SPARK的计算向量化-spark本身的向量化

本文深入探讨了Spark中向量化执行技术的实现原理,重点介绍了Tungsten项目中的代码生成功能如何通过ColumnarBatch实现数据处理的向量化,并讨论了JIT优化的局限性和改进方向。

背景

我们知道,随着计算引擎战争的结束(SPARK赢得了离线处理的霸权),越来越多的公司致力于性能的优化,而引擎的优化,目前直指计算的向量化,
这片文章来说说spark本身对于向量化的实现。

spark本身的优化

我们都知道spark的Tungsten项目,这个项目中有一点就是Code Generation(代码生成)。代码生成除了消除虚函数的调用等功能外,其实在向量化这块也是做了处理的。
直接跳到ColumnarToRowExec代码:

val columnarBatchClz = classOf[ColumnarBatch].getName
    val batch = ctx.addMutableState(columnarBatchClz, "batch")
  ...
 val localIdx = ctx.freshName("localIdx")
    val localEnd = ctx.freshName("localEnd")
    val numRows = ctx.freshName("numRows")
    val shouldStop = if (parent.needStopCheck) {
      s"if (shouldStop()) { $idx = $rowidx + 1; return; }"
    } else {
      "// shouldStop check is eliminated"
    }
    s"""
       |if ($batch == null) {
       |  $nextBatchFuncName();
       |}
       |while ($limitNotReachedCond $batch != null) {
       |  int $numRows = $batch.numRows();
       |  int $localEnd = $numRows - $idx;
       |  for (int $localIdx = 0; $localIdx &
### Spark 向量化操作的功能及作用 #### 1. **向量化操作的核心概念** Spark向量化操作是一种优化机制,旨在通过批量处理数据的方式提高计算效率。它利用现代 CPU 架构中的 SIMD(Single Instruction, Multiple Data)特性[^3],从而显著提升性能。 #### 2. **向量化执行的具体方法** 向量化执行的关键在于批处理列式存储的数据结构。以下是其主要组成部分: - **Batched Columnar Data Layout**: 数据以列的形式存储并分批次加载到内存中。这种布局方式减少了随机访问开销,并提高了缓存命中率。 - **Filters and Conditionals**: 过滤器和条件表达式的评估被矢量化,允许一次处理多个记录而不是逐条处理。 - **Vectorized Hash Table**: 使用矢量化的哈希表加速连接和其他聚合操作的执行速度。 - **Vector Memory Management**: 高效管理内存分配和释放过程,减少垃圾回收的压力。 #### 3. **Parquet 文件的向量化读取** 在 Spark 中,`VectorizedParquetRecordReader` 是 Parquet 文件向量化读取的核心类。它的设计基于继承链 `VectorizedParquetRecordReader -> SpecificParquetRecordReaderBase -> RecordReader`,并通过增加 `initBatch`, `nextBatch`, 和 `resultBatch` 方法实现了高效的批处理逻辑[^2]。 #### 4. **实际应用案例** 当使用 Scala、Java 或 Python 开发机器学习模型时,可以结合各种库完成特征工程任务。例如,Python 用户可以选择 scikit-learn 来预处理数据;而 Scala 用户则可能更倾向于 Breeze 提供的强大线性代数能力[^1]。无论采用哪种编程语言,最终都会依赖于底层的向量化引擎来高效运行算法。 #### 5. **优势总结** - 性能提升:相比传统行式处理模式,向量化能够充分利用硬件资源,带来数量级上的提速效果。 - 资源节约:由于减少了不必要的中间状态保存动作,整体作业所需的内存空间也有所下降。 - 易用性强:开发者无需关心复杂的内部实现细节即可享受高性能带来的便利。 ```python from pyspark.sql import SparkSession spark = SparkSession.builder.appName("vectorization_example").getOrCreate() # 创建一个简单的 DataFrame 并启用向量化选项 df = spark.range(0, 100).repartition(8) # 执行某些操作,默认情况下会自动运用向量化技术 result_df = df.selectExpr("(id * id) as squared_id") result_df.show() ```
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