对Spark的那些【魔改】

前言

这两年做 streamingpro 时，不可避免的需要对Spark做大量的增强。就如同我之前吐槽的，Spark大量使用了new进行对象的创建，导致里面的实现基本没有办法进行替换。

比如SparkEnv里有个属性叫closureSerializer，是专门做任务的序列化反序列化的，当然也负责对函数闭包的序列化反序列化。我们看看内部是怎么实现的：

val serializer = instantiateClassFromConf[Serializer]( 
      "spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.JavaSerializer") 
    logDebug(s"Using serializer: ${serializer.getClass}") 
 
    val serializerManager = new SerializerManager(serializer, conf, ioEncryptionKey) 
 
    val closureSerializer = new JavaSerializer(conf) 
 
val envInstance = new SparkEnv( 
..... 
 closureSerializer, .... 

这里直接new了一个JavaSerializer,并不能做配置。如果不改源码，你没有任何办法可以替换掉掉这个实现。同理，如果我想替换掉Executor的实现，基本也是不可能的。

今年有两个大地方涉及到了对Spark的【魔改】，也就是不通过改源码，使用原有发型包，通过添加新代码的方式来对Spark进行增强。

二层RPC的支持

我们知道，在Spark里，我们只能通过Task才能touch到Executor。现有的API你是没办法直接操作到所有或者指定部分的Executor。比如，我希望所有Executor都加载一个资源文件，现在是没办法做到的。为了能够对Executor进行直接的操作，那就需要建立一个新的通讯层。那具体怎么做呢?

首先，在Driver端建立一个Backend,这个比较简单，

class PSDriverBackend(sc: SparkContext) extends Logging { 
 
  val conf = sc.conf 
  var psDriverRpcEndpointRef: RpcEndpointRef = null 
 
  def createRpcEnv = { 
    val isDriver = sc.env.executorId == SparkContext.DRIVER_IDENTIFIER 
    val bindAddress = sc.conf.get(DRIVER_BIND_ADDRESS) 
    val advertiseAddress = sc.conf.get(DRIVER_HOST_ADDRESS) 
    var port = sc.conf.getOption("spark.ps.driver.port").getOrElse("7777").toInt 
    val ioEncryptionKey = if (sc.conf.get(IO_ENCRYPTION_ENABLED)) { 
      Some(CryptoStreamUtils.createKey(sc.conf)) 
    } else { 
      None 
    } 
    logInfo(s"setup ps driver rpc env: ${bindAddress}:${port} clientMode=${!isDriver}") 
    var createSucess = false 
    var count = 0 
    val env = new AtomicReference[RpcEnv]() 
    while (!createSucess && count < 10) { 
      try { 
        env.set(RpcEnv.create("PSDriverEndpoint", bindAddress, port, sc.conf, 
          sc.env.securityManager, clientMode = !isDriver)) 
        createSucess = true 
      } catch { 
        case e: Exception => 
          logInfo("fail to create rpcenv", e) 
          count += 1 
          port += 1 
      } 
    } 
    if (env.get() == null) { 
      logError(s"fail to create rpcenv finally with attemp ${count} ") 
    } 
    env.get() 
  } 
 
  def start() = { 
    val env = createRpcEnv 
    val pSDriverBackend = new PSDriverEndpoint(sc, env) 
    psDriverRpcEndpointRef = env.setupEndpoint("ps-driver-endpoint", pSDriverBackend) 
  } 
 
} 

这样，你可以理解为在Driver端启动了一个PRC Server。要运行这段代码也非常简单，直接在主程序里运行即可：

// parameter server should be enabled by default 
    if (!params.containsKey("streaming.ps.enable") || params.get("streaming.ps.enable").toString.toBoolean) { 
      logger.info("ps enabled...") 
      if (ss.sparkContext.isLocal) { 
        localSchedulerBackend = new LocalPSSchedulerBackend(ss.sparkContext) 
        localSchedulerBackend.start() 
      } else { 
        logger.info("start PSDriverBackend") 
        psDriverBackend = new PSDriverBackend(ss.sparkContext) 
        psDriverBackend.start() 
      } 
    } 

这里我们需要实现local模式和cluster模式两种。

Driver启动了一个PRC Server，那么Executor端如何启动呢?Executor端似乎没有任何一个地方可以让我启动一个PRC Server? 其实有的，只是非常trick,我们知道Spark是允许自定义Metrics的，并且会调用用户实现的metric特定的方法，我们只要开发一个metric Sink,在里面启动RPC Server，骗过Spark即可。具体时下如下：

class PSServiceSink(val property: Properties, val registry: MetricRegistry, 
                    securityMgr: SecurityManager) extends Sink with Logging { 
  def env = SparkEnv.get 
 
  var psDriverUrl: String = null 
  var psExecutorId: String = null 
  var hostname: String = null 
  var cores: Int = 0 
  var appId: String = null 
  val psDriverPort = 7777 
  var psDriverHost: String = null 
  var workerUrl: Option[String] = None 
  val userClassPath = new mutable.ListBuffer[URL]() 
 
  def parseArgs = { 
    //val runtimeMxBean = ManagementFactory.getRuntimeMXBean(); 
    //var argv = runtimeMxBean.getInputArguments.toList 
    var argv = System.getProperty("sun.java.command").split("\\s+").toList 
 
