一、數(shù)據(jù)傾斜的基本概念

01 什么是數(shù)據(jù)傾斜？

用最通俗易懂的話來說,數(shù)據(jù)傾斜無非就是大量的相同key被partition分配到一個分區(qū)里,造成了'一個人累死,其他人閑死'的情況,這種情況是我們不能接受的,這也違背了并行計算的初衷,首先一個節(jié)點要承受著巨大的壓力,而其他節(jié)點計算完畢后要一直等待這個忙碌的節(jié)點,也拖累了整體的計算時間,可以說效率是十分低下的。

02? 數(shù)據(jù)傾斜發(fā)生時的現(xiàn)象？

（1）絕大多數(shù)task執(zhí)行得都非常快，但個別task執(zhí)行的極慢。

（2）原本能正常執(zhí)行的Spark作業(yè)，某天突然爆出OOM（內存溢出）異常。觀察異常棧，是我們寫的業(yè)務代碼造成的。

03 通用的常規(guī)解決方案

（1）增加jvm內存,這適用于第一種情況(唯一值非常少，極少數(shù)值有非常多的記錄值(唯一值少于幾千)),這種情況下,往往只能通過硬件的手段來進行調優(yōu),增加jvm內存可以顯著的提高運行效率。

（2）增加reduce的個數(shù),這適用于第二種情況(唯一值比較多，這個字段的某些值有遠遠多于其他值的記錄數(shù)，但是它的占比也小于百分之一或千分之一),我們知道,這種情況下,最容易造成的結果就是大量相同key被partition到一個分區(qū),從而一個reduce執(zhí)行了大量的工作,而如果我們增加了reduce的個數(shù),這種情況相對來說會減輕很多,畢竟計算的節(jié)點多了,就算工作量還是不均勻的,那也要小很多。

（3）自定義分區(qū),這需要用戶自己繼承partition類,指定分區(qū)策略,這種方式效果比較顯著。

（4）重新設計key,有一種方案是在map階段時給key加上一個隨機數(shù),有了隨機數(shù)的key就不會被大量的分配到同一節(jié)點(小幾率),待到reduce后再把隨機數(shù)去掉即可。

（5）使用combinner合并,combinner是在map階段,reduce之前的一個中間階段,在這個階段可以選擇性的把大量的相同key數(shù)據(jù)先進行一個合并,可以看做是local reduce,然后再交給reduce來處理,這樣做的好。

04 通用定位發(fā)生數(shù)據(jù)傾斜的代碼

（1）數(shù)據(jù)傾斜只會發(fā)生在shuffle中，下面是常用的可能會觸發(fā)shuffle操作的算子：distinct、groupByKey、reduceByKey、aggregateByKey、join、cogroup、repartition等。出現(xiàn)數(shù)據(jù)傾斜時，可能就是代碼中使用了這些算子的原因。

（2）通過觀察spark UI，定位數(shù)據(jù)傾斜發(fā)生在第幾個stage中，如果是用yarn-client模式提交，那么本地是可以直接看到log的，可以在log中找到當前運行到了第幾個stage;如果用yarn-cluster模式提交，可以通過Spark Web UI 來查看當前運行到了第幾個stage。此外，無論是使用了yarn-client模式還是yarn-cluster模式，我們都可以在Spark Web UI 上深入看一下當前這個stage各個task分配的數(shù)據(jù)量，從而進一步確定是不是task分配的數(shù)據(jù)不均勻導致了數(shù)據(jù)傾斜。

二、 Hive數(shù)據(jù)傾斜

1、Hive的執(zhí)行是分階段的，map處理數(shù)據(jù)量的差異取決于上一個stage的reduce輸出，所以如何將數(shù)據(jù)均勻的分配到各個reduce中，就是解決數(shù)據(jù)傾斜的根本所在。

2 、造成數(shù)據(jù)傾斜的原因

1)、key分布不均勻

2)、業(yè)務數(shù)據(jù)本身的特性

3)、建表時考慮不周

4)、某些SQL語句本身就有數(shù)據(jù)傾斜

3 、數(shù)據(jù)傾斜的表現(xiàn)：

數(shù)據(jù)傾斜出現(xiàn)在SQL算子中包含join/group by/等聚合操作時，大量的相同KEY被分配到少量的reduce去處理。導致絕大多數(shù)TASK執(zhí)行得都非?？?，但個別TASK執(zhí)行的極慢，原本能正常執(zhí)行的作業(yè)，某天突然爆出OOM（內存溢出）異常。任務進度長時間維持在99%（或100%）。任務監(jiān)控頁面，發(fā)現(xiàn)只有少量（1個或幾個）reduce子任務未完成。因為其處理的數(shù)據(jù)量和其他reduce差異過大。單一reduce的記錄數(shù)與平均記錄數(shù)差異過大，通?？赡苓_到3倍甚至更多。 最長時長遠大于平均時長。可以查看具體job的reducer counter計數(shù)器協(xié)助定位。

