阿里云RemoteShuffleService新功能：AQE和流控

阿里云EMR自2020年推出Remote Shuffle Service(RSS)以来，帮助了诸多客户解决Spark作业的性能、稳定性问题，并使得存算分离架构得以实施。为了更方便大家使用和扩展，RSS在2022年初开源 ，欢迎各路开发者共建。RSS的整体架构请参考[1]，本文将介绍RSS最新的两个重要功能：支持Adaptive Query Execution(AQE)，以及流控。

一  RSS支持AQE

1  AQE简介

自适应执行(Adaptive Query Execution， AQE)是Spark3的重要功能[2]，通过收集运行时Stats，来动态调整后续的执行计划，从而解决由于Optimizer无法准确预估Stats导致生成的执行计划不够好的问题。AQE主要有三个优化场景: Partition合并(Partition Coalescing), Join策略切换(Switch Join Strategy)，以及倾斜Join优化(Optimize Skew Join)。这三个场景都对Shuffle框架的能力提出了新的需求。

Partition合并

Partition合并的目的是尽量让reducer处理的数据量适中且均匀，做法是首先Mapper按较多的Partition数目进行Shuffle Write，AQE框架统计每个Partition的Size，若连续多个Partition的数据量都比较小，则将这些Partition合并成一个，交由一个Reducer去处理。过程如下所示。

由上图可知，优化后的Reducer2需读取原属于Reducer2-4的数据，对Shuffle框架的需求是ShuffleReader需要支持范围Partition:

def getReader[K, C](    handle: ShuffleHandle,    startPartition: Int,    endPartition: Int,    context: TaskContext): ShuffleReader[K, C]

Join策略切换

Join策略切换的目的是修正由于Stats预估不准导致Optimizer把本应做的Broadcast Join错误的选择了SortMerge Join或ShuffleHash Join。具体而言，在Join的两张表做完Shuffle Write之后，AQE框架统计了实际大小，若发现小表符合Broadcast Join的条件，则将小表Broadcast出去，跟大表的本地Shuffle数据做Join。流程如下：

Join策略切换有两个优化：1. 改写成Broadcast Join; 2. 大表的数据通过LocalShuffleReader直读本地。其中第2点对Shuffle框架提的新需求是支持Local Read。

倾斜Join优化

倾斜Join优化的目的是让倾斜的Partition由更多的Reducer去处理，从而避免长尾。具体而言，在Shuffle Write结束之后，AQE框架统计每个Partition的Size，接着根据特定规则判断是否存在倾斜，若存在，则把该Partition分裂成多个Split，每个Split跟另外一张表的对应Partition做Join。如下所示。

Partiton分裂的做法是按照MapId的顺序累加他们Shuffle Output的Size，累加值超过阈值时触发分裂。对Shuffle框架的新需求是ShuffleReader要能支持范围MapId。综合Partition合并优化对范围Partition的需求，ShuffleReader的接口演化为:

def getReader[K, C](    handle: ShuffleHandle,    startMapIndex: Int,    endMapIndex: Int,    startPartition: Int,    endPartition: Int,    context: TaskContext,    metrics: ShuffleReadMetricsReporter): ShuffleReader[K, C]

2  RSS架构回顾

RSS的核心设计是Push Shuffle + Partition数据聚合，即不同的Mapper把属于同一个Partition的数据推给同一个Worker做聚合，Reducer直读聚合后的文件。如下图所示。

在核心设计之外，RSS还实现了多副本，全链路容错，Master HA，磁盘容错，自适应Pusher，滚动升级等特性，详见[1]。

3  RSS支持Partition合并

Partition合并对Shuffle框架的需求是支持范围Partition，在RSS中每个Partition对应着一个文件，因此天然支持，如下图所示。

4  RSS支持Join策略切换

Join策略切换对Shuffle框架的需求是能够支持LocalShuffleReader。由于RSS的Remote属性，数据存放在RSS集群，仅当RSS和计算集群混部的场景下才会存在在本地，因此暂不支持Local Read(将来会优化混部场景并加以支持)。需要注意的是，尽管不支持Local Read，但并不影响Join的改写，RSS支持Join改写优化如下图所示。

5  RSS支持Join倾斜优化

在AQE的三个场景中，RSS支持Join倾斜优化是最为困难的一点。RSS的核心设计是Partition数据聚合，目的是把Shuffle Read的随机读转变为顺序读，从而提升性能和稳定性。多个Mapper同时推送给RSS Worker，RSS在内存聚合后刷盘，因此Partition文件中来自不同Mapper的数据是无序的，如下图所示。

Join倾斜优化需要读取范围Map，例如读Map1-2的数据，常规的做法有两种：

1. 读取完整文件，并丢弃范围之外的数据。
2. 引入索引文件，记录每个Block的位置及所属MapId，仅读取范围内的数据。

这两种做法的问题显而易见。方法1会导致大量冗余的磁盘读；方法2本质上回退成了随机读，丧失了RSS最核心的优势，并且创建索引文件成为通用的Overhead，即使是针对非倾斜的数据(Shuffle Write过程中难以准确预测是否存在倾斜)。

为了解决以上两个问题，我们提出了新的设计：主动Split + Sort On Read。

主动Split

倾斜的Partition大概率Size非常大，极端情况会直接打爆磁盘，即使在非倾斜场景出现大Partition的几率依然不小。因此，从磁盘负载均衡的角度，监控Partition文件的Size并做主动Split(默认阈值256m)是非常必要的。

