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Apache Spark Delta Lake 写数据使用及实现原理代码解析

Delta Lake 写数据是其最基本的功能,而且其使用和现有的 Spark 写 Parquet 文件基本一致,在介绍 Delta Lake 实现原理之前先来看看如何使用它,具体使用如下:

df.write.format("delta").save("/data/iteblog/delta/test/")

//数据按照 dt 分区
df.write.format("delta").partitionBy("dt").save("/data/iteblog/delta/test/")

// 覆盖之前的数据
df.write.format("delta").mode(SaveMode.Overwrite).save("/data/iteblog/delta/test/")

大家可以看出,使用写 Delta 数据是非常简单的,这也是 Delte Lake 介绍的 100% 兼容 Spark

Delta Lake 写数据原理

Apache Spark 社区期待的 Delta Lake 开源了
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前面简单了解了如何使用 Delta Lake 来写数据,本小结我们将深入介绍 Delta Lake 是如何保证写数据的基本原理以及如何保证事务性。

得益于 Apache Spark 强大的数据源 API,我们可以很方便的给 Spark 添加任何数据源,Delta Lake 也不例外。Delta Lake 就是使用 DataSource V1 版本的 API 实现的一种新的数据源,我们调用 df.write.format("delta") 其实底层调用的是 org.apache.spark.sql.delta.sources.DeltaDataSource 类。为了简单起见,本文介绍的是 Delta Lake 批量写的实现,实时流写 Delta Lake 本文不涉及,后面有机会再介绍。 Delta Lake 批量写扩展了 org.apache.spark.sql.sources.CreatableRelationProvider 特质,并实现了其中的方法。我们调用上面的写数据方法首先会调用 DeltaDataSource 类的 createRelation 方法,它的具体实现如下:

override def createRelation(
    sqlContext: SQLContext,
    mode: SaveMode,
    parameters: Map[String, String],
    data: DataFrame): BaseRelation = {

  // 写数据的路径
  val path = parameters.getOrElse("path", {
    throw DeltaErrors.pathNotSpecifiedException
  })

  // 分区字段
  val partitionColumns = parameters.get(DeltaSourceUtils.PARTITIONING_COLUMNS_KEY)
    .map(DeltaDataSource.decodePartitioningColumns)
    .getOrElse(Nil)


  // 事务日志对象
  val deltaLog = DeltaLog.forTable(sqlContext.sparkSession, path)

  // 真正的写操作过程
  WriteIntoDelta(
    deltaLog = deltaLog,
    mode = mode,
    new DeltaOptions(parameters, sqlContext.sparkSession.sessionState.conf),
    partitionColumns = partitionColumns,
    configuration = Map.empty,
    data = data).run(sqlContext.sparkSession)

  deltaLog.createRelation()
}

其中 mode 就是保持数据的模式,支持 Append、Overwrite、ErrorIfExists 以及 Ignore 等。parameters 这个传递的参数,比如分区字段、数据保存路径以及 Delta 支持的一些参数(replaceWhere、mergeSchema、overwriteSchema 等,具体参见 org.apache.spark.sql.delta.DeltaOptions);data 就是我们需要保存的数据。

createRelation 方法紧接着就是获取数据保存的路径,分区字段等信息。然后初始化 deltaLog,deltaLog 的初始化会做很多事情,比如会读取磁盘所有的事务日志(_delta_log 目录下),并构建最新事务日志的最新快照,里面可以拿到最新数据的版本。由于 deltaLog 的初始化成本比较高,所以 deltaLog 初始化完之后会缓存到 deltaLogCache 中,这是一个使用 Guava 的 CacheBuilder 类实现的一个缓存,缓存的数据保持一小时,缓存大小可以通过 delta.log.cacheSize 参数进行设置。只要写数据的路径是一样的,就只需要初始化一次 deltaLog,后面直接从缓存中拿即可。除非之前缓存的 deltaLog 被清理了,或者无效才会再次初始化。DeltaLog 类是 Delta Lake 中最重要的类之一,涉及的内容非常多,所以我们会单独使用一篇文章进行介绍。

