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【Free Style】Hadoop-Yarn之Resource Manager源码分析(三)

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4      算法介绍

Yarn的调度器的作用主要是回答了如何选择一堆队列，在队列上如何选择一个应用的问题。

Yarn Scheduler支持的调度机制包括：

a)         双层资源调度机制-----核心，Yarn资源分配总体架构

b)        层级队列管理机制----对上层资源分配的管理方式；

c)         资源保证和资源抢占机制----保证资源需求的机制

目前Yarn支持的调度算法主要有三种，Fifo Scheduler，Capacity Scheduler，Fair Scheduler。

a)         FIFO Scheduler：最简单的调度器，按照先进先出的方式处理应用。只有一个队列可提交应用，所有用户提交到这个队列。

b)        Capacity Scheduler（Yahoo）：可以看作是FifoScheduler的多队列版本。每个队列可以限制资源使用量。但是，队列间的资源分配以使用量作排列依据，使得容量小的队列有竞争优势。在同一个队列中使用FIFO

c)         Fair Scheduler（Facebook）：多队列，多用户共享资源。特有的客户端创建队列的特性，使得权限控制不太完美。根据队列设定的最小共享量或者权重等参数，按比例共享资源。延迟调度机制跟CapacityScheduler的目的类似，但是实现方式稍有不同。

算法对比如下：

调度器

FifoScheduler

CapacityScheduler

FairScheduler

设计目的

最简单的调度器，易于理解和上手

多用户的情况下，最大化集群的吞吐和利用率

多用户的情况下，强调用户公平地贡献资源

队列组织方式

单队列

树状组织队列。子队列的资源限制计算是基于父队列的。

树状组织队列。但是父队列和子队列没有参数继承关系。父队列的资源限制对子队列没有影响。

资源限制

无

父子队列之间有容量关系。每个队列限制了资源使用量，全局最大资源使用量，最大活跃应用数量等。

每个叶子队列有最小共享量，最大资源量和最大活跃应用数量。用户有最大活跃应用数量的全局配置。

队列ACL限制

可以限制应用提交权限

可以限制应用提交权限和队列开关权限，父子队列间的ACL会继承。

可以限制应用提交权限，父子队列间的ACL会继承。但是由于支持客户端动态创建队列，需要限制默认队列的应用数量。

队列排序算法

无

按照队列的资源使用量最小的优先

根据公平排序算法排序

应用选择算法

先进先出

先进先出

先进先出或者公平排序算法

本地优先分配

支持

支持

支持

延迟调度

不支持

支持

支持

资源抢占

不支持

支持

支持

4.1      资源分配模型

Yarn的资源分配模型如下，当NM通过心跳信息告知RM本身所拥有的资源之后，RM中调度器需要选择一个应用为其分配资源。其基本步骤如下：

1）选择队列：Capacity Scheduler优先选择资源利用率低的队列；而FairScheduler则依赖于所选择的具体策略，可以是Fair，FIFO，或者DRF。

2）从队列中选择应用：Capacity Scheduler使用FIFO，而Fair Scheduler同样使用Fair、FiFO，DRF等方式；

3）最后从应用中选择合适的容器进行分配，主要依赖于容器的优先级以及本地性特征。

Capacity Scheduler

Capacity Scheduler允许多租户能够安全共享一个大的集群，在满足分配容量的限制下，为应用及时分配资源。CapacityScheduler确保共享一个大的集群的每一个组织所需的资源。资源共享的同时，每个组织可以访问那些不被使用的超额资源。

CapacityScheduler提供一个严格的限制集合，确保单个应用/用户/队列不能消耗不成比例的资源，同时，CapacityScheduler支持来自单个用户或者队列的已初始化/挂起的应用的限制，从而确保集群的公平和稳定。

目前Capacity支持以下特性：

a)         Hierarchical Queues：层次化队列确保资源共享。

b)        Capacity Guarantees：所有提交到一个queue上的应用可以访问所有分配给该queue的资源。管理员可以配置软限制或者可选的硬性要求在这些queue上的资源。

c)         Security ：每个queue都有严格的ACL用于控制哪些用户可以提交应用到某个queue上。同时也确保用户不能看到或者修改其他用户的引用。支持per-queue管理员角色和系统管理员角色。

d)        Elasticity ：空闲资源可以超分配给任意的queue，但是如果有一些在容量以下的queue需要资源时，这些资源将会被分配给那些在不足容量的队列的应用，这样可以防止集群中有人而已占用资源。

e)         Multi-tenancy：全面的限制以防止单个应用、用户、队列垄断整个queue或者集群的资源。

f)         Operability：1）Runtime Configuration：queue可以被动态修改（包括定义和属性，如容量，ACL等），也可以被动态创建，但是不能动态删除。2）Drain applications：管理员可以停止一个queue，新的应用不能被提交到该queue，但是已经存在的app可以运行到结束为止。管理员也可以重新start一个停止了的queue。

