Spark Streaming 反压（Back Pressure）机制介绍

背景

在默认情况下，Spark Streaming 通过 receivers (或者是 Direct 方式) 以生产者生产数据的速率接收数据。当 batch processing time > batch interval 的时候，也就是每个批次数据处理的时间要比 Spark Streaming 批处理间隔时间长；越来越多的数据被接收，但是数据的处理速度没有跟上，导致系统开始出现数据堆积，可能进一步导致 Executor 端出现 OOM 问题而出现失败的情况。

而在 Spark 1.5 版本之前，为了解决这个问题，对于 Receiver-based 数据接收器，我们可以通过配置 spark.streaming.receiver.maxRate 参数来限制每个 receiver 每秒最大可以接收的记录的数据；对于 Direct Approach 的数据接收，我们可以通过配置 spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition 参数来限制每次作业中每个 Kafka 分区最多读取的记录条数。这种方法虽然可以通过限制接收速率，来适配当前的处理能力，但这种方式存在以下几个问题：

• 我们需要事先估计好集群的处理速度以及消息数据的产生速度；

• 这两种方式需要人工参与，修改完相关参数之后，我们需要手动重启 Spark Streaming 应用程序；

• 如果当前集群的处理能力高于我们配置的 maxRate，而且 producer 产生的数据高于 maxRate，这会导致集群资源利用率低下，而且也会导致数据不能够及时处理。

反压机制

那么有没有可能不需要人工干预，Spark Streaming 系统自动处理这些问题呢？当然有了！Spark 1.5 引入了反压（Back Pressure）机制，其通过动态收集系统的一些数据来自动地适配集群数据处理能力。详细的记录请参见 SPARK-7398 里面的说明。

Spark Streaming 1.5 以前的体系结构

在 Spark 1.5 版本之前，Spark Streaming 的体系结构如下所示：

• 数据是源源不断的通过 receiver 接收，当数据被接收后，其将这些数据存储在 Block Manager 中；为了不丢失数据，其还将数据备份到其他的 Block Manager 中；

• Receiver Tracker 收到被存储的 Block IDs，然后其内部会维护一个时间到这些 block IDs 的关系；

• Job Generator 会每隔 batchInterval 的时间收到一个事件，其会生成一个 JobSet；

• Job Scheduler 运行上面生成的 JobSet。

Spark Streaming 1.5 之后的体系结构

• 为了实现自动调节数据的传输速率，在原有的架构上新增了一个名为 RateController 的组件，这个组件继承自 StreamingListener，其监听所有作业的 onBatchCompleted 事件，并且基于 processingDelay、schedulingDelay 、当前 Batch 处理的记录条数以及处理完成事件来估算出一个速率；这个速率主要用于更新流每秒能够处理的最大记录的条数。速率估算器（RateEstimator）可以又多种实现，不过目前的 Spark 2.2 只实现了基于 PID 的速率估算器。

• InputDStreams 内部的 RateController 里面会存下计算好的最大速率，这个速率会在处理完 onBatchCompleted 事件之后将计算好的速率推送到 ReceiverSupervisorImpl，这样接收器就知道下一步应该接收多少数据了。

• 如果用户配置了 spark.streaming.receiver.maxRate 或 spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition，那么最后到底接收多少数据取决于三者的最小值。也就是说每个接收器或者每个 Kafka 分区每秒处理的数据不会超过 spark.streaming.receiver.maxRate 或 spark.streaming.kafka.maxRatePerPartition 的值。

详细的过程如下图所示：

Spark Streaming 反压机制的使用

在 Spark 启用反压机制很简单，只需要将 spark.streaming.backpressure.enabled 设置为 true 即可，这个参数的默认值为 false。反压机制还涉及以下几个参数，包括文档中没有列出来的：

• spark.streaming.backpressure.initialRate： 启用反压机制时每个接收器接收第一批数据的初始最大速率。默认值没有设置。

• spark.streaming.backpressure.rateEstimator：速率估算器类，默认值为 pid ，目前 Spark 只支持这个，大家可以根据自己的需要实现。

• spark.streaming.backpressure.pid.proportional：用于响应错误的权重（最后批次和当前批次之间的更改）。默认值为1，只能设置成非负值。weight for response to "error" (change between last batch and this batch)

• spark.streaming.backpressure.pid.integral：错误积累的响应权重，具有抑制作用（有效阻尼）。默认值为 0.2 ，只能设置成非负值。weight for the response to the accumulation of error. This has a dampening effect.

• spark.streaming.backpressure.pid.derived：对错误趋势的响应权重。 这可能会引起 batch size 的波动，可以帮助快速增加/减少容量。默认值为0，只能设置成非负值。weight for the response to the trend in error. This can cause arbitrary/noise-induced fluctuations in batch size, but can also help react quickly to increased/reduced capacity.

• spark.streaming.backpressure.pid.minRate：可以估算的最低费率是多少。默认值为 100，只能设置成非负值。