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1. Spark 概述

1.1 Spark 是什么

Spark 是一种基于内存的快速、通用、可扩展的大数据分析计算引擎。

1.2 Spark and Hadoop

在之前的学习中，Hadoop 的 MapReduce 是大家广为熟知的计算框架，那为什么咱们还
要学习新的计算框架 Spark 呢，这里就不得不提到 Spark 和 Hadoop 的关系。

首先从时间节点上来看:
Hadoop:

◼️2006 年 1 月，Doug Cutting 加入 Yahoo，领导 Hadoop 的开发
◼️ 2008 年 1 月，Hadoop 成为 Apache 顶级项目
◼️ 2011 年 1.0 正式发布
◼️ 2012 年 3 月稳定版发布
◼️ 2013 年 10 月发布 2.X (Yarn)版本

Spark:
◻️ 2009 年，Spark 诞生于伯克利大学的 AMPLab 实验室
◻️ 2010 年，伯克利大学正式开源了 Spark 项目
◻️ 2013 年 6 月，Spark 成为了 Apache 基金会下的项目
◻️ 2014 年 2 月，Spark 以飞快的速度成为了 Apache 的顶级项目
◻️ 2015 年至今，Spark 变得愈发火爆，大量的国内公司开始重点部署或者使用 Spark

然后我们再从功能上来看:
Hadoop:
◼️ Hadoop 是由 java 语言编写的，在分布式服务器集群上存储海量数据并运行分布式
分析应用的开源框架
◼️ 作为 Hadoop 分布式文件系统，HDFS 处于 Hadoop 生态圈的最下层，存储着所有
的 数 据 ， 支 持 着 Hadoop 的 所 有 服 务 。 它 的 理 论 基 础 源 于 Google 的
TheGoogleFileSystem 这篇论文，它是 GFS 的开源实现。
◼️MapReduce 是一种编程模型，Hadoop 根据 Google 的 MapReduce 论文将其实现，
作为 Hadoop 的分布式计算模型，是 Hadoop 的核心。基于这个框架，分布式并行
程序的编写变得异常简单。综合了 HDFS 的分布式存储和 MapReduce 的分布式计
算，Hadoop 在处理海量数据时，性能横向扩展变得非常容易。
◼️HBase 是对 Google 的 Bigtable 的开源实现，但又和 Bigtable 存在许多不同之处。
HBase 是一个基于 HDFS 的分布式数据库，擅长实时地随机读/写超大规模数据集。
它也是 Hadoop 非常重要的组件。

Spark:
◻️ Spark 是一种由 Scala 语言开发的快速、通用、可扩展的大数据分析引擎
◻️Spark Core 中提供了 Spark 最基础与最核心的功能
◻️ Spark SQL 是 Spark 用来操作结构化数据的组件。通过 Spark SQL，用户可以使用
SQL 或者 Apache Hive 版本的 SQL 方言（HQL）来查询数据。
◻️Spark Streaming 是 Spark 平台上针对实时数据进行流式计算的组件，提供了丰富的
处理数据流的 API。