g)        Resource-based Scheduling：支持资源密集型app，app可以指定比默认情况更高的资源需求。目前支持内存资源。

h)        Queue Mapping based on User or Group：基于user或者group将一个job映射到一个指定的queue。

Queue（队列）是CapacityScheduler提供的主要抽象，由管理员创建表示共享集群的价值。CapacityScheduler提供多级别的queue，确保同一个组织的queue优先共享空闲资源，提供同一个组织中应用对于共享资源的亲和性。CapacityScheduler有一个预定义的queue，叫做root。系统中所有其他的queue都是root的子queue。子queue不会直接继承父亲的属性，除非有另外的说明。下图是queue的配置文件：

Capacity Scheduler的Queue可配置属性属性（etc/hadoop/capacity-scheduler.xml）：

a)         资源分配

i.              Capacity：百分比，同一层的所有queue的综合等于100.但是queue中应用可以消耗比queue capacity更多的资源（当存在空闲资源时），提供弹性能力。

ii.              Maximum Capacity：限制queue中app的弹性值。

iii.              Minimum-user-limit：每个队列在任意时刻分配给一个用户的资源分配比例最低值。通常还有一个默认最大值，是总资源/用户数。

iv.              User-limit-factor：queue容量的倍数，用于单个用户获取更多的资源，通常设置为1。

v.              Maximum-allocation-mb：queue中分配给每个container的最大内存。覆盖集群中maximum-allocation-mb参数，但是要小于等于该值。

vi.              Maximum-allocation-vcores：queue中分配给每个container的最大virtual core。覆盖集群中maximum-allocation-vcores参数，但是要小于等于该值。

b)        运行、挂起进程限制

i.              Maximum-applications/per-queue Maximum-applications: 系统中并发的app最大个数，单个queue上的app个数按照容量的比例进行划分。也可以对每个queue进行单独设置，但是要小于或者等于比例划分的值。

ii.              Maximum-am-resource-percent / per-queue Maximum-am-resource-percent: 运行AM的资源最大比例。

c)         Queue管理和权限

i.              State：queue的状态，可以是running或者stopped

ii.              Acl_submit_applications: 控制app提交权限；acl规则如果没有被特殊指定会从父queue继承。

iii.              Acl_administer_queue：控制app管理权限。

d)        Queue映射

i.              Queue-mappings：指定user或者group与特定的queue进行映射。

ii.              Queue-mapping-override.enable：特定user的queue是否可以被覆盖。

Capacity Scheduler具有的其他属性：

a)         资源计算器

i.              resource-calculator：用于在Scheduler中比较资源。如DefaultResourceCalculate和DominantResourceCalculate，前者只使用内存，后者使用多种条件。

b)        数据位置

i.              node-locality-delay：在本rack中执行调度允许失败的次数。

4.3      Fair Scheduler

Fair Scheduler为每个app平均分配资源，资源的等价共享。Hadoop NextGen能够基于多种资源类型进行调度，目前，Fair Scheduler的缺省决策基于内存，但是也可以配置基于内存和CPU，使用DRF。Fair Scheduler不像缺省的hadoop调度器，他可以确保短任务在理想时间内执行完成，并且长任务不会饿死。

Fair Scheduler将app组织为queue，然后在queue之间进行公平共享。缺省的，所有用户共享一个名为default的queue，但是如果app在容器资源请求中指定了队列，那么该请求将会被提交到对应的queue。另外也可以通过包含在配置请求中的用户名字分配queue。在每个queue中，调度策略被用于在所有running app之间共享资源。缺省调度策略是基于内存的公平共享，但是也可以配置FIFO以及DRF多资源调度策略。Queue可以被划分成多个子queue，同时每个queue配置不同的权值。

Fair Scheduler的queue具有以下属性：

a)         Fair Scheduler支持层次化queue，所有的queue都从“root”queue划分出来。

b)        所有的可用资源在root queue的所有子queue之间按照fair Scheduling方式进行分发；同时这些queue也按照相同的方式分发给他们的子queue。App只能在叶子queue上进行调度。

c)         Queue的名字：parent.queuename

d)        Fair scheduler允许按照用户的需要对不同的queue设置不同的客户策略，以便按照用户的需要共享资源。可选的调度策略包括：FIFOPolicy， FairSharePolicy，DRFPolicy。

Fair Scheduler除了提供公平共享，同时也能够提供最小共享保证，这对于保证某些user，group或者产品app总是能够得到足够的资源是非常有用的。当一个queue包含app时，它至少能够分配到最小的share，但是如果当这个queue不需要他所有的share时，超额部分可以分配给其他app。这可以在保证queue capacity的同时，在queue中没有app时有效提供资源利用率。

