Spark入门笔记—基本概念与单机环境配置

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Spark学习笔记

本文通过收集Spark中的基本概念、在Mac上配置伪分布式环境并分别用Python、Scala、Java三种语言独立编程实现了分布式版的WordCount程序以进行测试学习，来熟悉Spark的常用操作。

Spark中的基本概念

Spark Shell

Spark的shell提供了一个简单的API可供学习, 其也是一个用于分析数据的强有力交互工具。

RDD(Resilient Distributed Dataset)

RDD（Resilient Distributed Dataset）叫做弹性分布式数据集，是Spark中最基本的数据结构。它是一个不可变的分布式对象集合。在RDD中的每一个数据集被划分进逻辑分区，不同的部分将在集群的不同节点上进行计算。RDD能够包含任意类型的对象，包括Python、Java、Scala甚至用户自定义类型。

Spark中的组件

Spark组件使Apache Spark快速和可靠。为了解决使用Hadoop MapReduce时出现的问题，很多Spark组件被构建出来。 Apache Spark具有以下组件：

  1. Spark Core
  2. Spark Streaming
  3. Spark SQL
  4. GraphX
  5. MLlib (Machine Learning)

Spark Core

Spark Core是大规模并行计算和分布式数据处理的基本引擎。它负责：

  1. 内存管理和故障恢复
  2. 在群集上调度，分发和监视作业
  3. 与存储系统交互

Spark Streaming

Spark Streaming 是Spark用于处理实时流数据的组件。它支持实时数据流的高吞吐量和容错流处理。基本流单元是 DStream ，其基本上是一系列用于处理实时数据的RDD（弹性分布式数据集）。

Spark SQL

Spark SQL 是Spark中的一个新模块，它将关系处理与Spark的函数式编程API集成在一起。 它支持通过SQL或Hive查询语言查询数据。以下是Spark SQL的四个库：

  1. Data Source API
  2. DataFrame API
  3. Interpreter & Optimizer
  4. SQL Service

GraphX

GraphX是用于图形和图形并行计算的Spark API。 因此，它使用弹性分布式属性图(Resilient Distributed Property Graph)扩展了Spark RDD。

MLlib

MLlib 代表机器学习库Machine Learning Library。Spark MLlib用于在Apache Spark中执行机器学习。

Spark的安装

Spark可以独立安装使用，也可以和Hadoop一起安装使用。这里我们采用和Hadoop一起安装使用，这样就可以让Spark使用HDFS存取数据。需要说明的是，当安装好Spark以后，里面就自带了Scala环境，不需要额外安装Scala.

本教程的具体运行环境如下：

  • Hadoop 3.1.3
  • Java JDK 1.8
  • Spark 2.4.5

安装JDK与Hadoop

https://fuhailin.github.io/Hadoop-on-MacOS/

安装Spark

由于已经安装了Hadoop，所以，在“Choose a package type”后面需要选择“Pre-build with user-provided Hadoop [can use with most Hadoop distributions]”，然后，点击“Download Spark”后面的“spark-2.4.5-bin-without-hadoop.tgz”下载即可。
Spark部署模式主要有四种：

  • Local模式（单机模式）
  • Standalone模式（使用Spark自带的简单集群管理器）
  • YARN模式（使用YARN作为集群管理器）
  • Mesos模式（使用Mesos作为集群管理器）

这里介绍Local模式（单机模式）的 Spark安装。我们选择Spark 2.4.5 版本，并且假设当前使用用户名hadoop登录了Linux操作系统(MacOS可忽略这一步操作)。

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sudo tar -zxf spark-2.4.2-bin-without-hadoop.tgz -C /usr/local/
cd /usr/local
sudo mv ./spark-2.4.2-bin-without-hadoop/ ./spark
sudo chown -R hadoop:hadoop ./spark          # 此处的 hadoop 为你的用户名，MacOS可忽略

安装后，还需要修改Spark的配置文件spark-env.sh

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cd /usr/local/spark
cp ./conf/spark-env.sh.template ./conf/spark-env.sh

编辑spark-env.sh文件(vim ./conf/spark-env.sh)，添加你的Hadoop配置信息:

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export SPARK_DIST_CLASSPATH=$(/usr/local/hadoop/bin/hadoop classpath)

有了上面的配置信息以后，Spark就可以把数据存储到Hadoop分布式文件系统HDFS中，也可以从HDFS中读取数据。如果没有配置上面信息，Spark就只能读写本地数据，无法读写HDFS数据。然后通过如下命令，修改环境变量vim ~/.bashrc，在.bashrc文件中添加如下内容：

