SparkSQL极简入门

Spark为结构化数据处理引入了一个称为Spark SQL的编程模块。它提供了一个称为DataFrame（数据框）的编程抽象，DF的底层仍然是RDD，并且可以充当分布式SQL查询引擎。

1、SparkSQL的由来

SparkSQL的前身是Shark。在Hadoop发展过程中，为了给熟悉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，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，运行效率较低。

后来，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：

    1）MapR的Drill

    2）Cloudera的Impala

    3）Shark

其中Shark是伯克利实验室Spark生态环境的组件之一，它基于Hive实施了一些改进，比如引入缓存管理，改进和优化执行器等，并使之能运行在Spark引擎上，从而使得SQL查询的速度得到10-100倍的提升。

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。

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。

2、SparkSql特点

1）引入了新的RDD类型SchemaRDD，可以像传统数据库定义表一样来定义SchemaRDD。

2）在应用程序中可以混合使用不同来源的数据，如可以将来自HiveQL的数据和来自SQL的数据进行Join操作。

3）内嵌了查询优化框架，在把SQL解析成逻辑执行计划之后，最后变成RDD的计算。

为什么sparkSQL的性能会得到怎么大的提升呢？

主要sparkSQL在下面几点做了优化：

1、内存列存储（In-Memory Columnar Storage）

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。

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（toString、hashcode等方法），如对于一个270MB的电商的商品表数据，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200GB的数据记录，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、SparkSql的存储方式

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。

此外，基于列存储，每列数据都是同质的，所以可以数据类型转换的CPU消耗。此外，可以采用高效的压缩算法来压缩，是的数据更少。比如针对二元数据列，可以用字节编码压缩来实现（010101）

这样，每个列创建一个JVM对象，从而可以快速的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。

3、行存储VS列存储

目前大数据存储有两种方案可供选择：行存储（Row-Based）和列存储（Column-Based）。 业界对两种存储方案有很多争持，集中焦点是:谁能够更有效地处理海量数据，且兼顾安全、可靠、完整性。从目前发展情况看，关系数据库已经不适应这种巨大的存储量和计算要求，基本是淘汰出局。在已知的几种大数据处理软件中，Hadoop的HBase采用列存储，MongoDB是文档型的行存储，Lexst是二进制型的行存储。

1．列存储

什么是列存储？

列式存储(column-based)是相对于传统关系型数据库的行式存储(Row-basedstorage)来说的。简单来说两者的区别就是如何组织表：

Row-based storage stores atable in a sequence of rows.

Column-based storage storesa table in a sequence of columns.

 从上图可以很清楚地看到，行式存储下一张表的数据都是放在一起的，但列式存储下都被分开保存了。所以它们就有了如下这些优缺点对比：

1>在数据写入上的对比

1）行存储的写入是一次完成。如果这种写入建立在操作系统的文件系统上，可以保证写入过程的成功或者失败，数据的完整性因此可以确定。

2）列存储由于需要把一行记录拆分成单列保存，写入次数明显比行存储多（意味着磁头调度次数多，而磁头调度是需要时间的，一般在1ms~10ms)，再加上磁头需要在盘片上移动和定位花费的时间，实际时间消耗会更大。所以，行存储在写入上占有很大的优势。

3）还有数据修改,这实际也是一次写入过程。不同的是，数据修改是对磁盘上的记录做删除标记。行存储是在指定位置写入一次，列存储是将磁盘定位到多个列上分别写入，这个过程仍是行存储的列数倍。所以，数据修改也是以行存储占优。

2>在数据读取上的对比

1）数据读取时，行存储通常将一行数据完全读出，如果只需要其中几列数据的情况，就会存在冗余列，出于缩短处理时间的考量，消除冗余列的过程通常是在内存中进行的。

2）列存储每次读取的数据是集合的一段或者全部，不存在冗余性问题。

3） 两种存储的数据分布。由于列存储的每一列数据类型是同质的，不存在二义性问题。比如说某列数据类型为整型(int)，那么它的数据集合一定是整型数据。这种情况使数据解析变得十分容易。相比之下，行存储则要复杂得多，因为在一行记录中保存了多种类型的数据，数据解析需要在多种数据类型之间频繁转换，这个操作很消耗CPU，增加了解析的时间。所以，列存储的解析过程更有利于分析大数据。