4.3.1        Fair Scheduler调度流程

Fair Scheduler的调度流程：

对Queue进行排序，使用SchedulingAlgorithms.FairShareComparator排序。排序规则如下

1)    比较 资源使用量 < min(资源需求量,最小份额），即是否饥饿；

2)    比较 资源分配比=资源使用量/min(资源需求量, 最小份额, 1)

3)    比较 使用量与权重的比例 =资源使用量/权值，小的排前面, 即权重大的优先, 使用量小的优先

4)    比较 提交时间，早的优先, app id小的排前面。

排序之后，第一个队列成为最优先分配资源的队列。因此只需要把资源分配给该队列；

然后基于特定策略（FIFO，Fair，DRF等）将资源分配给应用；

如果第一个队列不需要资源，则继续分配给下一个队列。如果已经分配则继续执行第一步，直到资源分配完成。

4.3.2        Fair Scheduler支持的配置文件

Fair Scheduling支持的配置，主要有两类，一类是Scheduler范围的，在yarn-site.xml，另一类主要是在allocation file中，用于表示存在哪些queue以及他们相应的weights和capacities。

a)         在yarn-site.xml

i.              Allocation.file : allocation file的路径。

ii.              User-as-default-queue：是否使用分配相关的用户名作为默认的queue name。

iii.              Preemption：是否使用抢占；

iv.              Preemption.cluster-utilization-threshhold：抢占触发的利用率阈值。

v.              Sizebasedweight：是否基于app的size去分配shares，而不是等价共享。Size = loge(1 + requested memory) / loge(2)  此处并未说明request memory的单位。

vi.              Assignmultiple：是否允许在一个心跳中有多个container分配。

vii.              Max.assign：如果assignmultiple是true，则该字段表示最多多少个。

viii.              Locality.threshold.node：对于指定node请求container的APP，该参数指定了在其他节点上放置app之前在指定node上获得最后一个container的尝试调度次数。

ix.              Locality.threshold.rack：与node的概念相似，只是修改为rack；

x.              Allow-undeclared-pools：用于表示是否允许创建未指定的pool，在app提交的时候，如果submitter指定的app queue或者由user-as-default-queue使用的queue不存在是，该特性会创建对应的queue。如果该参数未指定，那么就会放到default queue。

xi.              Update-interval-ms：锁定调度器，重新计算公平共享，重新计算需求，检查是否应该得到抢占的时间间隔。

b)        在allocation file中

i.              Queue elements

1.         minResources：queue能够得到的最小资源。如果queue的最小共享没有得到满足，那么在同一个parent下，他会优先得到共享资源。如果多个queue资源没有得到满足，那么获得资源比例最小的queue具有最高优先级。

2.         maxResources：queue最大能够得到的资源。

3.         maxRunningApps：queue并发运行的app数量；

4.         maxAMShare：在一个queue中AM所能占用的资源比例。

5.         weight：queue的权值。权值为2的queue能得到的资源机会是权值为1的queue的两倍（这个权值和指定的资源量之间是什么关系，是否例如权值是2，mem是1G，vcore是2的queue 和 权值是1，mem是2G，vcore是4的queue之间怎么分配资源）

6.         schedulingPolicy：调度策略，fifo，fair，drf。其中fifo是指先提交的app优先获得container，后达到的在有剩余资源的时候才能运行。

7.         aclSubmitApps：可以提交app到该queue的user或者group列表；

8.         aclAdministerApps：可以管理该queue的user或者group列表

9.         minSharePreemptionTimeout：queue在最小share无法满足的情况下，抢占其他queue资源之前的等待时间；

10.     fairSharePreemptionTimeout：queue在低于公平共享阈值的情况下，抢占其他queue资源之前的等待时间；

11.     fairSharePreemptionThreshold：queue的公平共享抢占阈值，如果没有设置就从父亲继承。

ii.              User elements：user管理行为设置。

1.         MaxRunningApps：设置单个app并发运行app数量

iii.              userMaxAppsDefault：任一用户的缺省运行app数目。

iv.              defaultFairSharePreemptionTimeout：root queue的缺省公平共享抢占超时时间

v.              defaultMinSharePreemptionTimeout：root queue的缺省最小共享抢占超时时间

vi.              defaultFairSharePreemptionThreshold ：root queue的公平共享抢占阈值；

vii.              queueMaxAppsDefault ：queue的缺省运行app数；

viii.              queueMaxAMShareDefault ：queue的缺省AM资源限制；

ix.              defaultQueueSchedulingPolicy ：queue缺省的调度策略；

x.              queuePlacementPolicy ：要求调度器将app放置到queue中的规则列表

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