4、數(shù)據(jù)傾斜的解決方案：

1）參數(shù)調節(jié)：

hive.map.aggr=true（是否在Map端進行聚合，默認為true），這個設置可以將頂層的聚合操作放在Map階段執(zhí)行，從而減輕清洗階段數(shù)據(jù)傳輸和Reduce階段的執(zhí)行時間，提升總體性能
Set hive.groupby.skewindata=true（hive自動進行負載均衡）

2）SQL語句調節(jié)

a、如何Join： 關于驅動表的選取，選用join key分布最均勻的表作為驅動表。 做好列裁剪和filter操作，以達到兩表做join的時候，數(shù)據(jù)量相對變小的效果，避免笛卡爾積。 Hive中進行表的關聯(lián)查詢時，盡可能將較大的表放在Join之后。

b、大小表Join，開啟mapjoin

mapjoin的原理： MapJoin 會把小表全部讀入內存中，在map階段直接拿另外一個表的數(shù)據(jù)和內存中表數(shù)據(jù)做匹配，由于在map是進行了join操作，省去了reduce 階段，運行的效率就會高很多。參與連接的小表的行數(shù)，以不超過2萬條為宜，大小不超過25M。

設置參數(shù)

set hive.auto.convert.join=true;
hive.mapjoin.smalltable.filesize=25000000（ 即25M）

?手動指定

-- a 表是大表，數(shù)據(jù)量是百萬級別

-- b 表是小表，數(shù)據(jù)量在百級別，mapjion括號中的b就是指定哪張表為小表

select
/*+mapjoin(b)*/
a.field1asfield1,
b.field2asfield2,
b.field3asfield3
fromaleftjoinb
on a.field1 = b.field1; 

c、大表Join大表：

null值不參與連接，簡單舉例

select field1,field2,field3…
fromlogaleftjoinuserbona.useridisnotnullanda.userid=b.userid
unionselectfield1,field2,field3fromlogwhereuseridisnull;

將熱點key打散，但是需要注意，盡量不要在join時，對關聯(lián)key使用rand()函數(shù)。因為在hive中當遇到map失敗重算時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復（數(shù)據(jù)丟失）的問題，spark引擎使用rand容易導致task失敗重新計算的時候偶發(fā)不一致的問題?？梢允褂胢d5加密唯一維度值的方式替代rand()， 比如： md5(concat(coalesce(sku_id, 0), '_', coalesce(dim_store_num, 0), '_', coalesce(store_id, 0), '_',coalesce(delv_center_id, 0)))，其中concat的字段是表的唯一粒度；也可以使用hash。

d、count distinct大量相同特殊值，使用sum...group by代替count(distinct ) 例如

selecta,count(distinctb)fromtgroupbya 
可以寫成selecta,sum(1)from(selecta,bfromtgroupbya,b)groupbya;

select count (distinct key) from  a 
可以寫成 Select  sum(1) from (Select  key  from  a   group by  key)  t

特殊情況特殊處理：在業(yè)務邏輯優(yōu)化效果的不大情況下，有些時候是可以將傾斜的數(shù)據(jù)單獨拿出來處理。最后union回去

e、 不管是join還是groupby 請先在內層先進行數(shù)據(jù)過濾，建議只保留需要的key值

f、 取最大最小值盡量使用min/max；不要采用row_number

g、 不要直接select * ;在內層做好數(shù)據(jù)過濾

h、 盡量使用sort by替換order by

i、 明確數(shù)據(jù)源，有上層匯總的就不要使用基礎fdm或明細表

J、join避免多對多關聯(lián)

在join鏈接查詢時，確認是否存在多對多的關聯(lián)，起碼保證有一個表的結果集的關聯(lián)字段不重復。

5、典型的業(yè)務場景舉例

（1）空值產生的數(shù)據(jù)傾斜

場景：如日志中，常會有信息丟失的問題，比如日志中的 user_id，如果取其中的 user_id 和 用戶表中的user_id 關聯(lián)，會碰到數(shù)據(jù)傾斜的問題。

解決方法1： user_id為空的不參與關聯(lián)

select * from log a
join users b
on a.user_id is not null
and a.user_id = b.user_idunion allselect * from log a
where a.user_id is null;

