大数据-93 Spark 集群 Spark SQL 概述基本概念 SparkSQL对比架构抽象

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章节内容

上节完成的内容如下：

Standalone提交
SparkContext相关概念
Shuffle 概念、历史、V1和V2对比

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SparkSQL 概述

简单介绍

SparkSQL 是 Apache Spark 中用于处理结构化数据的模块。它不仅支持 SQL 查询，还允许你将 SQL 查询与 Spark 的其他强大功能结合使用，如数据流处理和机器学习。SparkSQL 提供了对数据的高度优化的访问方式，可以处理大量的结构化和半结构化数据集。

核心功能

SQL 支持：SparkSQL 允许用户使用标准的 SQL 语句查询数据，类似于传统的关系型数据库。它支持基本的 SQL 操作，如 SELECT、JOIN、GROUP BY 等。
数据框 API：数据框（DataFrame）是 SparkSQL 中最重要的概念之一。它是一个分布式的数据集，类似于关系数据库中的表。数据框提供了一个统一的接口来处理不同的数据源，如 Hive、Parquet、JSON、CSV 等。你可以用类似 SQL 的方式对数据框进行操作，如过滤、聚合等。
与其他 Spark 组件的集成：SparkSQL 无缝集成了 Spark 的其他组件，如 Spark Streaming 和 Spark MLlib。你可以将结构化数据处理与流数据处理或机器学习算法结合在一起。
Catalyst 优化器：SparkSQL 使用 Catalyst 优化器来自动优化 SQL 查询。这是一个强大的查询优化器，可以对查询执行计划进行转换和优化，从而提高查询的执行效率。
统一的数据访问：SparkSQL 提供了一种统一的数据访问方式，可以处理结构化、半结构化和非结构化数据。它支持多种数据源，如关系数据库（通过 JDBC）、Hive、HDFS、Amazon S3 等。

使用场景

数据仓库和商业智能：利用 SparkSQL 可以对大规模数据集进行复杂的查询和分析，非常适合用于数据仓库和商业智能场景。
数据集成：SparkSQL 可以集成多个不同的数据源，将它们整合成一个统一的视图进行处理。
数据管道：在数据管道中，SparkSQL 常用于数据的清洗、转换和聚合。

Hive

Hive的诞生，主要是因为MapReduce程序对Java的要求比较高，为了他们能够操作HDFS上的数据，推出了Hive。
Hive 和 RDBMS 的 SQL模型比较类似，容易掌握。
Hive 的主要缺陷在于它的底层是基于MapReduce的，执行比较慢。

Spark 0.x: Shark

在Spark 0.x版的时候推出了Shark，Shark与Hive是紧密关联的，Shark底层很多东西还是依赖于Hive，修改了内存管理、物理计划、执行三个模块，底层使用Spark基于内存的计算模型，性能上比Hive提升了很多倍。
Shark更多的是对Hive的改造，替换了Hive的物理执行引擎，提高了执行速度。但Shark继承了大量的Hive代码，因为给优化和维护带来了大量的麻烦。

Spark 1.x: Shark

在Spark1.x版本时Shark被淘汰，在2014年7月1日的SparkSummit上，Databricks宣布终止对于Shark的开发，将重点放到了 SparkSQL 上。
Shark终止后，产生了两个分支：

Hive On Spark：Hive社区的，源码在Hive中
Spark SQL （Spark On Hive）：Spark社区的，源码在Spark中

Spark 3.0

Spark3.0 超过3400个Jira问题被解决，下面是各个核心组件中分布情况：
在这里插入图片描述

Spark SQL 特点

Spark SQL 从面世以来不仅结果了 Shark 的接力棒，为Spark用户提高高性能的 SQL On Hadoop 的解决方案，换为Spark带来了通用的、高效的、多元一体的结构化的数据处理能力。
Spark SQL 的优势：

写更少的代码
读更少的数据（Spark SQL的表数据在内存中存储不使用原生态JVM对象存储方式，而是内存列存储）
提供更好的性能（字节码生成技术、SQL优化）

Spark SQL 数据抽象

Spark SQL 提供了两个新的抽象，分别是：

DataFrame
DataSet

DataFrame

DataFrame 的前身是SchemaRDD，Spark 1.3更名为 DataFrame，不继承RDD，自己实现了RDD的大部分功能。
与RDD类似，DataFrame也是一个分布式的数据集：