由上面的信息可以获知，Spark 出现的时间相对较晚，并且主要功能主要是用于数据计算，
所以其实 Spark 一直被认为是 Hadoop 框架的升级版。

1.3 Spark or Hadoop

Hadoop 的 MR 框架和 Spark 框架都是数据处理框架，那么我们在使用时如何选择呢？

◼️ Hadoop MapReduce 由于其设计初衷并不是为了满足循环迭代式数据流处理，因此在多
并行运行的数据可复用场景（如：机器学习、图挖掘算法、交互式数据挖掘算法）中存
在诸多计算效率等问题。所以 Spark 应运而生，Spark 就是在传统的 MapReduce 计算框
架的基础上，利用其计算过程的优化，从而大大加快了数据分析、挖掘的运行和读写速
度，并将计算单元缩小到更适合并行计算和重复使用的 RDD 计算模型。
◼️ 机器学习中 ALS、凸优化梯度下降等。这些都需要基于数据集或者数据集的衍生数据
反复查询反复操作。MR 这种模式不太合适，即使多 MR 串行处理，性能和时间也是一
个问题。数据的共享依赖于磁盘。另外一种是交互式数据挖掘，MR 显然不擅长。而
Spark 所基于的 scala 语言恰恰擅长函数的处理。
◼️ Spark 是一个分布式数据快速分析项目。它的核心技术是弹性分布式数据集（Resilient
Distributed Datasets），提供了比 MapReduce 丰富的模型，可以快速在内存中对数据集
进行多次迭代，来支持复杂的数据挖掘算法和图形计算算法。
◼️ Spark 和Hadoop 的根本差异是多个作业之间的数据通信问题 : Spark 多个作业之间数据
通信是基于内存，而 Hadoop 是基于磁盘。
◼️Spark Task 的启动时间快。Spark 采用 fork 线程的方式，而 Hadoop 采用创建新的进程
的方式。
◼️ Spark 只有在 shuffle 的时候将数据写入磁盘，而 Hadoop 中多个 MR 作业之间的数据交
互都要依赖于磁盘交互
◼️ Spark 的缓存机制比 HDFS 的缓存机制高效。

经过上面的比较，我们可以看出在绝大多数的数据计算场景中，Spark 确实会比 MapReduce
更有优势。但是 Spark 是基于内存的，所以在实际的生产环境中，由于内存的限制，可能会
由于内存资源不够导致 Job 执行失败，此时，MapReduce 其实是一个更好的选择，所以 Spark
并不能完全替代 MR。

1.4 Spark 核心模块

➢ Spark Core
Spark Core 中提供了 Spark 最基础与最核心的功能，Spark 其他的功能如：Spark SQL，
Spark Streaming，GraphX, MLlib 都是在 Spark Core 的基础上进行扩展的
➢ Spark SQL
Spark SQL 是 Spark 用来操作结构化数据的组件。通过 Spark SQL，用户可以使用 SQL
或者 Apache Hive 版本的 SQL 方言（HQL）来查询数据。
➢ Spark Streaming
Spark Streaming 是 Spark 平台上针对实时数据进行流式计算的组件，提供了丰富的处理
数据流的 API。
➢ Spark MLlib
MLlib 是 Spark 提供的一个机器学习算法库。MLlib 不仅提供了模型评估、数据导入等
额外的功能，还提供了一些更底层的机器学习原语。
➢ Spark GraphX
GraphX 是 Spark 面向图计算提供的框架与算法库。

2. Spark 快速上手

在大数据早期的课程中我们已经学习了 MapReduce 框架的原理及基本使用，并了解了其底层数据处理的实现方式。接下来，就让咱们走进 Spark 的世界，了解一下它是如何带领我们完成数据处理的。

2.1 创建 Maven 项目

2.1.1 增加 Scala 插件

Spark 由 Scala 语言开发的，所以本课件接下来的开发所使用的语言也为 Scala，咱们当前使用的 Spark 版本为 3.0.0，默认采用的 Scala 编译版本为 2.12，所以后续开发时。我们依然采用这个版本。开发前请保证 IDEA 开发工具中含有 Scala 开发插件。

2.1.2 增加依赖关系

修改 Maven 项目中的 POM 文件，增加 Spark 框架的依赖关系。本课件基于 Spark3.0 版本，使用时请注意对应版本。

<dependencies>
        <dependency>
            <groupId>org.apache.spark</groupId>
            <artifactId>spark-core_2.12</artifactId>
            <version>3.0.0</version>
        </dependency>
    </dependencies>
    <build>
        <plugins>
            <!-- 该插件用于将 Scala 代码编译成 class 文件 -->
            <plugin>
                <groupId>net.alchim31.maven</groupId>
                <artifactId>scala-maven-plugin</artifactId>
                <version>3.2.2</version>
                <executions>
                    <execution>
                        <!-- 声明绑定到 maven 的 compile 阶段 -->
                        <goals>
                            <goal>testCompile</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>
                <version>3.1.0</version>
                <configuration>
                    <descriptorRefs>
                        <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>
                    </descriptorRefs>
                </configuration>
                <executions>
                    <execution>
                        <id>make-assembly</id>
                        <phase>package</phase>
                        <goals>
                            <goal>single</goal>
                        </goals>
                    </execution>
                </executions>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