4）从数据的压缩以及更性能的读取来对比

2．优缺点

显而易见，两种存储格式都有各自的优缺点：

1）行存储的写入是一次性完成，消耗的时间比列存储少，并且能够保证数据的完整性，缺点是数据读取过程中会产生冗余数据，如果只有少量数据，此影响可以忽略;数量大可能会影响到数据的处理效率。

2）列存储在写入效率、保证数据完整性上都不如行存储，它的优势是在读取过程，不会产生冗余数据，这对数据完整性要求不高的大数据处理领域，比如互联网，犹为重要。

两种存储格式各自的特性都决定了它们的使用场景。

4、列存储的适用场景

1）一般来说，一个OLAP类型的查询可能需要访问几百万甚至几十亿个数据行，且该查询往往只关心少数几个数据列。例如，查询今年销量最高的前20个商品，这个查询只关心三个数据列：时间（date）、商品（item）以及销售量（sales amount）。商品的其他数据列，例如商品URL、商品描述、商品所属店铺，等等，对这个查询都是没有意义的。

而列式数据库只需要读取存储着“时间、商品、销量”的数据列，而行式数据库需要读取所有的数据列。因此，列式数据库大大地提高了OLAP大数据量查询的效率

OLTP    OnLine Transaction Processor 在线联机事务处理系统（比如Mysql，Oracle等产品）

OLAP    OnLine Analaysier Processor  在线联机分析处理系统（比如Hive  Hbase等）

2）很多列式数据库还支持列族（column group，Bigtable系统中称为locality group），即将多个经常一起访问的数据列的各个值存放在一起。如果读取的数据列属于相同的列族，列式数据库可以从相同的地方一次性读取多个数据列的值，避免了多个数据列的合并。列族是一种行列混合存储模式，这种模式能够同时满足OLTP和OLAP的查询需求。

3）此外，由于同一个数据列的数据重复度很高，因此，列式数据库压缩时有很大的优势。

例如，Google Bigtable列式数据库对网页库压缩可以达到15倍以上的压缩率。另外，可以针对列式存储做专门的索引优化。比如，性别列只有两个值，“男”和“女”，可以对这一列建立位图索引：

如下图所示

“男”对应的位图为100101，表示第1、4、6行值为“男”

“女”对应的位图为011010，表示第2、3、5行值为“女”

如果需要查找男性或者女性的个数，只需要统计相应的位图中1出现的次数即可。另外，建立位图索引后0和1的重复度高，可以采用专门的编码方式对其进行压缩。

当然，如果每次查询涉及的数据量较小或者大部分查询都需要整行的数据，列式数据库并不适用。

5、总结

1．行存储特性

传统行式数据库的特性如下：

①数据是按行存储的。

②没有索引的查询使用大量I/O。比如一般的数据库表都会建立索引，通过索引加快查询效率。

 ③建立索引和物化视图需要花费大量的时间和资源。

 ④面对查询需求，数据库必须被大量膨胀才能满足需求。

2．列存储特性

列式数据库的特性如下：

①数据按列存储，即每一列单独存放。

②数据即索引。

③只访问查询涉及的列，可以大量降低系统I/O。

④每一列由一个线程来处理，即查询的并发处理性能高。

⑤数据类型一致，数据特征相似，可以高效压缩。比如有增量压缩、前缀压缩算法都是基于列存储的类型定制的，所以可以大幅度提高压缩比，有利于存储和网络输出数据带宽的消耗。

SparkSql将RDD封装成一个DataFrame对象，这个对象类似于关系型数据库中的表。

1、创建DataFrame对象

DataFrame就相当于数据库的一张表。它是个只读的表，不能在运算过程再往里加元素。

RDD.toDF(“列名”)

scala> val rdd = sc.parallelize(List(1,2,3,4,5,6))
rdd: org.apache.spark.rdd.RDD[Int] = ParallelCollectionRDD[0] at parallelize at <console>:21
scala> rdd.toDF("id")
res0: org.apache.spark.sql.DataFrame = [id: int]
scala> res0.show#默认只显示20条数据
+---+
| id|
+---+
|  1|
|  2|
|  3|
|  4|
|  5|
|  6|
+---+
scala> res0.printSchema #查看列的类型等属性
root
|-- id: integer (nullable = true)