DataFrame可以看做分布式Row对象的集合，提供了由列组成的详细模式信息，使其可以得到优化-
DataFrame不仅有比RDD更多的算子，还可以进行执行计划的优化
DataFrame更像传统数据的二维表格，除了数据以外，还记录数据的结构信息，即 Schema
DataFrame支持嵌套数据类型（struct、array、map）
DataFrame API 提供了一套高层的关系操作，比函数式的RDD API要更加友好，门槛更低。
DataFrame 的劣势在于编译期间缺少安全检查，导致运行时出错。

下图是RDD存储和DataFrame存储的对比图：
在这里插入图片描述

Dataset

Dataset是在Spark1.6中添加的新的接口

与RDD相比，保存了更多的描述信息，概念上等同于关系型数据库中的二维表
与DataFrame相比，保存了类型信息，是强类型的，提供了编译时类型检查
调用Dataset的方法先会生成逻辑计划，然后Spark的优化器进行优化，最终生成物理计划，然后提交到集群中运行
Dataset包含了DataFrame的功能，在Spark2.0中两者得到了统一，DataFrame表示为Dataset[Row]，即Dataset的子集

在这里插入图片描述

Row & Schema

DataFrame = RDD[Row] + Schema。DataFrame的前身是 SchemaRDD
Row是一个泛化、无类型的JVM Object

我们可以启动 spark-shell 进行直观的体验：

spark-shell --master local[*]

尝试运行下面的代码：

import org.apache.spark.sql.Row

val row1 = Row(1, "abc", 1.2)

row1(0)
row1(1)
row1(2)

row1.getInt(0)
row1.getString(1)
row1.getDouble(2)

row1.getAs[Int](0)
row1.getAs[String](1)
row1.getAs[Double](2)

运行过程如下所示：
在这里插入图片描述

三者共性

RDD、DataFrame、Dataset是Spark平台下的分布式弹性数据集，为处理海量数据提供便利
三者都有许多相同的概念，如分区、持久化、容错等，有许多共同的函数，如 Map、Filter、SortBy
三者都有惰性机制，只有在遇到Action算子时，才会开始真正的计算。
对DataFrame和Dataset进行操作许多操作都需要这个包进行支持（import spark.implicits._）

三者区别

DataFrame（DataFrame = RDD[Row] + Schema）

与RDD和DataSet不同，DataFrame每一行的类型固定为Row，只有通过解析才能获取各个字段的值
DataFrame与Dataset均支持SparkSQL的操作

Dataset(Dataset = RDD[case class].toDS)

Dataset和DataFrame拥有完全相同的成员函数，区别只是每一行的数据类型不同
DataFrame 定义为 Dataset[Row]，每一行的类型是Row，每一行究竟有哪些字段，各个字段又是什么类型都无从得知，只能用前面的提到的getAs的方式来拿出字段
Dataset每一行的类型都是一个 case class，在自定义了 case class之后可以很自由的获得每一行的信息

数据类型

SparkSQL 支持多种数据类型，这些数据类型可以表示不同种类的结构化数据。理解这些数据类型有助于你在使用 SparkSQL 进行数据处理时，正确地定义和操作数据。

基本类型

StringType：表示字符串类型的数据。用于存储文本数据。
BinaryType：表示二进制数据类型，用于存储字节数组。
BooleanType：表示布尔类型的数据，只有两个可能的值：true 和 false。
DateType：表示日期类型的数据，不包含时间部分。格式通常为 YYYY-MM-DD。
TimestampType：表示时间戳类型的数据，包含日期和时间。格式通常为 YYYY-MM-DD HH:MM:SS.SSSSSS。
DoubleType：表示双精度浮点数类型的数据。用于存储高精度的数值。
FloatType：表示单精度浮点数类型的数据。比 DoubleType 占用更少的存储空间，但精度较低。
ByteType：表示一个 8 位有符号整数的数据类型。取值范围为 -128 到 127。
ShortType：表示一个 16 位有符号整数的数据类型。取值范围为 -32768 到 32767。
IntegerType：表示一个 32 位有符号整数的数据类型。取值范围为 -2147483648 到 2147483647。
LongType：表示一个 64 位有符号整数的数据类型。用于存储长整型数据。
DecimalType：表示精确的小数类型的数据。通常用于存储货币或需要精确计算的小数。

复杂类型

ArrayType：表示一个数组类型，可以存储相同数据类型的多个值。它的元素类型可以是任何数据类型（包括嵌套的复杂类型）。
MapType：表示键值对（key-value pairs）的集合，类似于哈希表或字典。键和值都可以是任意数据类型。
StructType：表示一个结构体类型，类似于关系数据库中的行。它由一组字段组成，每个字段都有一个名称和类型。StructType 是用来定义表的模式的主要方式。