2.1.3 WordCount

为了能直观地感受 Spark 框架的效果，接下来我们实现一个大数据学科中最常见的教学案例 WordCount。

// 创建 Spark 运行配置对象
val sparkConf = new SparkConf().setMaster("local[*]").setAppName("WordCount")
// 创建 Spark 上下文环境对象（连接对象）
val sc : SparkContext = new SparkContext(sparkConf)
// 读取文件数据
val fileRDD: RDD[String] = sc.textFile("input/word.txt")
// 将文件中的数据进行分词
val wordRDD: RDD[String] = fileRDD.flatMap( _.split(" ") )
// 转换数据结构 word => (word, 1)
val word2OneRDD: RDD[(String, Int)] = wordRDD.map((_,1))
// 将转换结构后的数据按照相同的单词进行分组聚合
val word2CountRDD: RDD[(String, Int)] = word2OneRDD.reduceByKey(_+_)
// 将数据聚合结果采集到内存中
val word2Count: Array[(String, Int)] = word2CountRDD.collect()
// 打印结果
word2Count.foreach(println)
//关闭 Spark 连接
sc.stop()

执行过程中，会产生大量的执行日志，如果为了能够更好的查看程序的执行结果，可以在项目的 resources 目录中创建 log4j.properties 文件，并添加日志配置信息：

log4j.rootCategory=ERROR, console
log4j.appender.console=org.apache.log4j.ConsoleAppender
log4j.appender.console.target=System.err
log4j.appender.console.layout=org.apache.log4j.PatternLayout
log4j.appender.console.layout.ConversionPattern=%d{yy/MM/dd HH:mm:ss} %p %c{1}: %m%n
# Set the default spark-shell log level to ERROR. When running the spark-shell,the
# log level for this class is used to overwrite the root logger's log level, so that
# the user can have different defaults for the shell and regular Spark apps.
log4j.logger.org.apache.spark.repl.Main=ERROR
# Settings to quiet third party logs that are too verbose
log4j.logger.org.spark_project.jetty=ERROR
log4j.logger.org.spark_project.jetty.util.component.AbstractLifeCycle=ERROR
log4j.logger.org.apache.spark.repl.SparkIMain$exprTyper=ERROR
log4j.logger.org.apache.spark.repl.SparkILoop$SparkILoopInterpreter=ERROR
log4j.logger.org.apache.parquet=ERROR
log4j.logger.parquet=ERROR
# SPARK-9183: Settings to avoid annoying messages when looking up nonexistent UDFs in SparkSQL with Hive support
log4j.logger.org.apache.hadoop.hive.metastore.RetryingHMSHandler=FATAL
log4j.logger.org.apache.hadoop.hive.ql.exec.FunctionRegistry=ERROR

2.1.4 异常处理

如果本机操作系统是 Windows，在程序中使用了 Hadoop 相关的东西，比如写入文件到HDFS，则会遇到如下异常：

出现这个问题的原因，并不是程序的错误，而是 windows 系统用到了 hadoop 相关的服务，解决办法是通过配置关联到 windows 的系统依赖就可以了。
在 IDEA 中配置 Run Configuration，添加 HADOOP_HOME 变量

3. Spark 运行环境

Spark 作为一个数据处理框架和计算引擎，被设计在所有常见的集群环境中运行, 在国内工作中主流的环境为 Yarn，不过逐渐容器式环境也慢慢流行起来。接下来，我们就分别看看不同环境下 Spark 的运行。

3.1 Local 模式

想啥呢，你之前一直在使用的模式可不是 Local 模式哟。所谓的 Local 模式，就是不需要其他任何节点资源就可以在本地执行 Spark 代码的环境，一般用于教学，调试，演示等，之前在 IDEA 中运行代码的环境我们称之为开发环境，不太一样。

