本系列博客总结了不同框架、不同算法、不同界面的推荐系统，完整阅读需要大量时间（~~又臭又长~~），建议根据目录选择需要的内容查看，欢迎讨论与指出问题。

系列文章梗概

系列文章目录

三、MapReduce

1.MapReduce详解

1.1 MapReduce简介

1.2 MapReduce背景

1.3 MapReduce全流程详解

1.3.1 MapReduce原理

1.3.2 MapReduce体系结构

1.3.3 MapReduce工作流程

2.MapReduce配置与简单应用

2.1 MapReduce配置

2.2 MapReduce简单应用

2.2.2 基于MapReduce的WordCount（实现）

3.基于MapReduce的电影推荐系统

3.1 原理与系统设计

3.2 代码实现与系统构建

3.3 系统测试

四、Spark

1.前置知识

1.1 RDD

1.1.1 RDD简介与设计

1.1.2 RDD表示

1.2 ALS

1.2.1 LS

1.2.1 ALS简介

2.Spark详解

2.1 Spark简介与生态

2.2 Spark全流程详解

2.2.1 Spark原理

2.2.2 Spark工作流程

3.基于Spark的电影推荐系统

3.1 原理与系统设计

3.2 代码实现与系统构建

3.3 系统测试

3.4 语言对系统的影响探究

五、MapReduce与Spark对比分析

1.原理对比分析

1.1 Spark与Hadoop

1.2 Spark与MapReduce

1.3 对比综述

2.系统对比分析

系列文章梗概

本次大作业主要是以电影推荐系统为例，介绍并实践不同框架下推荐系统的构建。在问题背景介绍部分，首先从推荐算法与关联分析引入，通过推荐系统的动机、架构、评估、应用详解了推荐系统，并对电影推荐系统做了定义与数据集介绍。在推荐系统的算法部分，先分类综述了推荐算法，随后详解了不同类型的协同过滤算法并在本地不同框架下做了推荐实践。在MapReduce部分，首先通过背景与全流程详解了MapReduce的原理，并通过WordCount实现了配置与简单应用，后续完成了基于MapReduce的电影推荐系统构建。在Spark部分，首先通过生态与全流程详解了Spark的原理，后续完成了基于Spark的电影推荐系统。在对比分析部分，分别从原理、数据处理方式、性能等对比MapReduce与Spark框架，并基于两个构建出的推荐系统做性能对比验证，并总结了两种框架的优缺点与选择标准与依据。在方法补充与实践部分，拓展了协同过滤之外的其他推荐算法并实际构建出了对应的电影推荐系统。在系统界面构建部分，简述了系统界面的设计，详解了不同框架、不同数据集下的数据可视化，并分别在Web、APP、Uni-app上构建了相对完整的电影推荐系统，在总结部分，对一些实验趣事与结论进行了补充。参考部分根据类别划分，汇总了本次实验的参考文献与资料。

系列文章目录

第一章推荐系统从入门到入门（1）——推荐系统综述与协同过滤_@李忆如的博客-CSDN博客

第二章推荐系统从入门到入门（2）——简单推荐系统构建（无框架、Tensorflow）_@李忆如

第三章推荐系统从入门到入门（3）——基于MapReuduce与Spark的分布式推荐系统构建

三、MapReduce

在上一章中，我们从不同类别、角度简单综述了推荐系统中的各种算法，详细介绍了不同协同过滤的原理与数学推导，并在本地使用几种方式构建了电影推荐系统并进行效果对比。经分析，在缺乏算力与框架（计算平台）的情况下，直接构建的电影推荐系统难以处理大数据问题，故本部分将介绍云计算与大数据领域的经典框架（计算平台）——MapReduce，并尝试在腾学汇平台与本地（已配好Hadoop）上构建基于MapReduce框架的电影推荐系统。

1.MapReduce详解

1.1 MapReduce简介

MapReduce是一种编程模型（框架、计算平台），属于Hadoop生态的一员，用于大规模数据集（大于1TB）的并行运算。核心概念为"Map（映射）"和"Reduce（归约）"，极大地方便了分布式系统的构建与运行。

当前的软件实现是指定一个Map（映射）函数，用来把一组键值对映射成一组新的键值对，指定并发的Reduce（归约）函数，用来保证所有映射的键值对中的每一个共享相同的键组。流程可视化如图41所示，原理与样例代码详解可见：Hadoop Map/Reduce教程 (apache.org)

图41 MapReduce工作流程概述

1.2 MapReduce背景

实际上，在MapReduce之前也有不少成熟的并行计算框架，例如MPI，作为背景补充，MapReduce与传统并行计算框架的对比总结如表18：

表18 不同计算框架对比

	传统并行计算框架	MapReduce
集群架构/容错性	共享式（共享内存/储存），容错性差	非共享式，容错性好
硬件/价格/扩展性	刀片服务器、高速网、SAN，价格贵，扩展性差	普通PC机，便宜，扩展性好
编程/学习难度	what-how，难	what，简单
适用场景	实时、细粒度计算、计算密集型	批处理、非实时、数据密集型