   ..... 
    psDriverHost = host 
    psDriverUrl = "spark://ps-driver-endpoint@" + psDriverHost + ":" + psDriverPort 
  } 
 
  parseArgs 
 
  def createRpcEnv = { 
    val isDriver = env.executorId == SparkContext.DRIVER_IDENTIFIER 
    val bindAddress = hostname 
    val advertiseAddress = "" 
    val port = env.conf.getOption("spark.ps.executor.port").getOrElse("0").toInt 
    val ioEncryptionKey = if (env.conf.get(IO_ENCRYPTION_ENABLED)) { 
      Some(CryptoStreamUtils.createKey(env.conf)) 
    } else { 
      None 
    } 
    //logInfo(s"setup ps driver rpc env: ${bindAddress}:${port} clientMode=${!isDriver}") 
    RpcEnv.create("PSExecutorBackend", bindAddress, port, env.conf, 
      env.securityManager, clientMode = !isDriver) 
  } 
 
  override def start(): Unit = { 
 
    new Thread(new Runnable { 
      override def run(): Unit = { 
        logInfo(s"delay PSExecutorBackend 3s") 
        Thread.sleep(3000) 
        logInfo(s"start PSExecutor;env:${env}") 
        if (env.executorId != SparkContext.DRIVER_IDENTIFIER) { 
          val rpcEnv = createRpcEnv 
          val pSExecutorBackend = new PSExecutorBackend(env, rpcEnv, psDriverUrl, psExecutorId, hostname, cores) 
          PSExecutorBackend.executorBackend = Some(pSExecutorBackend) 
          rpcEnv.setupEndpoint("ps-executor-endpoint", pSExecutorBackend) 
        } 
      } 
    }).start() 
 
  } 
... 
} 

到这里，我们就能成功启动RPC Server，并且连接上Driver中的PRC Server。现在，你就可以在不修改Spark 源码的情况下，尽情的写通讯相关的代码了，让你可以更好的控制Executor。

比如在PSExecutorBackend 实现如下代码：

override def receiveAndReply(context: RpcCallContext): PartialFunction[Any, Unit] = { 
    case Message.TensorFlowModelClean(modelPath) => { 
      logInfo("clean tensorflow model") 
      TFModelLoader.close(modelPath) 
      context.reply(true) 
    } 
    case Message.CopyModelToLocal(modelPath, destPath) => { 
      logInfo(s"copying model: ${modelPath} -> ${destPath}") 
      HDFSOperator.copyToLocalFile(destPath, modelPath, true) 
      context.reply(true) 
    } 
  } 

接着你就可以在Spark里写如下的代码调用了：

val psDriverBackend = runtime.asInstanceOf[SparkRuntime].psDriverBackend psDriverBackend.psDriverRpcEndpointRef.send(Message.TensorFlowModelClean("/tmp/ok")) 

是不是很酷。

修改闭包的序列化方式

Spark的任务调度开销非常大。对于一个复杂的任务，业务逻辑代码执行时间大约是3-7ms,但是整个spark运行的开销大概是1.3s左右。

经过详细dig发现，sparkContext里RDD转化时，会对函数进行clean操作，clean操作的过程中，默认会检查是不是能序列化(就是序列化一遍，没抛出异常就算可以序列化)。而序列化成本相当高(默认使用的JavaSerializer并且对于函数和任务序列化，是不可更改的)，单次序列化耗时就达到200ms左右，在local模式下对其进行优化，可以减少600ms左右的请求时间。

当然，需要申明的是，这个是针对local模式进行修改的。那具体怎么做的呢?

我们先看看Spark是怎么调用序列化函数的，首先在SparkContext里，clean函数是这样的：

private[spark] def clean[F <: AnyRef](f: F, checkSerializable: Boolean = true): F = { 
    ClosureCleaner.clean(f, checkSerializable) 
    f 
  } 

调用的是ClosureCleaner.clean方法，该方法里是这么调用学序列化的：

try { 
      if (SparkEnv.get != null) { 
        SparkEnv.get.closureSerializer.newInstance().serialize(func) 
      } 
    } catch { 
      case ex: Exception => throw new SparkException("Task not serializable", ex) 
    } 