3.1.1 解压缩文件

将 spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz 文件上传到 Linux 并解压缩，放置在指定位置，路径中不要包含中文或空格，课件后续如果涉及到解压缩操作，不再强调。

tar -zxvf spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz -C /opt/module
cd /opt/module 
mv spark-3.0.0-bin-hadoop3.2 spark-local

3.1.2 启动 Local 环境

1. 进入解压缩后的路径，执行如下指令

bin/spark-shell

2) 启动成功后，可以输入网址进行 Web UI 监控页面访问

http://虚拟机地址:4040

3.1.3 命令行工具

在解压缩文件夹下的 data 目录中，添加 word.txt 文件。在命令行工具中执行如下代码指令（和 IDEA 中代码简化版一致）

sc.textFile("data/word.txt").flatMap(_.split(" ")).map((_,1)).reduceByKey(_+_).collect

3.1.4 退出本地模式

按键 Ctrl+C 或输入 Scala 指令

:quit

3.1.5 提交应用

bin/spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master local[2] \
./examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar \
10

1. –class 表示要执行程序的主类，此处可以更换为咱们自己写的应用程序
2. –master local[2] 部署模式，默认为本地模式，数字表示分配的虚拟 CPU 核数量
3. spark-examples_2.12-3.0.0.jar 运行的应用类所在的 jar 包，实际使用时，可以设定为咱们自己打的 jar 包
4. 数字 10 表示程序的入口参数，用于设定当前应用的任务数量
   

3.2 Standalone 模式

local 本地模式毕竟只是用来进行练习演示的，真实工作中还是要将应用提交到对应的集群中去执行，这里我们来看看只使用 Spark 自身节点运行的集群模式，也就是我们所谓的独立部署（Standalone）模式。Spark 的 Standalone 模式体现了经典的 master-slave 模式。
集群规划:

3.2.1 解压缩文件

将 spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz 文件上传到 Linux 并解压缩在指定位置

tar -zxvf spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz -C /opt/module
cd /opt/module 
mv spark-3.0.0-bin-hadoop3.2 spark-standalone

3.2.2 修改配置文件

1. 进入解压缩后路径的 conf 目录，修改 slaves.template 文件名为 slaves

mv slaves.template slaves

2. 修改 slaves 文件，添加 work 节点

linux1
linux2
linux3

3. 修改 spark-env.sh.template 文件名为 spark-env.sh

mv spark-env.sh.template spark-env.sh

4. 修改 spark-env.sh 文件，添加 JAVA_HOME 环境变量和集群对应的 master 节点

export JAVA_HOME=/opt/module/jdk1.8.0_144
SPARK_MASTER_HOST=linux1
SPARK_MASTER_PORT=7077

注意：7077 端口，相当于 hadoop3 内部通信的 8020 端口，此处的端口需要确认自己的 Hadoop配置
5) 分发 spark-standalone 目录

xsync spark-standalone

3.2.3 启动集群

1. 执行脚本命令：

sbin/start-all.sh

2) 查看三台服务器运行进程

================linux1================
3330 Jps
3238 Worker
3163 Master
================linux2================
2966 Jps
2908 Worker
================linux3================
2978 Worker
3036 Jps

3. 查看 Master 资源监控 Web UI 界面: http://linux1:8080
   

3.2.4 提交应用

bin/spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master spark://linux1:7077 \
./examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar \
10

1. –class 表示要执行程序的主类
2. –master spark://linux1:7077 独立部署模式，连接到 Spark 集群
3. spark-examples_2.12-3.0.0.jar 运行类所在的 jar 包
4. 数字 10 表示程序的入口参数，用于设定当前应用的任务数量
   
   执行任务时，会产生多个 Java 进程
   
   执行任务时，默认采用服务器集群节点的总核数，每个节点内存 1024M。
   

3.2.5 提交参数说明

在提交应用中，一般会同时一些提交参数

bin/spark-submit \
--class <main-class>
--master <master-url> \
... # other options
<application-jar> \
[application-arguments]

