hadoop环形缓冲区原理

本文深入解析了Hadoop中的Shuffle过程,它是MapReduce中连接Map和Reduce阶段的关键步骤。同时,详细介绍了hadoop环形缓冲区的工作原理,包括其作为数据存储与分隔的角色。环形缓冲区是一个数组,存储key-value数据及其元数据,使用equator进行区分,key-value数据顺时针存储,元数据逆时针存储。文中还提及了一个生动的视频资源,帮助读者更好地理解这一概念。

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一 概念

1. 什么是Shuffle过程?

  • Shuffle过程是指Map方法之后,Reduce方法之前的数据处理过程。

2.什么是hadoop环形缓冲区?

hadoop的环形缓冲区其实只是一个简单的buffer,在这里是一个缓存数组(byte),默认大小是100M,源码如下:

3.什么是equator(赤道)? 

最初的时候,equator在数组的最前端,可以将数组想象为环形,首尾相接,此时,equator就既在数组的开头,又在数组的结尾

二 环形缓冲区原理 

    环形缓冲区其实是一个数组,数组中存放着key和value的数据,以及关于key和value的元数据信息,key/value的元数据存储的格式是int类型,每个key/value对应一个元数据,元数据由4个int组成,第一个int存放value的起始位置,第二个int存放key的起始位置,第三个int存放partition,第四个int存放value的长度。

    key/value数据和元数据在环形缓冲区中的存储是由equator分隔的,key/value按照索引递增的方向存储,元数据则按照索引递减的方向存储,将数组抽象为一个环形结构之后,以equator为界,key/value顺时针存储,元数据逆时针存储。

在B站上看到了一个形象的视频,于是将其做成动图展示出来,感谢up主:此视频的链接是:https://www.bilibili.com/video/BV1pJ411H7m7

 

### 环形缓冲区在 Shuffle 过程中的具体作用及原理 #### 1. **环形缓冲区的作用** 环形缓冲区在 Shuffle 过程中主要用于临时存储 Map 阶段产生的中间键值对数据。这些数据会被写入到内存中的环形缓冲区,当缓冲区达到一定阈值(通常为80%[^3])时,触发溢写操作,即将缓冲区内的部分或全部数据刷写到磁盘上。 - 缓冲区内存管理优化:通过使用环形缓冲区,可以最大限度地利用有限的内存资源,提高内存利用率。 - 数据预处理支持:在将数据从缓冲区写入磁盘前,会对数据进行分区、排序和可选的合并操作,从而减少后续 Reduce 阶段的工作负载。 - 提升性能:由于采用了生产者-消费者模型,写入线程负责向缓冲区写入新数据,而读取线程则负责从缓冲区读取已准备好的数据并将其写入磁盘,这种并发设计显著提升了整体效率。 #### 2. **环形缓冲区的设计与工作原理** ##### (1) **物理结构与逻辑特性** - 物理上是一个连续分配的内存块,由两部分组成:数据区域和索引区域[^4]。 - 数据区域用于实际存储键值对。 - 索引区域记录了每条记录的相关元信息,如 `value` 起始位置、`key` 起始位置、所属分区编号及其长度等。 - 逻辑上表现为一个闭环队列形式,借助双指针技术实现循环覆盖功能: - 写指针 (`write`) 表示当前待写入的新数据位置; - 读指针 (`read`) 指明正在被消费的数据起点; - 另外设置一标志位 `index` 来标记最近一次已完成刷盘动作所涉及范围末端坐标。 ##### (2) **运行机制详解** - 当 Map 函数生成新的 `<key,value>` 对时,它们依次追加至环形缓冲区尾部,并同步更新对应的索引项。 - 如果检测到缓冲区占用率超过设定上限,则启动后台线程执行如下任务序列: 1. 停止进一步接收新增项目直至现有批次完全处置完毕; 2. 执行本地组合器(如果配置启用的话),尝试局部聚合相同 key 下关联 value 数组; 3. 根据目标 Reducer 总数实施初步分类划分; 4. 完成内部稳定性排序算法调用,确保同属一组别的所有实体均依序排列; 5. 将整理妥当的结果集逐片导出保存成为独立临时文件片段;与此同时调整相关控制变量状态以便恢复常规作业流运转节奏。 ```python def spill_to_disk(buf, read_ptr, write_ptr): """ Simulates the process of spilling data from a circular buffer to disk. Args: buf (list): The circular buffer containing kv pairs and metadata. read_ptr (int): Pointer indicating where reading starts within the buffer. write_ptr (int): Pointer showing current writing position inside the buffer. Returns: None """ index_end = write_ptr while True: if read_ptr != index_end: # Extract data between read pointer up until but excluding end point defined by 'index' segment_data = extract_segment(buf, read_ptr, index_end) # Perform partitioning & sorting on extracted chunk before saving it onto persistent storage medium like HDD/SSD etc... sorted_partitioned_chunk = perform_operations(segment_data) save_on_disk(sorted_partitioned_chunk) advance_read_pointer() else: break ``` #### 3. **总结说明** 综上所述,Hadoop 的 MapReduce 架构里引入了基于内存高效使用的环形缓冲方案作为连接 Mapper 和最终输出之间的桥梁环节。它不仅能够有效缓解因频繁交互带来的 I/O 开销压力问题,而且还能预先完成诸如归类汇总之类的准备工作,进而大幅简化下游节点面临的复杂度挑战。 ---
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