紧接着初始化 WriteIntoDelta,WriteIntoDelta 扩展自 RunnableCommand,Delta Lake 中的更新、删除、合并都是扩展这个类的。初始化完 WriteIntoDelta 之后,就会调用 run 方法执行真正的写数据操作。WriteIntoDelta 的 run 方法实现如下:

override def run(sparkSession: SparkSession): Seq[Row] = {
    deltaLog.withNewTransaction { txn =>
      val actions = write(txn, sparkSession)
      val operation = DeltaOperations.Write(mode, Option(partitionColumns), options.replaceWhere)
      txn.commit(actions, operation)
    }
    Seq.empty
}

Delta Lake 所有的更新操作都是在事务中进行的,deltaLog.withNewTransaction 就是一个事务,withNewTransaction 的实现如下:

def withNewTransaction[T](thunk: OptimisticTransaction => T): T = {
  try {
    // 更新当前表事务日志的快照
    update()
    // 初始化乐观事务锁对象
    val txn = new OptimisticTransaction(this)
    // 开启事务
    OptimisticTransaction.setActive(txn)
    // 执行写数据操作
    thunk(txn)
  } finally {
    // 关闭事务
    OptimisticTransaction.clearActive()
  }
}

在开启事务之前,需要更新当前表事务的快照,因为在执行写数据之前,这张表可能已经被修改了,执行 update 操作之后,就可以拿到当前表的最新版本,紧接着开启乐观事务锁。thunk(txn) 就是需要执行的事务操作,对应 deltaLog.withNewTransaction 里面的所有代码。

我们回到上面的 run 方法。val actions = write(txn, sparkSession) 就是执行写数据的操作,它的实现如下:

  def write(txn: OptimisticTransaction, sparkSession: SparkSession): Seq[Action] = {
    import sparkSession.implicits._
    // 如果不是第一次往表里面写数据,需要判断写数据的模式是否符合条件
    if (txn.readVersion > -1) {
      // This table already exists, check if the insert is valid.
      if (mode == SaveMode.ErrorIfExists) {
        throw DeltaErrors.pathAlreadyExistsException(deltaLog.dataPath)
      } else if (mode == SaveMode.Ignore) {
        return Nil
      } else if (mode == SaveMode.Overwrite) {
        deltaLog.assertRemovable()
      }
    }

    // 更新表的模式,比如是否覆盖现有的模式,是否和现有的模式进行 merge
    updateMetadata(txn, data, partitionColumns, configuration, isOverwriteOperation)

    // 是否定义分区过滤条件
    val replaceWhere = options.replaceWhere
    val partitionFilters = if (replaceWhere.isDefined) {
      val predicates = parsePartitionPredicates(sparkSession, replaceWhere.get)
      if (mode == SaveMode.Overwrite) {
        verifyPartitionPredicates(
          sparkSession, txn.metadata.partitionColumns, predicates)
      }
      Some(predicates)
    } else {
      None
    }

    // 第一次写数据初始化事务日志的目录
    if (txn.readVersion < 0) {
      // Initialize the log path
      deltaLog.fs.mkdirs(deltaLog.logPath)
    }

    // 写数据到文件系统中
    val newFiles = txn.writeFiles(data, Some(options))
    
    val deletedFiles = (mode, partitionFilters) match {
       // 全量覆盖,直接拿出缓存在内存中最新事务日志快照里面的所有 AddFile 文件
      case (SaveMode.Overwrite, None) =>
        txn.filterFiles().map(_.remove)
      // 从事务日志快照中获取对应分区里面的所有 AddFile 文件
      case (SaveMode.Overwrite, Some(predicates)) =>
        // Check to make sure the files we wrote out were actually valid.
        val matchingFiles = DeltaLog.filterFileList(
          txn.metadata.partitionColumns, newFiles.toDF(), predicates).as[AddFile].collect()
        val invalidFiles = newFiles.toSet -- matchingFiles
        if (invalidFiles.nonEmpty) {
          val badPartitions = invalidFiles
            .map(_.partitionValues)
            .map { _.map { case (k, v) => s"$k=$v" }.mkString("/") }
            .mkString(", ")
          throw DeltaErrors.replaceWhereMismatchException(replaceWhere.get, badPartitions)
        }

        txn.filterFiles(predicates).map(_.remove)
      case _ => Nil
    }

    newFiles ++ deletedFiles
  }
}

如果 txn.readVersion == -1,说明是第一次写数据到 Delta Lake 表,所以当这个值大于 -1 的时候,需要判断一下写数据的操作是否合法。