SparkEnv是在SparkContext初始化的时候创建的，该对象里面包含了closureSerializer，该对象通过new JavaSerializer创建。既然序列化太慢，又因为我们其实是在Local模式下，本身是可以不需要序列化的，所以我们这里想办法把closureSerializer的实现替换掉。正如我们前面吐槽，因为在Spark代码里写死了，没有暴露任何自定义的可能性，所以我们又要魔改一下了。

首先，我们新建一个SparkEnv的子类：

class WowSparkEnv( 
                   ....) extends SparkEnv( 

接着实现一个自定义的Serializer：

class LocalNonOpSerializerInstance(javaD: SerializerInstance) extends SerializerInstance { 
 
  private def isClosure(cls: Class[_]): Boolean = { 
    cls.getName.contains("$anonfun$") 
  } 
 
  override def serialize[T: ClassTag](t: T): ByteBuffer = { 
    if (isClosure(t.getClass)) { 
      val uuid = UUID.randomUUID().toString 
      LocalNonOpSerializerInstance.maps.put(uuid, t.asInstanceOf[AnyRef]) 
      ByteBuffer.wrap(uuid.getBytes()) 
    } else { 
      javaD.serialize(t) 
    } 
 
  } 
 
  override def deserialize[T: ClassTag](bytes: ByteBuffer): T = { 
    val s = StandardCharsets.UTF_8.decode(bytes).toString() 
    if (LocalNonOpSerializerInstance.maps.containsKey(s)) { 
      LocalNonOpSerializerInstance.maps.remove(s).asInstanceOf[T] 
    } else { 
      bytes.flip() 
      javaD.deserialize(bytes) 
    } 
 
  } 
 
  override def deserialize[T: ClassTag](bytes: ByteBuffer, loader: ClassLoader): T = { 
    val s = StandardCharsets.UTF_8.decode(bytes).toString() 
    if (LocalNonOpSerializerInstance.maps.containsKey(s)) { 
      LocalNonOpSerializerInstance.maps.remove(s).asInstanceOf[T] 
    } else { 
      bytes.flip() 
      javaD.deserialize(bytes, loader) 
    } 
  } 
 
  override def serializeStream(s: OutputStream): SerializationStream = { 
    javaD.serializeStream(s) 
  } 
 
  override def deserializeStream(s: InputStream): DeserializationStream = { 
    javaD.deserializeStream(s) 
  } 

接着我们需要再封装一个LocalNonOpSerializer，

class LocalNonOpSerializer(conf: SparkConf) extends Serializer with Externalizable { 
  val javaS = new JavaSerializer(conf) 
 
  override def newInstance(): SerializerInstance = { 
    new LocalNonOpSerializerInstance(javaS.newInstance()) 
  } 
 
  override def writeExternal(out: ObjectOutput): Unit = Utils.tryOrIOException { 
    javaS.writeExternal(out) 
  } 
 
  override def readExternal(in: ObjectInput): Unit = Utils.tryOrIOException { 
    javaS.readExternal(in) 
  } 
} 

现在，万事俱备，只欠东风了，我们怎么才能把这些代码让Spark运行起来。具体做法非常魔幻，实现一个enhance类：

def enhanceSparkEnvForAPIService(session: SparkSession) = { 
      val env = SparkEnv.get 
   //创建一个新的WowSparkEnv对象，然后将里面的Serializer替换成我们自己的LocalNonOpSerializer 
    val wowEnv = new WowSparkEnv( 
 ..... 
      new LocalNonOpSerializer(env.conf): Serializer, 
 ....) 
    // 将SparkEnv object里的实例替换成我们的 
    //WowSparkEnv 
    SparkEnv.set(wowEnv) 
  //但是很多地方在SparkContext启动后都已经在使用之前就已经生成的SparkEnv,我们需要做些调整 
//我们先把之前已经启动的LocalSchedulerBackend里的scheduer停掉 
    val localScheduler = session.sparkContext.schedulerBackend.asInstanceOf[LocalSchedulerBackend] 
 
    val scheduler = ReflectHelper.field(localScheduler, "scheduler") 
 
    val totalCores = localScheduler.totalCores 
    localScheduler.stop() 
 
  //创建一个新的LocalSchedulerBackend 
    val wowLocalSchedulerBackend = new WowLocalSchedulerBackend(session.sparkContext.getConf, scheduler.asInstanceOf[TaskSchedulerImpl], totalCores) 
    wowLocalSchedulerBackend.start() 
 //把SparkContext里的_schedulerBackend替换成我们的实现 
    ReflectHelper.field(session.sparkContext, "_schedulerBackend", wowLocalSchedulerBackend) 
  } 

完工。

其实还有很多

比如在Spark里，Python Worker默认一分钟没有被使用是会被杀死的，但是在StreamingPro里，这些python worker因为都要加载模型，所以启动成本是非常高的，杀了之后再启动就没办法忍受了，通过类似的方式进行魔改，从而使得空闲时间是可配置的。如果大家感兴趣，可以翻看StreamingPro相关代码。