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Spark 3.0 自适应查询优化介绍,在运行时加速 Spark SQL 的执行性能

多年以来,社区一直在努力改进 Spark SQL 的查询优化器和规划器,以生成高质量的查询执行计划。最大的改进之一是基于成本的优化(CBO,cost-based optimization)框架,该框架收集并利用各种数据统计信息(如行数,不同值的数量,NULL 值,最大/最小值等)来帮助 Spark 选择更好的计划。这些基于成本的优化技术很好的例子就是选择正确的 Join 类型(broadcast hash join vs. sort merge join),在 hash join 的时候选择正确的连接顺序,或在多个 join 中调整 join 顺序。然而,过时的统计信息和不完善的基数估计可能导致次优查询计划。即将发布的 Apache SparkTM 3.0 版本中新增了自适应查询执行(Adaptive Query Execution)是的新功能,并且已在 Databricks Runtime 7.0 beta 中提供。它希望根据查询执行过程中收集的运行时统计信息,通过重新优化和调整查询计划来解决这些问题。

自适应查询执行框架

自适应查询执行最重要的问题之一是何时进行重新优化。Spark 算子通常是以 pipeline 形式进行,并以并行的方式执行。然而,shuffle 或 broadcast exchange 打破了这个管道。我们称它们为物化点,并使用术语“查询阶段”来表示查询中由这些物化点限定的子部分。每个查询阶段都会物化它的中间结果,只有当运行物化的所有并行进程都完成时,才能继续执行下一个阶段。这为重新优化提供了一个绝佳的机会,因为此时所有分区上的数据统计都是可用的,并且后续操作还没有开始。

Adaptive Query Execution: Speeding Up Spark SQL at Runtime
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当查询开始时,自适应查询执行框架首先启动所有叶子阶段(leaf stages)——这些阶段不依赖于任何其他阶段。一旦其中一个或多个阶段完成物化,框架便会在物理查询计划中将它们标记为完成,并相应地更新逻辑查询计划,同时从完成的阶段检索运行时统计信息。基于这些新的统计信息,框架将运行优化程序、物理计划程序以及物理优化规则,其中包括常规物理规则(regular physical rules)和自适应执行特定的规则,如合并分区(coalescing partitions)、Join 数据倾斜处理(skew join handling)等。现在我们有了一个新优化的查询计划,其中包含一些已完成的阶段,自适应执行框架将搜索并执行子阶段已全部物化的新查询阶段,并重复上面的 execute-reoptimize-execute 过程,直到完成整个查询。

Spark 3.0 的 AQE 框架带来了以下三个特性:

  • 动态合并 shuffle 的分区(Dynamically coalescing shuffle partitions)
  • 动态调整 Join 策略(Dynamically switching join strategies)
  • 动态优化数据倾斜的 Join(Dynamically optimizing skew joins)

下面我们来详细介绍这三个特性。

动态合并 shuffle 的分区

当在 Spark 中运行查询来处理非常大的数据时,shuffle 通常对查询性能有非常重要的影响。Shuffle 是一个昂贵的操作符,因为它需要在网络中移动数据,因此数据是按照下游操作符所要求的方式重新分布的。

shuffle 的一个关键属性是分区的数量。分区的最佳数量取决于数据,但是数据大小可能在不同的阶段、不同的查询之间有很大的差异,这使得这个数字很难调优:

  • 如果分区数太少,那么每个分区处理的数据大小可能非常大,处理这些大分区的任务可能需要将数据溢写到磁盘(例如,涉及排序或聚合),从而减慢查询速度。
  • 如果分区数太多,那么每个分区处理的数据大小可能非常小,并且将有大量的网络数据获取来读取 shuffle 块,这也会由于低效的 I/O 模式而减慢查询速度。拥有大量的任务也会给 Spark 任务调度程序带来更多的负担。