由于 Delta Lake 底层使用的是 Parquet 格式,所以 Delta Lake 表也支持模式的增加合并等,这就是 updateMetadata 函数对应的操作。

因为 Delta Lake 表支持分区,所以我们可能在写数据的时候指定某个分区进行覆盖。

真正写数据的操作是 txn.writeFiles 函数执行的,具体实现如下:

def writeFiles(
      data: Dataset[_],
      writeOptions: Option[DeltaOptions],
      isOptimize: Boolean): Seq[AddFile] = {
    hasWritten = true

    val spark = data.sparkSession
    val partitionSchema = metadata.partitionSchema
    val outputPath = deltaLog.dataPath

    val (queryExecution, output) = normalizeData(data, metadata.partitionColumns)
    val partitioningColumns =
      getPartitioningColumns(partitionSchema, output, output.length < data.schema.size)

    // 获取 DelayedCommitProtocol,里面可以设置写文件的名字,
    // commitTask 和 commitJob 等做一些事情
    val committer = getCommitter(outputPath)

    val invariants = Invariants.getFromSchema(metadata.schema, spark)

    SQLExecution.withNewExecutionId(spark, queryExecution) {
      val outputSpec = FileFormatWriter.OutputSpec(
        outputPath.toString,
        Map.empty,
        output)

      val physicalPlan = DeltaInvariantCheckerExec(queryExecution.executedPlan, invariants)

      FileFormatWriter.write(
        sparkSession = spark,
        plan = physicalPlan,
        fileFormat = snapshot.fileFormat,
        committer = committer,
        outputSpec = outputSpec,
        hadoopConf = spark.sessionState.newHadoopConfWithOptions(metadata.configuration),
        partitionColumns = partitioningColumns,
        bucketSpec = None,
        statsTrackers = Nil,
        options = Map.empty)
    }

    // 返回新增的文件
    committer.addedStatuses
}

Delta Lake 写操作最终调用 Spark 的 FileFormatWriter.write 方法进行的,通过这个方法的复用将我们真正的数据写入到 Delta Lake 表里面去了。

在 Delta Lake 中,如果是新增文件则会在事务日志中使用 AddFile 类记录相关的信息,AddFile 持久化到事务日志里面的内容如下:

{"add":{"path":"dt=20190801/part-00001-bdff67f3-c70f-4817-898d-15a73c93271a.c000.snappy.parquet","partitionValues":{"dt":"20190801"},"size":429,"modificationTime":1566990855000,"dataChange":true}}

可以看出 AddFile 里面记录了新增文件的保存路径,分区信息,新增的文件大小,修改时间等信息。如果是删除文件,也会在事务日志里面记录这个删除操作,对应的就是使用 RemoveFile 类存储,RemoveFile 持久化到事务日志里面的内容如下:

{"remove":{"path":"dt=20190801/part-00001-7f3fe89d-e55b-4848-93ea-4133b5d406d6.c000.snappy.parquet","deletionTimestamp":1566990856332,"dataChange":true}}

RemoveFile 里面保存了删除文件的路径,删除时间等信息。如果新增一个文件,再删除一个文件,那么最新的事务日志快照里面只会保存删除这个文件的记录。从这里面也可以看出, Delta Lake 删除、新增 ACID 是针对文件级别的。

上面的写操作肯定会产生新的文件,所以写操作之后就需要拿到新增的文件(val newFiles = txn.writeFiles(data, Some(options)) )newFiles(AddFile) 和需要删除的文件(RemoveFile)。针对那些文件需要删除需要做一些判断,主要分两种情况(具体参见 write 方法里面的):

  • 如果是全表覆盖,则直接从缓存在内存中最新的事务日志快照中拿出所有 AddFile 文件,然后将其标记为 RemoveFile;
  • 如果是分区内的覆盖,则从缓存在内存中最新的事务日志快照中拿出对应分区下的 AddFile 文件,然后将其标记为 RemoveFile。

最后 write 方法返回新增的文件和需要删除的文件(newFiles ++ deletedFiles),这些文件最终需要记录到事务日志里面去。关于事务日志是如何写进去的请参见这篇文章的详细分析。

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