《Spark数据分析：基于Python语言 》 —1.1.2　Hadoop简介

1.1.2　Hadoop简介

Hadoop是一个数据存储与数据处理平台，项目起源于数据本地化的核心概念。数据本地化（data locality）指在数据存储的地方处理数据，让计算靠近数据，而不是像数据库管理系统那样向数据存储请求数据，发到远端数据处理系统或者主机进行计算。

由于网络应用快速发展导致大数据的出现，在计算时通过网络传输大量数据的传统方式不再高效、实用，有时甚至无法实现。

Hadoop让大型数据集可以在各节点上通过无共享（shared nothing）的方式在本地处理，每个节点可以独立处理比整个数据集小得多的一个子集，而无须与其他节点通信。这种特性是通过分布式文件系统实现的。

Hadoop在执行写操作时是没有结构信息的。这就是所谓的读时模式（schema-on-read）系统。这意味着Hadoop可以存储和处理各种各样的数据，无论是无结构的文本文档，还是半结构化的JSON（JavaScript Object Notation）文档或XML文档，又或是从关系型数据库中提取的完全结构化的数据。

读时模式系统和我们所熟知的关系型数据库有着本质区别。关系型数据库通常被认为属于写时模式（schema-on-read），数据一般具有强结构性，表结构是预定义的，并且在INSERT、UPDATE和UPSERT等操作时要求结构完全匹配。

类似HBase或者Cassandra这样的NoSQL平台也属于读时模式系统。你会在第6章了解到更多NoSQL平台相关的内容。

由于在Hadoop的写操作时并没有明确的结构信息，所以写出的文件并没有索引、统计信息，或是数据库系统常用的其他一些用于优化查询操作、筛选或减少返回到客户端的数据量的数据结构。这进一步凸显了数据本地化的必要性。

Hadoop的设计思路是通过对大型问题分而治之的方法，运用数据本地化与无共享的概念，将大型问题切分成一系列小规模的问题，实现“大海里捞针”。Spark也使用了非常相似的概念。

1.Hadoop核心组件

Hadoop包含两个核心组件：HDFS（Hadoop分布式文件系统）和YARN（Yet Another Resource

Negotiator，另一个资源协调器）。HDFS是Hadoop

的存储系统，而YARN可以当作Hadoop处理或者资源调度的子系统（如图1.1所示）。

这两个组件相互独立，可以各自运行在自己的集群上。当HDFS集群和YARN集群部署在一起时，我们把这两个系统的组合称为一个Hadoop集群。Hadoop的这两个核心组件都可以被Spark利用起来，本章的后续部分会进一步讨论。

集群术语

集群（cluster）指一组协同工作执行诸如计算或处理功能的系统。集群中的单个服务器称为节点（node）。

集群可以有多种拓扑和通信模型。其中一种模型为主-从模型。主-从模型是由一个进程控制其他至少一个进程的通信方式。在某些系统中，直到运行时或处理任务时，主节点才从一组可用的进程中选出来的。但在其他情况下，比如HDFS集群或者YARN集群里，主进程和从进程的角色都是预先分配好的，在集群整个生命周期里不会发生变化。

任何以某种方式与Hadoop交互或者整合的项目都称为Hadoop“生态圈”项目，比如Flume、Sqoop等数据接入项目，或者Pig、Hive等数据分析工具。Spark可以当作一个Hadoop生态圈项目，不过这有一些争议，因为Spark无须Hadoop也能运行。

2.HDFS：文件、数据块、元数据

HDFS是一种虚拟文件系统，其中的文件由分布在集群中至少一个节点上的数据块（block）组成。在把文件上传到文件系统的时候，文件会按照配置好的数据块大小进行分割，这样的过程称为数据接入（ingestion）。分割后得到的数据块分布在整个集群的节点上，每个数据块会重复出现在几个节点上，以此实现容错，并提高本地处理数据的概率（设计目的是“让计算靠近数据”）。HDFS数据块由HDFS集群从节点的DataNode进程存储和管理。

DataNode进程是HDFS从节点守护进程，运行在HDFS集群中至少一个节点上。DataNode负责管理数据块存储和数据读写访问，还有数据块复制，这也是数据接入过程的一部分，如图1.2所示。