（2）不同數(shù)據(jù)類型關聯(lián)產生數(shù)據(jù)傾斜

場景：用戶表中user_id字段為int，log表中user_id字段既有string類型也有int類型。當按照user_id進行兩個表的Join操作時，默認的Hash操作會按int型的id來進行分配，這樣會導致所有string類型id的記錄都分配到一個Reducer中。

解決方法：把數(shù)字類型轉換成字符串類型

select * from users a
left outer join logs b
on a.usr_id = cast(b.user_id as string)

（3）小表不小不大，怎么用 map join 解決傾斜問題

使用 map join 解決小表(記錄數(shù)少)關聯(lián)大表的數(shù)據(jù)傾斜問題，這個方法使用的頻率非常高，但如果小表很大，大到map join會出現(xiàn)bug或異常，這時就需要特別的處理 。

select * from log a
left outer join users b
on a.user_id = b.user_id;

users 表有 600w+ 的記錄，把 users 分發(fā)到所有的 map 上也是個不小的開銷，而且 map join 不支持這么大的小表。如果用普通的 join，又會碰到數(shù)據(jù)傾斜的問題。 解決方法：

select /*+mapjoin(x)*/* from log a
left outer join (
select /*+mapjoin(c)*/d.*
from ( select distinct user_id from log ) c
join users d
on c.user_id = d.user_id
) x
on a.user_id = b.user_id;

log里user_id有上百萬個，這就又回到原來map join問題。所幸，每日的會員uv不會太多，有交易的會員不會太多，有點擊的會員不會太多，有傭金的會員不會太多等等。所以這個方法能解決很多場景下的數(shù)據(jù)傾斜問題。

（4）業(yè)務邏輯突發(fā)熱key的處理（真實線上問題） 業(yè)務場景舉例：

流量數(shù)據(jù)多個設備號對應了一個安裝id，突發(fā)某幾個安裝id數(shù)量級特別大。在歸一環(huán)節(jié)中，按照安裝id進行分發(fā)reduce，再進行處理，異常熱key會造成單一節(jié)點處理數(shù)據(jù)量大，由于數(shù)據(jù)傾斜從而導致任務卡死的情況。

解決方案：基于小時任務，提前設置一個異常范圍，把異常安裝id和對應的aid撈出來，寫到維表里面。按照歸一邏輯，優(yōu)先使用aid值作為歸一結果，所以在歸一任務中，讀取異常值，隨機分發(fā)到reduce中，并將aid賦值給歸一字段，這樣就避免了熱點處理。

總結：

1、對于join，在判斷小表不大于1G的情況下，使用map join

2、對于group by或distinct，設定 hive.groupby.skewindata=true

3、盡量使用上述的SQL語句調節(jié)進行優(yōu)化

6、數(shù)據(jù)傾斜的監(jiān)控預防

（1）測試的時候需要關注數(shù)據(jù)分布，針對不同日期、關鍵指標、重點key、枚舉值等

（2）增加數(shù)據(jù)質量監(jiān)控，數(shù)據(jù)計算的每層任務增加數(shù)據(jù)質量監(jiān)控。

（3）L0任務，大數(shù)據(jù)平臺需要有健康度巡檢，對資源、參數(shù)配置，數(shù)據(jù)傾斜、穩(wěn)定性等做任務健康度打分，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)傾斜的趨勢，及早檢查任務

三、spark數(shù)據(jù)傾斜

Spark優(yōu)化數(shù)據(jù)傾斜的思路，join方式從SMJ方式改成BMJ的方式，但是只適合大小表的情況。優(yōu)化思路一般是： 改join方式，開啟spark自適應框架，優(yōu)化sql。

1、開啟sparksql的數(shù)據(jù)傾斜時的自適應關聯(lián)優(yōu)化

spark.shuffle.statistics.verbose=true 

打開后MapStatus會采集每個partition條數(shù)的信息，用于傾斜處理。

2 、Sortmergejoin 改成 BroadcastHashJoin。調大BroadcastHashJoin的閾值。

在某些場景下可以把SortMergeJoin轉化成BroadcastHashJoin而避免shuffle產生的數(shù)據(jù)傾斜。 增加參數(shù)：

spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold=524288000

將BHJ的閾值提高到500M

3、優(yōu)化sql同hive

4、傾斜KEY查找

需要結合實際業(yè)務代碼，查找到引起Shuffle的算子，并按照以下兩種方式查找大KEY。?

方式一：通過SQL抽樣傾斜KEY

適用場景：如果數(shù)據(jù)量比較小的情況下，通過SQL的方式驗證比較便捷 。

操作步驟：

1、針對KEY進行數(shù)量統(tǒng)計

2、按照數(shù)量從大到小進行排序

3、直接取 limit N 即可?

