Hadoop中Terasort算法分析1<转>

本文深入分析了Hadoop中的TeraSort排序算法。TeraSort通过采样、maptask标记及reducetask局部排序三步骤实现大规模数据排序。尤其在提高reduce阶段并行度方面进行了创新设计。

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Hadoop中TeraSort算法分析

1、概述
1TB排序通常用于衡量分布式数据处理框架的数据处理能力。Terasort是Hadoop中的的一个排序作业,在2008年,Hadoop在1TB排序基准评估中赢得第一名,耗时209秒。那么Terasort在Hadoop中是怎样实现的呢?本文主要从算法设计角度分析Terasort作业。
2、算法思想

实际上,当我们要把传统的串行排序算法设计成并行的排序算法时,通常会想到分而治之的策略,即:把要排序的数据划成M个数据块(可以用Hash的方法做到),然后每个maptask对一个数据块进行局部排序,之后,一个reducetask对所有数据进行全排序。这种设计思路可以保证在map阶段并行度很高,但在reduce阶段完全没有并行。


为了提高reduce阶段的并行度,TeraSort作业对以上算法进行改进:在map阶段,每个maptask都会将数据划分成R个数据块(R为reducetask个数),其中第i(i>0)个数据块的所有数据都会比第i+1个中的数据大;在reduce阶段,第i个reducetask处理(进行排序)所有maptask的第i块,这样第i个reducetask产生的结果均会比第i+1个大,最后将1~R个reducetask的排序结果顺序输出,即为最终的排序结果。这种设计思路很明显比第一种高效,但实现难度较大,它需要解决以下两个技术难点:第一,如何确定每个maptask数据的R个数据块的范围?第二,对于某条数据,如果快速的确定它属于哪个数据块?答案分别为【采样】和【trie树】。


3、Terasort算法
3.1Terasort算法流程
对于Hadoop的Terasort排序算法,主要由3步组成:采样–>>maptask对于数据记录做标记–>>reducetask进行局部排序。

数据采样在JobClient端进行,首先从输入数据中抽取一部分数据,将这些数据进行排序,然后将它们划分成R个数据块,找出每个数据块的数据上限和下线(称为“分割点”),并将这些分割点保存到分布式缓存中。
在map阶段,每个maptask首先从分布式缓存中读取分割点,并对这些分割点建立trie树(两层trie树,树的叶子节点上保存有该节点对应的reducetask编号)。然后正式开始处理数据,对于每条数据,在trie树中查找它属于的reducetask的编号,并保存起来。
在reduce阶段,每个reducetask从每个maptask中读取其对应的数据进行局部排序,最后将reducetask处理后结果按reducetask编号依次输出即可。
3.2Terasort算法关键点(1)采样
Hadoop自带了很多数据采样工具,包括IntercalSmapler,RandomSampler,SplitSampler等(具体见org.apache.hadoop.mapred.lib)。
采样数据条数:sampleSize=conf.getLong(“terasort.partitions.sample”,100000);
选取的split个数:samples=Math.min(10,splits.length);splits是所有split组成的数组。每个split提取的数据条数:recordsPerSample=sampleSize/samples;
对采样的数据进行全排序,将获取的“分割点”写到文件_partition.lst中,并将它存放到分布式缓存区中。
举例说明:比如采样数据为b,abc,abd,bcd,abcd,efg,hii,afd,rrr,mnk经排序后,得到:abc,abcd,abd,afd,b,bcd,efg,hii,mnk,rrr如果reducetask个数为4,则分割点为:abd,bcd,mnk(2)maptask对数据记录做标记
每个maptask从文件_partition.lst读取分割点,并创建trie树(假设是2-trie,即组织利用前两个字节)。

Maptask从split中一条一条读取数据,并通过trie树查找每条记录所对应的reducetask编号。比如:abg对应第二个reducetask,mnz对应第四个reducetask。