图1.2　HDFS数据接入、数据块分布和复制

文件系统的元数据中存储着文件系统的信息，还有其中的目录、文件信息，以及组成文件的物理数据块信息。HDFS的主节点进程称为NameNode，文件系统元数据就存储在NameNode进程的常驻内存里。HDFS集群的NameNode通过类似于关系型数据库事务日志的日志功能为元数据提供持久性。NameNode负责为HDFS客户端提供读写数据块的具体位置，这样客户端就可以直接和DataNode通信并进行数据操作。图1.3呈现了HDFS读操作的示意图，而图1.4解析了HDFS写操作的过程。

3.用YARN进行应用调度

YARN管理并协调着Hadoop里的数据处理。在这种场景下，数据一般都以HDFS作为输入输出源。YARN集群架构使用的是与HDFS类似的主从集群框架，主节点守护进程称为ResouceManager，而从节点守护进程称为NodeManager，至少有一个，运行在集群的从节点上。

图1.3　HDFS读操作解析

图1.4　HDFS写操作解析

ResourceManager负责为集群上运行的应用分配集群计算资源。资源以容器作为单位分配，容器有预定义好的CPU核心数和内存限制。容器分配的最大最小阈值等都可以在集群中进行配置。使用容器可以保障进程间的资源隔离。

ResourceManager也会在随应用退出并释放所占资源时维护集群剩余可用的资源量，同时还跟踪集群上当前运行的应用的状态。ResourceManager默认会在所运行主机的8088端口上提供内嵌的网页版用户交互界面，这对于查看应用状态很有用，无论应用正在运行、运行完成或是运行失败，如图1.5所示。这个用户界面在管理YARN集群上运行的Spark应用状态时需要经常用到。

图1.5　YARN资源管理器ResourceManager用户界面

客户端把应用（比如一个Spark应用程序）提交到ResourceManager，然后ResourceManager首先从集群中一个可用的NodeManager里分配出应用的第一个容器，作为应用的委托进程，这个进程就是ApplicationMaster。然后ApplicationMaster继续为应用申请运行任务所需的其余容器。

NodeManager是YARN从节点守护进程，管理从节点主机上运行的容器。容器用于执行应用里的任务。回想一下无共享的概念，Hadoop解决大规模问题的思路是“分而治之”，大规模问题被分解为一堆小规模任务，很多任务可以并发执行。这些任务都运行在容器里，该容器由运行着NodeManager进程的主机分配。

大多数容器只是运行任务。不过，ApplicationMaster会额外负责管理整个应用。前面介绍过，ApplicationMaster是由ResourceManager从NodeManager上分配的第一个容器。它的任务是规划整个应用，包括决定需要什么资源（通常基于要处理多少数据）以及为应用的各阶段（稍后会介绍）安排资源。ApplicationMaster代表应用向ResourceManager申请这些资源。ResourceManager从NodeManager上（可以是同一个NodeManager，也可以是其他的NodeManager）给ApplicationMaster分配资源以供该应用使用，直到该应用退出。后面会详细介绍，对于Spark而言，ApplicationMaster会监控任务、阶段（一组可以并发执行的Spark任务）还有依赖的进度。综述信息会传给ResouceManager，展示在前面介绍过的用户界面中。图1.6展示了YARN应用提交、调度和执行的过程的概况。

图1.6描述的过程如下所述：

1）客户端把应用提交给ResourceManager。

2）ResourceManager在一个拥有足够容量的NodeManager上分配出一个ApplicationMaster进程。

3）ApplicationMaster向ResourceManager申请容器用于在NodeManager上运行任务（运行着ApplicationMaster的NodeManager也可以再分配任务容器），并且把应用的处理任务分发到这些NodeManager提供的任务容器里。

4）各NodeManager把任务尝试的状态和进度汇报给ApplicationMaster。

图1.6　YARN中的应用提交、调度，以及执行（Hadoop 2.6）

5）ApplicationMaster向ResourceManager汇报应用的进度和状态。

6）ResourceManager向客户端汇报应用进度、状态以及执行结果。

我们会在第3章中探索如何利用YARN来调度和协调运行在Hadoop集群上的Spark程序。

Hadoop MapReduce（映射-归约）

谷歌在2003年发布的白皮书《The Google File System》影响了HDFS项目，紧接着谷歌又在2004年12月发布了题为《MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters》的白皮书。MapReduce的白皮书从高层描述了谷歌的数据处理方式，尤其是搜索引擎中的海量文本数据的索引和排位。MapReduce成为了Hadoop的核心编程模型，最终也启发并影响了Spark项目。

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