Split发生时，RSS会为当前Partition重新分配一对Worker(主副本)，后续数据将推给新的Worker。为了避免Split对正在运行的Mapper产生影响，我们提出了Soft Split的方法，即当触发Split时，RSS异步去准备新的Worker，Ready之后去热更新Mapper的PartitionLocation信息，因此不会对Mapper的PushData产生任何干扰。整体流程如下图所示。

Sort On Read

为了避免随机读的问题，RSS采用了Sort On Read的策略。具体而言，File Split的首次Range读会触发排序(非Range读不会触发)，排好序的文件连同其位置索引写回磁盘。后续的Range读即可保证是顺序读取。如下图所示。

为了避免多个Sub-Reducer等待同一个File Split的排序，我们打散了各个Sub-Reducer读取Split的顺序，如下图所示。

Sort优化

Sort On Read可以有效避免冗余读和随机读，但需要对Split File(256m)做排序，本节讨论排序的实现及开销。文件排序包括3个步骤：读文件，对MapId做排序，写文件。RSS的Block默认256k，Block的数量大概是1000，因此排序的过程非常快，主要开销在文件读写。整个排序过程大致有三种方案：

1. 预先分配文件大小的内存，文件整体读入，解析并排序MapId，按MapId顺序把Block写回磁盘。

   
   

2. 不分配内存，Seek到每个Block的位置，解析并排序MapId，按MapId顺序把原文件的Block transferTo新文件。

   
   

3. 分配小块内存(如256k)，顺序读完整个文件并解析和排序MapId，按MapId顺序把原文件的Block transferTo新文件。

从IO的视角，乍看之下，方案1通过使用足量内存，不存在顺序读写；方案2存在随机读和随机写；方案3存在随机写；直观上方案1性能更好。然而，由于PageCache的存在，方案3在写文件时原文件大概率缓存在PageCache中，因此实测下来方案3的性能更好，如下图所示。

同时方案3无需占用进程额外内存，故RSS采用方案3的算法。我们同时还测试了Sort On Read跟上述的不排序、仅做索引的随机读方法的对比，如下图所示。

整体流程

RSS支持Join倾斜优化的整体流程如下图所示。

二  RSS流控

流控的主要目的是防止RSS Worker内存被打爆。流控通常有两种方式：

1. Client在每次PushData前先向Worker预留内存，预留成功才触发Push。

   
   

2. Worker端反压。

由于PushData是非常高频且性能关键的操作，若每次推送都额外进行一次RPC交互，则开销太大，因此我们采用了反压的策略。以Worker的视角，流入数据有两个源：

1. Client推送的数据
2. 主副本发送的数据

如下图所示，Worker2既接收来自Mapper推送的Partition3的数据，也接收Worker1发送的Partition1的副本数据，同时会把Partition3的数据发给对应的从副本。

其中，来自Mapper推送的数据，当且仅当同时满足以下条件时才会释放内存：

1. Replication执行成功
2. 数据写盘成功

来自主副本推送的数据，当且仅当满足以下条件时才会释放内存：

1. 数据写盘成功

我们在设计流控策略时，不仅要考虑限流(降低流入的数据)，更要考虑泄流(内存能及时释放)。具体而言，高水位我们定义了两档内存阈值(分别对应85%和95%内存使用)，低水位只有一档(50%内存使用)。达到高水位一档阈值时，触发流控，暂停接收Mapper推送的数据，同时强制刷盘，从而达到泄流的目标。仅限制来自Mapper的流入并不能控制来自主副本的流量，因此我们定义了高水位第二档，达到此阈值时将同时暂停接收主副本发送的数据。当水位低于低水位后，恢复正常状态。整体流程如下图所示。

三  性能测试

我们对比了RSS和原生的External Shufle Service(ESS)在Spark3.2.0开启AQE的性能。RSS采用混部的方式，没有额外占用任何机器资源。此外，RSS所使用的内存为8g，仅占机器内存的2.3%(机器内存352g)。具体环境如下。

1  测试环境

硬件：

header 机器组 1x ecs.g5.4xlarge

worker 机器组 8x ecs.d2c.24xlarge，96 CPU，352 GB，12x 3700GB HDD。

Spark AQE相关配置:

spark.sql.adaptive.enabled truespark.sql.adaptive.coalescePartitions.enabled truespark.sql.adaptive.coalescePartitions.initialPartitionNum 1000spark.sql.adaptive.skewJoin.enabled truespark.sql.adaptive.localShuffleReader.enabled false

RSS相关配置:

RSS_MASTER_MEMORY=2gRSS_WORKER_MEMORY=1gRSS_WORKER_OFFHEAP_MEMORY=7g

2  TPCDS 10T测试集

我们测试了10T的TPCDS，E2E来看，ESS耗时11734s，RSS单副本/两副本分别耗时8971s/10110s，分别比ESS快了23.5%/13.8%，如下图所示。我们观察到RSS开启两副本时网络带宽达到上限，这也是两副本比单副本低的主要因素。

具体每个Query的时间对比如下:

相关链接

欢迎各位开发者参与讨论和共建！

github地址：

https://github.com/alibaba/RemoteShuffleService

Reference

[1]阿里云EMR Remote Shuffle Service在小米的实践，以及开源. https://developer.aliyun.com/article/857757

[2]Adaptive Query Execution: Speeding Up Spark SQL at Runtime. https://databricks.com/blog/2020/05/29/adaptive-query-execution-speeding-up-spark-sql-at-runtime.html

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