3.2.6 配置历史服务

由于 spark-shell 停止掉后，集群监控 linux1:4040 页面就看不到历史任务的运行情况，所以开发时都配置历史服务器记录任务运行情况。

1. 修改 spark-defaults.conf.template 文件名为 spark-defaults.conf

mv spark-defaults.conf.template spark-defaults.conf

2. 修改 spark-default.conf 文件，配置日志存储路径

spark.eventLog.enabled true
spark.eventLog.dir hdfs://linux1:8020/directory

注意：需要启动 hadoop 集群，HDFS 上的 directory 目录需要提前存在。

sbin/start-dfs.sh
hadoop fs -mkdir /directory

3. 修改 spark-env.sh 文件, 添加日志配置

export SPARK_HISTORY_OPTS="
-Dspark.history.ui.port=18080 
-Dspark.history.fs.logDirectory=hdfs://linux1:8020/directory 
-Dspark.history.retainedApplications=30"

▪️ 参数 1 含义：WEB UI 访问的端口号为 18080
▪️ 参数 2 含义：指定历史服务器日志存储路径
▪️ 参数 3 含义：指定保存 Application 历史记录的个数，如果超过这个值，旧的应用程序信息将被删除，这个是内存中的应用数，而不是页面上显示的应用数。
4) 分发配置文件

xsync conf

5. 重新启动集群和历史服务

sbin/start-all.sh
sbin/start-history-server.sh

6. 重新执行任务

bin/spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master spark://linux1:7077 \
./examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar \
10

7) 查看历史服务：http://linux1:18080

3.3 Yarn 模式

独立部署（Standalone）模式由 Spark 自身提供计算资源，无需其他框架提供资源。这种方式降低了和其他第三方资源框架的耦合性，独立性非常强。但是你也要记住，Spark 主要是计算框架，而不是资源调度框架，所以本身提供的资源调度并不是它的强项，所以还是和其他专业的资源调度框架集成会更靠谱一些。所以接下来我们来学习在强大的 Yarn 环境下 Spark 是如何工作的（其实是因为在国内工作中，Yarn 使用的非常多）。

3.3.1 解压缩文件

将 spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz 文件上传到 linux 并解压缩，放置在指定位置。

tar -zxvf spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz -C /opt/module
cd /opt/module 
mv spark-3.0.0-bin-hadoop3.2 spark-yarn

3.3.2 修改配置文件

1. 修改 hadoop 配置文件/opt/module/hadoop/etc/hadoop/yarn-site.xml, 并分发

<!--是否启动一个线程检查每个任务正使用的物理内存量，如果任务超出分配值，则直接将其杀掉，默认
是 true -->
<property>
 <name>yarn.nodemanager.pmem-check-enabled</name>
 <value>false</value>
</property>
<!--是否启动一个线程检查每个任务正使用的虚拟内存量，如果任务超出分配值，则直接将其杀掉，默认
是 true -->
<property>
 <name>yarn.nodemanager.vmem-check-enabled</name>
 <value>false</value>
</property>

2. 修改 conf/spark-env.sh，添加 JAVA_HOME 和 YARN_CONF_DIR 配置

mv spark-env.sh.template spark-env.sh

export JAVA_HOME=/opt/module/jdk1.8.0_144
YARN_CONF_DIR=/opt/module/hadoop/etc/hadoop

记得分发！

3.3.3 启动 HDFS 以及 YARN 集群

瞅啥呢，自己启动去！

3.3.4 提交应用

bin/spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master yarn \
--deploy-mode cluster \
./examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar \
10