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# SPARK CONFIG
export SPARK_HOME=/Users/vincent/opt/spark/spark-2.4.5-bin-without-hadoop-scala-2.12
export PATH=$PATH:$SPARK_HOME/bin

export PYTHONPATH=$SPARK_HOME/python:$SPARK_HOME/python/lib/py4j-0.10.7-src.zip:$PYTHONPATH
export PYSPARK_PYTHON=python3
export PATH=$HADOOP_HOME/bin:$SPARK_HOME/bin:$PATH

PYTHONPATH环境变量主要是为了在Python3中引入pyspark库，PYSPARK_PYTHON变量主要是设置pyspark运行的python版本。
.bashrc中必须包含JAVA_HOME,HADOOP_HOME,SPARK_HOME,PYTHONPATH,PYSPARK_PYTHON,PATH这些环境变量。如果已经设置了这些变量则不需要重新添加设置。
SPARK_HOME环境变量
接着还需要让该环境变量生效，执行source ~/.bashrc。
配置完成后就可以直接使用，不需要像Hadoop运行启动命令。
通过运行Spark自带的示例，验证Spark是否安装成功。

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run-example SparkPi

执行时会输出非常多的运行信息，输出结果不容易找到，可以通过 grep 命令进行过滤（命令中的 2>&1 可以将所有的信息都输出到 stdout 中，否则由于输出日志的性质，还是会输出到屏幕中）:

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run-example SparkPi 2>&1 | grep "Pi is"

过滤后的运行结果如下图示，
run-example SparkPi

使用 Spark Shell 编写代码

启动Spark Shell：spark-shell，启动spark-shell后，会自动创建名为sc的SparkContext对象和名为spark的SparkSession对象,如图：

Screen-Shot-2020-03-08-at-10.24.52-PM

加载text文件

spark创建sc，可以加载本地文件和HDFS文件创建RDD。这里用Spark自带的本地文件README.md文件测试。

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val textFile = sc.textFile("file:///Users/vincent/opt/spark/spark-2.4.5-bin-without-hadoop-scala-2.12/README.md")

加载HDFS文件和本地文件都是使用textFile，区别是添加前缀(hdfs://和file:///)进行标识。

PySpark独立应用程序编程

学习Spark程序开发，建议首先通过pyspark交互式学习，加深Spark程序开发的理解。
PySpark提供了简单的方式来学习 API，并且提供了交互的方式来分析数据。你可以输入一条语句，PySpark会立即执行语句并返回结果，这就是我们所说的REPL（Read-Eval-Print Loop，交互式解释器），为我们提供了交互式执行环境，表达式计算完成就会输出结果，而不必等到整个程序运行完毕，因此可即时查看中间结果，并对程序进行修改，这样可以在很大程度上提升开发效率。

前面已经安装了Hadoop和Spark，如果Spark不使用HDFS和YARN，那么就不用启动Hadoop也可以正常使用Spark。如果在使用Spark的过程中需要用到 HDFS，就要首先启动 Hadoop（启动Hadoop的方法可以参考上面给出的Hadoop安装教程）。
这里假设不需要用到HDFS，因此，就没有启动Hadoop。现在我们直接开始使用Spark。

注意：如果按照上面的安装步骤，已经设置了PYSPARK_PYTHON环境变量，那么你直接使用如下命令启动pyspark即可。
pyspark
如果没有设置PYSPARK_PYTHON环境变量，则使用如下命令启动pyspark

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PYSPARK_PYTHON=python3
pyspark

pyspark命令及其常用的参数如下：

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pyspark --master <master-url>

Spark的运行模式取决于传递给SparkContext的Master URL的值。Master URL可以是以下任一种形式：

  • local 使用一个Worker线程本地化运行SPARK(完全不并行)
  • local[*] 使用逻辑CPU个数数量的线程来本地化运行Spark
  • local[K] 使用K个Worker线程本地化运行Spark（理想情况下，K应该根据运行机器的CPU核数设定）
  • spark://HOST:PORT 连接到指定的Spark standalone master。默认端口是7077.
  • yarn-client 以客户端模式连接YARN集群。集群的位置可以在HADOOP_CONF_DIR 环境变量中找到。
  • yarn-cluster 以集群模式连接YARN集群。集群的位置可以在HADOOP_CONF_DIR 环境变量中找到。
  • mesos://HOST:PORT 连接到指定的Mesos集群。默认接口是5050。

需要强调的是，这里我们采用“本地模式”（local）运行Spark，关于如何在集群模式下运行Spark，可以参考后面的“在集群上运行Spark应用程序”。
在Spark中采用本地模式启动pyspark的命令主要包含以下参数：
–master：这个参数表示当前的pyspark要连接到哪个master，如果是local[*]，就是使用本地模式启动pyspark，其中，中括号内的星号表示需要使用几个CPU核心(core)；
–jars： 这个参数用于把相关的JAR包添加到CLASSPATH中；如果有多个jar包，可以使用逗号分隔符连接它们；