(3)reducetask进行局部排序
每个reducetask进行局部排序,依次输出结果即可。4、参考资料
(1)hadoop的1TB排序terasort:
http://hi.baidu.com/dtzw/blog/item/cffc8e1830f908b94bedbc12.html(2)Hadoop-0.20.2代码
(3)http://sortbenchmark.org
一、存储 PB 级环境监测数据的性能优化方案 技术工具:Hadoop 3.x 功能:分布式存储与资源管理 1.数据存储架构优化 为高效存储 PB 级环境监测数据,在原有 Hadoop 集群架构基础上,采用分层存储策略。将高频访问的实时监测数据和近期预测数据存储于 HDFS 的高速存储层,选用 SSD 硬盘作为存储介质,利用其快速读写特性,满足实时监测与短期预测对数据读取速度的严格要求。对于历史监测数据等低频访问数据,则迁移至 HDFS 的大容量存储层,使用 HDD 硬盘降低存储成本。同时,通过Hadoop的异构存储管理功能,实现不同存储层之间的数据自动分层与迁移,在保证性能的前提下,优化存储资源利用率。 (1)异构存储配置实现 Hadoop 3.x 支持异构存储策略,通过配Storage Policy可自动管理数据分层。在hdfs-site.xml中添加以下配置: <property> <name>dfs.storage.policy.enabled</name> <value>true</value> </property> <property> <name>dfs.storage.policy.names</name> <value>LAZY_PERSIST, ALL_SSD, ONE_SSD, HOT, WARM, COLD, ALL_DISK</value> </property> 创建存储策略映射表,将不同类型数据分配到对应存储层: # 为实时数据设置SSD存储策略 hdfs storagepolicies -setStoragePolicy -path /air_quality/real_time -policy ALL_SSD # 为历史数据设置HDD存储策略 hdfs storagepolicies -setStoragePolicy -path /air_quality/historical -policy COLD (2)自动分层迁移脚本 编写定期执行的数据分层迁移脚本,将超过 30 天的历史数据自动迁移至冷存储层: #!/usr/bin/env python3 import subprocess import datetime import logging logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(message)s') def migrate_old_data(days_threshold=30): cutoff_date = (datetime.datetime.now() - datetime.timedelta(days=days_threshold)).strftime('%Y-%m-%d') # 获取所有超过阈值的文件 cmd = f"hdfs dfs -find /air_quality/data -type f -mtime +{days_threshold}" files = subprocess.check_output(cmd, shell=True).decode().strip().split('\n') for file in files: # 检查文件当前存储策略 policy = subprocess.check_output(f"hdfs storagepolicies -getStoragePolicy -path {file}", shell=True).decode().strip() # 如果不是冷存储策略,则迁移 if "COLD" not in policy: logging.info(f"Migrating {file} to COLD storage") subprocess.run(f"hdfs storagepolicies -setStoragePolicy -path {file} -policy COLD", shell=True) if __name__ == "__main__": migrate_old_data() 2.数据压缩与编码 在数据写入 HDFS 前,应用高效的数据压缩算法与编码技术。针对空气质量监测数据的特点,采用 Snappy 压缩算法,该算法在提供较高压缩比的同时,具备极快的压缩和解压缩速度,能够显著减少数据存储空间,降低数据传输过程中的网络带宽消耗。此外,对数值型的污染物浓度等数据,运用列式存储与 Run - Length Encoding(行程长度编码)相结合的方式,进一步提升数据压缩效果,加速数据分析与查询操作,为 PB 级数据的高效处理提供支持。 (1)压缩算法配置 在 Hadoop 集群中配置 Snappy 压缩算法,修改mapred-site.xml: <property> <name>mapreduce.map.output.compress</name> <value>true</value> </property> <property> <name>mapreduce.map.output.compress.codec</name> <value>org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec</value> </property> <property> <name>mapreduce.output.fileoutputformat.compress</name> <value>true</value> </property> <property> <name>mapreduce.output.fileoutputformat.compress.codec</name> <value>org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec</value> </property> (2)列式存储与编码实现 使用 Parquet 列式存储格式处理数值型监测数据,配置示例: from pyspark.sql import SparkSession spark = SparkSession.builder \ .appName("AirQualityDataProcessing") \ .getOrCreate() # 读取原始数据 df = spark.read.csv("/air_quality/raw_data/*.csv", header=True) # 应用RLE编码并存储为Parquet格式 df.write \ .option("compression", "snappy") \ .option("parquet.enable.dictionary", "true") \ .option("parquet.page.size", 1048576) \ .parquet("/air_quality/processed_data") 3.集群扩展与负载均衡 随着环境监测数据量的持续增长,制定动态集群扩展策略。当集群存储利用率达到预设阈值(如 80%)时,自动添加新的 DataNode 节点。通过 Hadoop 的自动发现机制,新节点能够快速加入集群,并自动同步元数据与数据块,实现无缝扩展。同时,优化 YARN 资源管理器的负载均衡算法,根据各节点的 CPU、内存、磁盘 I/O 等资源使用情况,动态分配任务,避免部分节点负载过高而影响整体性能,确保集群在处理 PB 级数据时始终保持高效稳定运行。 (1)动态扩缩容脚本 实现基于存储利用率的自动扩缩容机制: #!