要解决这个问题,我们可以在开始时设置相对较多的 shuffle 分区数,然后在运行时通过查看 shuffle 文件统计信息将相邻的小分区合并为较大的分区。

假设我们运行 SELECT max(i)FROM tbl GROUP BY j 查询,tbl 表的输入数据相当小,所以在分组之前只有两个分区。我们把初始的 shuffle 分区数设置为 5,因此在 shuffle 的时候数据被打乱到 5 个分区中。如果没有 AQE,Spark 将启动 5 个任务来完成最后的聚合。然而,这里有三个非常小的分区,为每个分区启动一个单独的任务将是一种浪费。

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使用 AQE 之后,Spark 将这三个小分区合并为一个,因此,最终的聚合只需要执行三个任务,而不是五个。

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动态调整 Join 策略

Spark 支持许多 Join 策略,其中 broadcast hash join 通常是性能最好的,前提是参加 join 的一张表的数据能够装入内存。由于这个原因,当 Spark 估计参加 join 的表数据量小于广播大小的阈值时,其会将 Join 策略调整为 broadcast hash join。但是,很多情况都可能导致这种大小估计出错——例如存在一个非常有选择性的过滤器。

为了解决这个问题,AQE 现在根据最精确的连接关系大小在运行时重新规划 join 策略。在下面的示例中可以看到,Join 的右侧比估计值小得多,并且小到足以进行广播,因此在 AQE 重新优化之后,静态计划的 sort merge join 现在被转换为 broadcast hash join。

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对于在运行时转换的 broadcast hash join ,我们可以进一步将常规的 shuffle 优化为本地化 shuffle来减少网络流量。

动态优化数据倾斜的 Join

当数据在集群中的分区之间分布不均时,就会发生数据倾斜。严重的倾斜会显著降低查询性能,特别是在进行 Join 操作时。AQE 倾斜 Join 优化从 shuffle 文件统计信息中自动检测到这种倾斜。然后,它将倾斜的分区分割成更小的子分区,这些子分区将分别从另一端连接到相应的分区。

假设表 A join 表B,其中表 A 的分区 A0 里面的数据明显大于其他分区。

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skew join optimization 将把分区 A0 分成两个子分区,并将每个子分区 join 表 B 的相应分区 B0。

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如果没有这个优化,将有四个任务运行 sort merge join,其中一个任务将花费非常长的时间。在此优化之后,将有5个任务运行 join,但每个任务将花费大致相同的时间,从而获得总体更好的性能。

AQE 的 TPC-DS 表现

在我们使用 TPC-DS 数据和查询的实验中,自适应查询执行的查询性能提高了8倍,32个查询的性能提高了1.1倍以上。下面是通过 AQE 获得的10个 TPC-DS 查询性能提高最多的图表。

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这些改进大部分来自动态分区合并和动态连接策略调整,因为随机生成的 TPC-DS 数据没有倾斜。在实际生产中,AQE 带来了更大的性能提升。

启用 AQE

可以通过设置 SQL 的参数 spark.sql.adaptive 参数来启用 AQE。设置为 true 时将启用,在 Spark 3.0 中默认为 false,如果查询满足以下条件建议启用:

  • 不是一个流查询
  • 至少包含一个 exchange(通常在有 join、聚合或窗口操作符时)或是一个子查询。

通过减少查询优化对静态统计的依赖,AQE 解决了 Spark 基于成本优化的最大难题之一:统计信息收集开销和估计精度之间的平衡。为了获得最佳的估计精度和规划结果,通常需要维护详细的、最新的统计信息,其中一些统计信息的收集成本很高,比如列直方图,它可用于提高选择性和基数估计或检测数据倾斜。AQE 在很大程度上消除了对此类统计数据的需要,以及手动调优工作的需要。除此之外,AQE 还使 SQL 查询优化对于任意 udf 和不可预测的数据集更改(例如数据大小的突然增加或减少、频繁的和随机的数据倾斜等)更有弹性。

不再需要提前“知道”您的数据。随着查询的运行,AQE 将计算出数据并改进查询计划,提高查询性能以获得更快的分析和系统性能。目前,这个功能在数砖的 Databricks Runtime 7.0 beta 已经发布了,感兴趣的同学可以去看看。

本文翻译自:Adaptive Query Execution: Speeding Up Spark SQL at Runtime

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