比如，要采用本地模式，在4个CPU核心上运行pyspark：

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pyspark --master local[4]

或者，可以在CLASSPATH中添加code.jar，命令如下：

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pyspark --master local[4] --jars code.jar

可以执行“pyspark –help”命令，获取完整的选项列表，具体如下：

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pyspark --help

上面是命令使用方法介绍，下面正式使用命令进入pyspark环境，可以通过下面命令启动pyspark环境：

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pyspark

该命令省略了参数，这时，系统默认是“bin/pyspark–master local[*]”，也就是说，是采用本地模式运行，并且使用本地所有的CPU核心。

启动pyspark后，就会进入“>>>”命令提示符状态,如下图所示：

创建 Python 脚本 my_script.py：

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#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-
from pyspark import SparkContext


if __name__ == "__main__":
    sc = SparkContext( 'local', 'test')
    logFile = "file:///Users/vincent/opt/spark/spark-2.4.5-bin-without-hadoop-scala-2.12/README.md"
    logData = sc.textFile(logFile, 2).cache()
    numAs = logData.filter(lambda line: 'a' in line).count()
    numBs = logData.filter(lambda line: 'b' in line).count()
    print('Lines with a: %s, Lines with b: %s' % (numAs, numBs))

通过 spark-submit 运行程序

我们也可以直接将Python脚本通过 spark-submit 提交到 Spark 中运行了，命令如下：

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spark-submit --class "SimpleApp" SimpleApp.py

Scala on Spark独立应用编程

1. 安装sbt

sbt是一款Spark用来对scala编写程序进行打包的工具，Spark 中没有自带 sbt，我通过到https://www.scala-sbt.org/download.html选择[sbt-1.3.8.zip](https://piccolo.link/sbt-1.3.8.zip)进行下载配置，将下载到的sbt-1.3.8.zip解压到某个目录并添加到环境变量当中：

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# SBT
export SBT_HOME=/Users/vincent/opt/sbt
export PATH=$PATH:$SBT_HOME/bin

如果在国内网络环境，sbt的网络依赖可能会存在下载阻碍，可以单独配置更换国内源，通过新增~/.sbt/repositories文件，添加如下内容后执行sbt --version查看是否正常：

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[repositories]
local
aliyun: http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public/
typesafe: http://repo.typesafe.com/typesafe/ivy-releases/, [organization]/[module]/(scala_[scalaVersion]/)(sbt_[sbtVersion]/)[revision]/[type]s/[artifact](-[classifier]).[ext], bootOnly
sonatype-oss-releases
maven-central
sonatype-oss-snapshots

(base) ➜ ~ sbt –version
sbt version in this project: 1.3.8
sbt script version: 1.3.8

2. Scala编码

Scala是一种与Java兼容的、面向对象的、函数式的编程语言。Spark更是在Scala中实现的，因此Spark中已经包含了Scala的编译器，可以选择不单独配置Scala环境。 在目录sparksrc/scalasrc/新建一个SimpleApp.scala文件，添加如下内容：

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/* SimpleApp.scala */
import org.apache.spark.SparkContext
import org.apache.spark.SparkContext._
import org.apache.spark.SparkConf
 
object SimpleApp {
    def main(args: Array[String]) {
        val logFile = "file:///Users/vincent/opt/spark/spark-2.4.5-bin-without-hadoop-scala-2.12/README.md" // Should be some file on your system
        val conf = new SparkConf().setAppName("Simple Application")
        val sc = new SparkContext(conf)
        val logData = sc.textFile(logFile, 2).cache()
        val numAs = logData.filter(line => line.contains("a")).count()
        val numBs = logData.filter(line => line.contains("b")).count()
        println("Lines with a: %s, Lines with b: %s".format(numAs, numBs))
    }
}

同时新建一个sbt工程文件build.sbt ：

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name := "Simple Project"
version := "1.0"
scalaVersion := "2.11.12"
libraryDependencies += "org.apache.spark" %% "spark-core" % "2.4.0"

3. 使用 sbt 打包 Scala 程序

进入sparksrc/scalasrc/目录，执行sbt package命令将整个应用程序打包成 JAR，如果首次运行会下载对应的依赖包，生成的 jar 包的位于生成的target目录中。

4. 通过 spark-submit 运行程序

最后，我们就可以将生成的 jar 包通过 spark-submit 提交到 Spark 中运行了，命令如下：

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spark-submit --class "SimpleApp" ./target/scala-2.11/simple-project_2.11-1.0.jar
# 上面命令执行后会输出太多信息，可以不使用上面命令，而使用下面命令查看想要的结果
spark-submit --class "SimpleApp" ./target/scala-2.11/simple-project_2.11-1.0.jar 2>&1 | grep "Lines with a:"

最终得到的结果如下：

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Lines with a: 61, Lines with b: 30