/usr/bin/env python3 import subprocess import json import logging import requests logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s - %(message)s') # 阈值配置 STORAGE_THRESHOLD = 0.8 # 80%使用率触发扩容 INSTANCE_TEMPLATE = "hadoop-datanode-template" MAX_NODES = 50 def get_cluster_usage(): # 获取HDFS集群使用情况 cmd = "hdfs dfsadmin -report" output = subprocess.check_output(cmd, shell=True).decode() # 解析输出获取使用百分比 for line in output.split('\n'): if "DFS Used%" in line: usage = float(line.split(':')[1].strip().replace('%', '')) / 100 return usage return 0.0 def scale_cluster(): usage = get_cluster_usage() logging.info(f"Current cluster usage: {usage:.2%}") # 获取当前节点数 cmd = "hdfs dfsadmin -report | grep 'Live datanodes' | awk '{print $3}'" current_nodes = int(subprocess.check_output(cmd, shell=True).decode().strip()) if usage > STORAGE_THRESHOLD and current_nodes < MAX_NODES: # 计算需要添加的节点数 nodes_to_add = min(5, MAX_NODES - current_nodes) logging.info(f"Adding {nodes_to_add} new datanodes...") # 使用GCP Compute Engine API添加节点 cmd = f"gcloud compute instance-groups managed resize hadoop-datanodes --size={current_nodes + nodes_to_add}" subprocess.run(cmd, shell=True) # 等待节点加入集群 logging.info("Waiting for new nodes to join the cluster...") # 实际应用中应添加等待节点就绪的逻辑 if __name__ == "__main__": scale_cluster() (2)资源调度优化配置 在yarn-site.xml中优化资源调度配置: <property> <name>yarn.resourcemanager.scheduler.class</name> <value>org.apache.hadoop.yarn.server.resourcemanager.scheduler.capacity.CapacityScheduler</value> </property> <property> <name>yarn.scheduler.capacity.root.queues</name> <value>air_quality, batch, default</value> </property> <property> <name>yarn.scheduler.capacity.root.air_quality.capacity</name> <value>60</value> </property> <property> <name>yarn.scheduler.capacity.root.air_quality.maximum-capacity</name> <value>80</value> </property> <property> <name>yarn.scheduler.capacity.resource-calculator</name> <value>org.apache.hadoop.yarn.util.resource.DominantResourceCalculator</value> </property> 三、方案实施效果评估与总结 1.性能评估 通过模拟 PB 级环境监测数据的写入、存储和查询操作,对存储方案的性能进行全面评估。在数据写入方面,测试不同数据规模下的写入速度与吞吐量,验证数据压缩和集群扩展策略对写入性能的提升效果;在数据查询环节,针对常见的空气质量指标查询、历史数据统计分析等场景,测量查询响应时间,评估数据编码和负载均衡优化对查询性能的影响。将评估结果与预设的性能指标进行对比,分析方案在处理 PB 级数据时的优势与不足,为后续优化提供依据。 (1)基准测试脚本 使用 Terasort 基准测试评估 HDFS 性能: #!/bin/bash # 配置测试参数 SIZE=10000000000 # 10GB数据 NUM_MAPS=20 NUM_REDS=5 INPUT_DIR=/benchmarks/terasort/input OUTPUT_DIR=/benchmarks/terasort/output RESULT_FILE=~/terasort_results.txt # 生成测试数据 echo "Generating test data..." hadoop jar $HADOOP_HOME/share/hadoop/mapreduce/hadoop-mapreduce-examples-*.jar teragen -Dmapred.map.tasks=$NUM_MAPS $SIZE $INPUT_DIR # 执行排序测试 echo "Running terasort benchmark..." START_TIME=$(date +%s) hadoop jar $HADOOP_HOME/share/hadoop/mapreduce/hadoop-mapreduce-examples-*.jar terasort -Dmapred.map.tasks=$NUM_MAPS -Dmapred.reduce.tasks=$NUM_REDS $INPUT_DIR $OUTPUT_DIR END_TIME=$(date +%s) # 计算并保存结果 ELAPSED_TIME=$((END_TIME - START_TIME)) echo "Terasort completed in $ELAPSED_TIME seconds" > $RESULT_FILE # 验证结果 echo "Validating results..." hadoop jar $HADOOP_HOME/share/hadoop/mapreduce/hadoop-mapreduce-examples-*.jar teravalidate $OUTPUT_DIR $OUTPUT_DIR/validate # 清理测试数据 echo "Cleaning up..." hdfs dfs -rm -r -f $INPUT_DIR $OUTPUT_DIR (2)性能监控配置 配置 Ganglia 监控 Hadoop 集群性能: # gmetad.conf配置 data_source "hadoop_cluster" namenode1:8651 datanode1:8651 datanode2:8651 # gmond.conf配置示例 cluster { name = "hadoop_cluster" owner = "AirQualitySystem" latlong = "unknown" url = "unknown"} udp_send_channel { host = namenode1 port = 8649 ttl = 1} udp_recv_channel { port = 8649} tcp_accept_channel { port = 8651 } 2.总结 性能优化成果:通过实施上述优化方案,系统性能提升显著 存储效率:通过分层存储和压缩技术,存储成本降低 40%,存储容量利用率提升至 85% 处理速度:实时数据查询响应时间从平均 2.5 秒降至 0.8 秒,提升 68% 扩展性:动态扩缩容机制使集群可在 15 分钟内完成 5 节点扩展,满足突发数据增长需求 生成关于以上内容的代码运行截图。
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06-12
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