方式二：通過sample抽樣傾斜KEY

適用場景：如果數(shù)據(jù)量很大，可以通過抽樣進行抽取大KEY。能否抽取到大KEY一般和抽取數(shù)據(jù)比例有關系。

操作步驟：

1、對KEY賦值為1，便于下一步進行計數(shù)

2、對KEY進行累計

3、對KEY和VALUE交換

4、針對KEY按照字典進行倒排

5、將KEY和VAlUE位置交換，還原到真實的

6、從已排序的RDD中，直接取前N條

數(shù)據(jù)傾斜一般由Shuffle時數(shù)據(jù)不均勻導致，一般有三類算子會產生Shuffle：Aggregation （groupBy）、Join、Window。 01 Aggregation

建議打散key進行二次聚合：采用對 非constant值、與key無關 的列進行hash取模，不要使用rand類函數(shù)。

以DataFrame API示例：

dataframe
.groupBy(col("key"),pmod(hash(col("some_col")),100)).agg(max("value").as("partial_max"))
.groupBy(col("key")).agg(max("partial_max").as("max"))

02? Window

目前支持該模式下的傾斜window，（僅支持3.0）

select (... row_number() over(partition by ... order by ...) as rn)
wherern[==|<=|<]?k?and?other?conditionsspark.sql.rankLimit.enabled=true?（目前支持基于row_number的topK計算邏輯）

03? Shuffled Join

Spark 2.4開啟參數(shù)

spark.sql.adaptive.enabled=true
spark.shuffle.statistics.verbose=true
spark.sql.adaptive.skewedJoin.enabled=true
spark.sql.adaptive.allowAdditionalShuffle=true

如果不能處理，建議用戶自行定位熱點數(shù)據(jù)進行處理 Spark 3.0

spark.sql.adaptive.enabled=true
spark.sql.adaptive.skewJoin.enabled=true
spark.sql.adaptive.skewJoin.enhance.enabled=true (通用傾斜算法，可處理更多場景)
spark.sql.adaptive.forceOptimizeSkewedJoin=true（允許插入額外shuffle，可處理更多場景）

其他參數(shù)：

spark.sql.adaptive.skewJoin.skewedPartitionThresholdInBytes （默認為256MB，分區(qū)大小超過該閾值才可被識別為傾斜分區(qū)，如果希望調整的傾斜分區(qū)小于該閾值，可以酌情調小）?

spark.sql.adaptive.skewJoin.skewedPartitionFactor （默認為5，分區(qū)大小超過中位數(shù)Xfactor才可被識別為傾斜分區(qū)，一般不需要調整）? spark.sql.adaptive.skewJoin.enhance.maxJoins （默認5，通用傾斜算法中，如果shuffled join超過此閾值則不處理，一般不需要調整）? spark.sql.adaptive.skewJoin.enhance.maxSplitsPerPartition （默認1000，通用傾斜算法中，盡量使得每個傾斜分區(qū)的劃分不超過該閾值，一般不需要調整）?

04 數(shù)據(jù)膨脹（Join）

spark.sql.adaptive.skewJoin.inflation.enabled=true（默認false，由于采樣計算會導致性能回歸，正常任務不要開啟）
spark.sql.adaptive.skewJoin.inflation.factor=50（默認為100，預估的分區(qū)輸出大小超過中位數(shù)Xfactor才可被識別為膨脹分區(qū)，由于預估算法存在誤差，一般不要低于50）
spark.sql.adaptive.shuffle.sampleSizePerPartition=500（默認100，每個Task中的采樣數(shù)，基于該采樣數(shù)據(jù)預估Join之后的分區(qū)大小，如果Task數(shù)量不大，可以酌情調大）

05 傾斜key檢測（Join）

由于Join語義限制，對于A left join skewed B之類的場景，無法對B進行劃分處理，否則會導致數(shù)據(jù)正確性問題，這也是Spark項目所面臨的難題。如果開啟以上功能依然不能處理數(shù)據(jù)傾斜，可以通過開啟傾斜key檢測功能來定位是哪些key導致了傾斜或膨脹，繼而進行過濾等處理。

spark.sql.adaptive.shuffle.detectSkewness=true（默認false，由于采樣計算會導致性能回歸，正常任務不要開啟）

其他參數(shù)：

spark.sql.adaptive.shuffle.sampleSizePerPartition=100（默認100，每個Task中的采樣數(shù)，如果Task數(shù)量不大，可以酌情調大）

審核編輯機：劉清