查看 http://linux2:8088 页面，点击 History，查看历史页面

3.3.5 配置历史服务器

1. 修改 spark-defaults.conf.template 文件名为 spark-defaults.conf

mv spark-defaults.conf.template spark-defaults.conf

2. 修改 spark-defaults.conf 文件，配置日志存储路径

spark.eventLog.enabled true
spark.eventLog.dir hdfs://linux1:8020/directory

注意：需要启动 hadoop 集群，HDFS 上的目录需要提前存在。

[root@linux1 hadoop]# sbin/start-dfs.sh
[root@linux1 hadoop]# hadoop fs -mkdir /directory

3. 修改 spark-env.sh 文件, 添加日志配置

export SPARK_HISTORY_OPTS="
-Dspark.history.ui.port=18080 
-Dspark.history.fs.logDirectory=hdfs://linux1:8020/directory 
-Dspark.history.retainedApplications=30"

◼️参数 1 含义：WEB UI 访问的端口号为 18080
◼️参数 2 含义：指定历史服务器日志存储路径
◼️参数 3 含义：指定保存 Application 历史记录的个数，如果超过这个值，旧的应用程序信息将被删除，这个是内存中的应用数，而不是页面上显示的应用数。
4) 修改 spark-defaults.conf

spark.yarn.historyServer.address=linux1:18080
spark.history.ui.port=18080

修改完毕，记得分发！

5. 启动历史服务

sbin/start-history-server.sh 

6. 重新提交应用

bin/spark-submit \
--class org.apache.spark.examples.SparkPi \
--master yarn \
--deploy-mode client \
./examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar \
10

7. Web 页面查看日志：http://linux2:8088
   

3.3.6 spark页面8080端口访问打不开

报错原因

Spark端口号和其他应用发生冲突

解决方案

vi ./sbin/start-master.sh

3.4 K8S & Mesos 模式

Mesos 是 Apache 下的开源分布式资源管理框架，它被称为是分布式系统的内核,在Twitter 得到广泛使用,管理着 Twitter 超过 30,0000 台服务器上的应用部署，但是在国内，依然使用着传统的 Hadoop 大数据框架，所以国内使用 Mesos 框架的并不多，但是原理其实都差不多，这里我们就不做过多讲解了。

容器化部署是目前业界很流行的一项技术，基于 Docker 镜像运行能够让用户更加方便地对应用进行管理和运维。容器管理工具中最为流行的就是 Kubernetes（k8s），而 Spark也在最近的版本中支持了 k8s 部署模式。这里我们也不做过多的讲解。给个链接大家自己感受一下：https://spark.apache.org/docs/latest/running-on-kubernetes.html

3.5 Windows 模式

在同学们自己学习时，每次都需要启动虚拟机，启动集群，这是一个比较繁琐的过程，并且会占大量的系统资源，导致系统执行变慢，不仅仅影响学习效果，也影响学习进度，Spark 非常暖心地提供了可以在 windows 系统下启动本地集群的方式，这样，在不使用虚拟机的情况下，也能学习 Spark 的基本使用，摸摸哒！

在后续的教学中，为了能够给同学们更加流畅的教学效果和教学体验，我们一般情况下都会采用 windows 系统的集群来学习 Spark。

3.5.1 解压缩文件

将文件 spark-3.0.0-bin-hadoop3.2.tgz 解压缩到无中文无空格的路径中

3.5.2 启动本地环境

1. 执行解压缩文件路径下 bin 目录中的 spark-shell.cmd 文件，启动 Spark 本地环境
   
2. 在 bin 目录中创建 input 目录，并添加 word.txt 文件, 在命令行中输入脚本代码
   

3.5.3 命令行提交应用

在 DOS 命令行窗口中执行提交指令

spark-submit --class org.apache.spark.examples.SparkPi --master local[2] ../examples/jars/spark-examples_2.12-3.0.0.jar 10

3.6 部署模式对比

3.7 端口号

➢ Spark 查看当前 Spark-shell 运行任务情况端口号：4040（计算）
➢ Spark Master 内部通信服务端口号：7077
➢ Standalone 模式下，Spark Master Web 端口号：8080（资源）
➢ Spark 历史服务器端口号：18080
➢ Hadoop YARN 任务运行情况查看端口号：8088