Spark SQL笔记整理（一）：Spark SQL整体背景介绍

阿斯顿阿斯顿

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基本概述
　　1、Spark 1.0版本以后，Spark官方推出了Spark SQL。其实最早使用的，都是Hadoop自己的Hive查询引擎；比如MR2，我们底层都是运行的MR2模型，底层都是基于Hive的查询引擎。
　　2、后来Spark提供了Shark；再后来Shark被淘汰（Shark制约了Spark SQL的整体发展），推出了Spark SQL。Shark的性能比Hive就要高出一个数量级，而Spark SQL的性能又比Shark高出一个数量级。
　　3、SparkSQL的前身是Shark，给熟悉RDBMS但又不理解MapReduce的技术人员提供快速上手的工具，Hive应运而生，它是当时唯一运行在Hadoop上的SQL-on-Hadoop工具。但是MapReduce计算过程中大量的中间磁盘落地过程消耗了大量的I/O，降低的运行效率，为了提高SQL-on-Hadoop的效率，大量的SQL-on-Hadoop工具开始产生，其中表现较为突出的是：
　　

MapR的Drill　　
Cloudera的Impala
　　
Shark
　　

　　4、但是Hive有个致命的缺陷，就是它的底层基于MR2，而MR2的shuffle又是基于磁盘的，因此导致Hive的性能异常低下。经常出现复杂的SQL ETL，要运行数个小时，甚至数十个小时的情况。
　　5、Spark推出了Shark，Shark与Hive实际上还是紧密关联的，Shark底层很多东西还是依赖于Hive，但是修改了内存管理、物理计划、执行三个模块，底层使用Spark的基于内存的计算模型，从而让性能比Hive提升了数倍到上百倍。

Spark SQL特点
　　1、但是，随着Spark的发展，对于野心勃勃的Spark团队来说，Shark对于Hive的太多依赖（如采用Hive的语法解析器、查询优化器等等），制约了Spark的One Stack Rule Them All的既定方针，制约了Spark各个组件的相互集成，所以提出了SparkSQL项目。SparkSQL抛弃原有Shark的代码，汲取了Shark的一些优点，如内存列存储（In-Memory Columnar Storage）、Hive兼容性等，重新开发了SparkSQL代码；由于摆脱了对Hive的依赖性，SparkSQL无论在数据兼容、性能优化、组件扩展方面都得到了极大的方便，真可谓“退一步，海阔天空”。
　　2、Spark SQL的特点
　　1）、支持多种数据源：Hive、RDD、Parquet、JSON、JDBC等。
　　2）、多种性能优化技术：in-memory columnar storage、byte-code generation、cost model动态评估等。
　　3）、组件扩展性：对于SQL的语法解析器、分析器以及优化器，用户都可以自己重新开发，并且动态扩展。
　　数据兼容方面  不但兼容Hive，还可以从RDD、parquet文件、JSON文件中获取数据，未来版本甚至支持获取RDBMS数据以及cassandra等NOSQL数据；
　　性能优化方面  除了采取In-Memory Columnar Storage、byte-code generation等优化技术外、将会引进Cost Model对查询进行动态评估、获取最佳物理计划等等；
　　组件扩展方面  无论是SQL的语法解析器、分析器还是优化器都可以重新定义，进行扩展。
　　2014年6月1日Shark项目和SparkSQL项目的主持人Reynold Xin宣布：停止对Shark的开发，团队将所有资源放SparkSQL项目上，至此，Shark的发展画上了句话，但也因此发展出两个直线：SparkSQL和Hive on Spark。

　　其中SparkSQL作为Spark生态的一员继续发展，而不再受限于Hive，只是兼容Hive；而Hive on Spark是一个Hive的发展计划，该计划将Spark作为Hive的底层引擎之一，也就是说，Hive将不再受限于一个引擎，可以采用Map-Reduce、Tez、Spark等引擎。

Spark SQL性能
　　Shark的出现，使得SQL-on-Hadoop的性能比Hive有了10-100倍的提高：

　　那么，摆脱了Hive的限制，SparkSQL的性能又有怎么样的表现呢？虽然没有Shark相对于Hive那样瞩目地性能提升，但也表现得非常优异：

Spark SQL性能优化技术简介
　　SparkSQL的表数据在内存中存储不是采用原生态的JVM对象存储方式，而是采用内存列存储，如下图所示：

内存列存储（in-memory columnar storage）
　　1、该存储方式无论在空间占用量和读取吞吐率上都占有很大优势。
　　对于原生态的JVM对象存储方式，每个对象通常要增加12-16字节的额外开销，对于一个270MB的数据，使用这种方式读入内存，要使用970MB左右的内存空间（通常是2～5倍于原生数据空间）；另外，使用这种方式，每个数据记录产生一个JVM对象，如果是大小为200B的数据记录，32G的堆栈将产生1.6亿个对象，这么多的对象，对于GC来说，可能要消耗几分钟的时间来处理（JVM的垃圾收集时间与堆栈中的对象数量呈线性相关）。显然这种内存存储方式对于基于内存计算的Spark来说，很昂贵也负担不起。
　　​    2、对于内存列存储来说，将所有原生数据类型的列采用原生数组来存储，将Hive支持的复杂数据类型（如array、map等）先序化后并接成一个字节数组来存储。这样，每个列创建一个JVM对象，从而导致可以快速的GC和紧凑的数据存储；额外的，还可以使用低廉CPU开销的高效压缩方法（如字典编码、行长度编码等压缩方法）降低内存开销；更有趣的是，对于分析查询中频繁使用的聚合特定列，性能会得到很大的提高，原因就是这些列的数据放在一起，更容易读入内存进行计算。
　　在数据库查询中有一个昂贵的操作是查询语句中的表达式，主要是由于JVM的内存模型引起的。

字节码生成技术（byte-code generation）
　　Spark SQL在其catalyst模块的expressions中增加了codegen模块，对于SQL语句中的计算表达式，比如select num + num from t这种的sql，就可以使用动态字节码生成技术来优化其性能。

Scala代码编写的优化
　　另外，SparkSQL在使用Scala编写代码的时候，尽量避免低效的、容易GC的代码；尽管增加了编写代码的难度，但对于用户来说，还是使用统一的接口，没受到使用上的困难。