创建多列DataFrame对象

DataFrame就相当于数据库的一张表。

scala> sc.parallelize(List( (1,"beijing"),(2,"shanghai") ) )
res3: org.apache.spark.rdd.RDD[(Int, String)] = ParallelCollectionRDD[5] at parallelize at <console>:22
scala> res3.toDF("id","name")
res4: org.apache.spark.sql.DataFrame = [id: int, name: string]
scala> res4.show
+---+--------+
| id| name|
+---+--------+
|  1| beijing|
|  2|shanghai|
+---+--------+

例如3列的

scala> sc.parallelize(List( (1,"beijing",100780),(2,"shanghai",560090),(3,"xi'an",600329)))
res6: org.apache.spark.rdd.RDD[(Int, String, Int)] = ParallelCollectionRDD[10] at parallelize at <console>:22
scala> res6.toDF("id","name","postcode")
res7: org.apache.spark.sql.DataFrame = [id: int, name: string, postcode: int]
scala> res7.show
+---+--------+--------+
| id|    name|postcode|
+---+--------+--------+
|  1| beijing|  100780|
|  2|shanghai|  560090|
|  3|   xi'an|  600329|
+---+--------+--------+

可以看出，需要构建几列，tuple就有几个内容。

2、由外部文件构造DataFrame对象

1.读取txt文件

txt文件不能直接转换成，先利用RDD转换为tuple。然后toDF()转换为DataFrame。

scala> val rdd = sc.textFile("/root/words.txt")
.map( x => (x,1) )
.reduceByKey( (x,y) => x+y )
rdd: org.apache.spark.rdd.RDD[(String, Int)] = ShuffledRDD[18] at reduceByKey at <console>:21
 
scala> rdd.toDF("word","count")
res9: org.apache.spark.sql.DataFrame = [word: string, count: int]
 
scala> res9.show
+------+-----+
|  word|count|
+------+-----+
| spark|    3|
|  hive|    1|
|hadoop|    2|
|   big|    2|
|  scla|    1|
|  data|    1|
+------+-----+

2.读取json文件

文件代码：

{"id":1, "name":"leo", "age":18}
{"id":2, "name":"jack", "age":19}
{"id":3, "name":"marry", "age":17}

实现：

import org.apache.spark.sql.SQLContext
scala>val sqc=new SQLContext(sc)
scala> val tb4=sqc.read.json("/home/software/people.json")
scala> tb4.show

3.读取parquet文件

格式如下：

1>Parquet数据格式

Parquet是一种列式存储格式，可以被多种查询引擎支持（Hive、Impala、Drill等），并且它是语言和平台无关的。

Parquet文件下载后是否可以直接读取和修改呢？

Parquet文件是以二进制方式存储的，是不可以直接读取和修改的。Parquet文件是自解析的，文件中包括该文件的数据和元数据。

列式存储和行式存储相比有哪些优势呢？

可以只读取需要的数据，降低IO数据量；

压缩编码可以降低磁盘存储空间。由于同一列的数据类型是一样的，可以使用更高效的压缩编码进一步节约存储空间。

实现：

scala>val tb5=sqc.read.parquet("/home/software/users.parquet")
scala> tb5.show

4.jdbc读取

实现步骤：

1）将mysql 的驱动jar上传到spark的jars目录下

2）重启spark服务

3）进入spark客户端

4）执行代码，比如在Mysql数据库下，有一个test库，在test库下有一张表为tabx

执行代码：

import org.apache.spark.sql.SQLContext
scala> val sqc = new SQLContext(sc);
scala> val prop = new java.util.Properties
scala> prop.put("user","root")
scala> prop.put("password","root")
scala>val tabx=sqc.read.jdbc("jdbc:mysql://hadoop01:3306/test","tabx",prop)
scala> tabx.show
+---+----+
| id|name|
+---+----+
|  1| aaa|
|  2| bbb|
|  3| ccc|
|  1| ddd|
|  2| eee|
|  3| fff|
+---+----+

注：如果报权限不足，则进入mysql，执行：

grant all privileges on *.* to 'root'@'hadoop01' identified by 'root' with grant option;
然后执行：flush privileges;