自此，就完成了我的第一个 Spark Scala应用程序了。

Java on Spark独立应用编程

1. 安装maven

Maven 是一个项目管理工具，可以对 Java 项目进行构建、依赖管理。Spark 中没有自带 Maven，我通过到http://maven.apache.org/download.cgi选择[ apache-maven-3.6.3-bin.zip](http://mirror.bit.edu.cn/apache/maven/maven-3/3.6.3/binaries/apache-maven-3.6.3-bin.zip)进行下载配置，将下载到的apache-maven-3.6.3-bin.zip解压到某个目录并添加到环境变量当中：

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# MAVEN
export MAVEN_HOME=/Users/vincent/opt/maven/apache-maven-3.6.3
export PATH=$PATH:$MAVEN_HOME/bin

同样可以为Maven配置更换国内源加速依赖文件下载，通过新增~/.m2/setting.xml文件，添加如下内容后执行mvn --version查看是否正常：

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<mirror>
    <id>alimaven</id>
    <name>aliyun maven</name>
    <url>http://maven.aliyun.com/nexus/content/groups/public/</url>
    <mirrorOf>central</mirrorOf>
</mirror>

(base) ➜ ~ mvn –version
Apache Maven 3.6.3 (cecedd343002696d0abb50b32b541b8a6ba2883f)
Maven home: /Users/vincent/opt/maven/apache-maven-3.6.3
Java version: 1.8.0_242, vendor: AdoptOpenJDK, runtime: /Library/Java/JavaVirtualMachines/adoptopenjdk-8.jdk/Contents/Home/jre
Default locale: en_CN, platform encoding: UTF-8
OS name: “mac os x”, version: “10.15.3”, arch: “x86_64”, family: “mac”

  1. Java编码

在 ~/sparksrc/javasrc 下建立一个名为 SimpleApp.java 的文件（vim ~/sparksrc/javasrc/SimpleApp.java），添加代码如下：

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/* SimpleApp.java */
import org.apache.spark.api.java.function.FilterFunction;
import org.apache.spark.sql.SparkSession;
import org.apache.spark.sql.Dataset;

public class SimpleApp {
    public static void main(String[] args) {
        String logFile = "file:///Users/vincent/opt/spark/spark-2.4.5-bin-without-hadoop-scala-2.12/README.md"; // Should be some file on your system
        SparkSession spark = SparkSession.builder().appName("Simple Application").getOrCreate();
        Dataset<String> logData = spark.read().textFile(logFile).cache();

        long numAs = logData.filter((FilterFunction<String>) s -> s.contains("a")).count();
        long numBs = logData.filter((FilterFunction<String>) s -> s.contains("b")).count();

        System.out.println("Lines with a: " + numAs + ", lines with b: " + numBs);

        spark.stop();
    }
}

同时新建一个Maven工程文件pom.xml：

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<project>
    <groupId>fuhailin.github.io</groupId>
    <artifactId>simple-project</artifactId>
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <name>Simple Project</name>
    <packaging>jar</packaging>
    <version>1.0</version>
    <repositories>
        <repository>
            <id>jboss</id>
            <name>JBoss Repository</name>
            <url>http://repository.jboss.com/maven2/</url>
        </repository>
    </repositories>
    <dependencies>
        <dependency> <!-- Spark dependency -->
            <groupId>org.apache.spark</groupId>
            <artifactId>spark-core_2.11</artifactId>
            <version>2.4.5</version>
        </dependency>
    </dependencies>
</project>

3. 使用 maven 打包 Java 程序

进入sparksrc/javasrc/目录，执行mvn package命令将整个应用程序打包成 JAR，如果首次运行同样会下载对应的maven依赖包，生成的 jar 包的位于生成的target目录中。

4. 通过 spark-submit 运行程序

最后，可以通过将生成的jar包通过spark-submit提交到Spark中运行，如下命令：

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spark-submit --class "SimpleApp" ./target/simple-project-1.0.jar
# 上面命令执行后会输出太多信息，可以不使用上面命令，而使用下面命令查看想要的结果
spark-submit --class "SimpleApp" ./target/simple-project-1.0.jar 2>&1 | grep "Lines with a"

这样我们就完成了Spark伪分布式环境的配置以及Spark中支持的三种编程语言的独立程序测试。

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一些学习资料：
Spark性能优化指南——基础篇
PySpark_SQL_Cheat_Sheet_Python.pdf

References:

  1. 大数据之Spark入门教程(Python版)|厦门大学数据库
  2. https://spark.apache.org/examples.html#
  3. https://spark.apache.org/docs/latest/quick-start.html
  4. Apache Spark Example: Word Count Program in Java
  5. https://docs.scala-lang.org/getting-started/
  6. How to integrate Apache Spark, Intellij Idea and Scala
  7. https://www.runoob.com/scala/scala-intro.html