {
override def hasNext: Boolean = !heap.isEmpty
override def next(): Product2[K, C] = {
if (!hasNext) {
throw new NoSuchElementException
}
val firstBuf = heap.dequeue()
val firstPair = firstBuf.next()
if (firstBuf.hasNext) {
heap.enqueue(firstBuf)
}
firstPair
}
}
}
- 当找到一个最小的Key的时候，并不能保存到ShuffleWrite文件中，因为有可能存在相同的最小的key，所以还需要在迭代找到下一个最小的Key，如果key的hashcode相同的时候，要进行相同的Key进行合并（因为Key的排序是依赖于HashCode的大小，所以相同的最小的Key代表的是HashCode相同的Key），如果不同则保存成相同HashCode的数组，进行下一次的优先queue的查找，直到找到的Key的hashcode大于最小的Key结束
if (!hasNext) {
throw new NoSuchElementException
}
keys.clear()
combiners.clear()
val firstPair = sorted.next()
keys += firstPair._1
combiners += firstPair._2
val key = firstPair._1
while (sorted.hasNext && comparator.compare(sorted.head._1, key) == 0) {
val pair = sorted.next()
var i = 0
var foundKey = false
while (i < keys.size && !foundKey) {
if (keys(i) == pair._1) {
combiners(i) = mergeCombiners(combiners(i), pair._2)
foundKey = true
}
i += 1
}
if (!foundKey) {
keys += pair._1
combiners += pair._2
}
}
- 将k,v内容写到shufflewrite的文件Shuffle_shuffleId_mapId_reduceId.data中去
- 重复前面的行为直到所有的key被迭代结束
- 前面的归并是以区块(Partition)为单位的，而data的文件里并没有保存区块的相关信息，但在每迭代完一个Partition的时候(SpilledFile文件里面也没有Partition的信息，但是是通过SpilledFile结构中的numPartition的数量来判断Partition的数据是否已经读完)，会生成一个Segement，Segement 里记录了这个块保存在data文件里的长度
- 最后生成Shuffle_shuffleId_mapId_reduceId.index文件，文件里记录了每个Partition在data文件中的位移
这样一个完整的Shuffle结果写入data的逻辑执行完了
5 总结
- 使用AppendOnlyMap数据结构进行输入数据的合并计算
- 输入的数据是进行分区合并计算，分区的方式是由Partitioner决定的
- 当内存不够的时候，会进行相同区块下的数据整理排序，Spill到临时文件temp_shuffle_UUID
- 最后对所有的数据集合（AppendOnlyMap里的数据和多个Spill的临时文件）进行区块的数据合并
- 生成Shuffle_shuffleId_mapId_reduceId.data 分区的数据文件，Shuffle_shuffleId_mapId_reduceId.index记录分区的位置