分析：根据表18所示，对于不同场景，不同编程人员、不同需求的情况下，需要选择不同的计算框架。

1.3 MapReduce全流程详解

1.3.1 MapReduce原理

在简单了解MapReduce及其与传统并行框架对比后，在本部分对于其原理进行详细解析。

在1.1中我们知道，MapReduce的核心是构造Map和Reduce两个函数，形式如图42所示：

图42 MapReduce核心函数形式

展开来说，MapReduce可以理解为把一堆杂乱无章的数据按照某种特征归纳起来，然后处理并得到最后的结果。Map面对的是杂乱无章的互不相关的数据，它解析每个数据，从中提取出key和value，也就是提取了数据的特征。经过MapReduce的Shuffle阶段之后，在Reduce阶段看到的都是已经归纳好的数据了，在此基础上我们可以做进一步的处理以便得到结果。

根据MapReduce的原理、工作流程、形式，参考相关文档将其主要功能、技术特征、模型简介等原理总结如表19：

表19 MapReduce原理总结

1、模型简介：

简介：MapReduce将复杂的并行计算过程高度地抽象到了两个函数：Map和Reduce
优势：编程容易，不需要掌握分布式并行编程细节，也可以很容易把自己的程序运行在分布式系统上，完成海量数据的计算
策略与理念：
- 分而治之：大数据切分为许多独立split，被多个Map任务并行处理
- 计算向数据靠拢：减少移动数据所需的大量网络传输开销
架构与框架：
- Master/Slave架构：包含一个Master（JobTracker）与若干个Slave（TaskTracker）
- Hadoop框架：Java实现，可使用其他语言编写应用程序

2、主要功能：

数据划分和计算任务调度
数据/代码互定位
系统优化
出错检查和恢复

3、技术特征：

向“外”横向扩展，而非向“上”纵向扩展
失效被认为是常态
把处理向数据迁移
顺序处理数据、避免随机访问数据
为应用开发者隐藏系统层细节
平滑无缝的可扩展性

1.3.2 MapReduce体系结构

MapReduce体系结构主要由四个部分组成，分别是：Client、JobTracker、TaskTracker以及Task，如图43所示，各部分作用总结如表20：

图43 MapReduce体系结构

表20 MapReduce体系结构分部作用简介

名称	作用
Client（客户端）	提交程序与作业状态查看
JobTracker（作业跟踪器）	资源监控和作业调度
TaskTracker（任务调度器）	汇报资源使用情况与任务运行进度
Task（任务）	分Map Task 和Reduce Task ，由TaskTracker 启动

1.3.3 MapReduce工作流程

在1.1的图41中简述了MapReduce工作流程图，在此给出四点补充：

◼ 不同的Map任务之间不会进行通信

◼ 不同的Reduce任务之间也不会发生任何信息交换

◼ 用户不能显式地从一台机器向另一台机器发送消息

◼ 所有的数据交换都是通过MapReduce框架自身去实现的

结合MapReduce体系结构与工作流程简述，其分层工作流（各个执行阶段）如图44所示：

图44 MapReduce分阶段工作流程图

接下来对MapReduce的不同阶段做详解。

（1）Split

HDFS 以固定大小的block 为基本单位存储数据，而对于MapReduce 而言，其处理单位是split。

split 是一个逻辑概念，它只包含一些元数据信息，比如数据起始位置、数据长度、数据所在节点等。

划分方法完全由用户自己决定，样例如图45所示：

图45 Split的执行过程

（2）Map

Map的执行过程如图46所示：

图46 Map的执行过程

分析：如图46可知，Map Task 先将对应的split迭代解析成一个个key-value对，依次调用用户自定义的map()函数进行处理，最终将临时结果存放到本地磁盘上。其中，临时数据被分成若干个partition，每个partition将被一个Reduce Task处理。

（3）Shuffle

Shuffle的执行过程如图47所示：

图47 Shuffle执行过程

分析：如图47所示，Shuffle过程实际上分为Map端与Reduce端，对于不同端按图47使用不同处理。

（4）Reduce

一般来说，Reduce过程分为三个阶段：

Ⅰ、从远程节点上读取Map Task中间结果（称为“Shuffle 阶段”）

Ⅱ、按照 key 对 key-value 对进行排序（称为 “Sort 阶段”）

Ⅲ、依次读取< key， value list >，调用用户自定义的Reduce函数处理，并将最终结果存到HDFS上（称为“Reduce阶段”）

执行过程如图48所示：

图48 Reduce执行过程

至此，MapReduce的工作流程的分阶段详解完成。

2.MapReduce配置与简单应用

在上一部分对MapReduce的原理、体系结构、工作流程做了详解，在本部分进行MapReduce的配置与简单应用实践。

2.1 MapReduce配置

由于MapReduce隶属Hadoop生态，故其配置核心是Hadoop的配置与启动（+一些配置文件的修改与Yarn的启动配置等）。

Tips：本地已配置Haddop环境（核心为虚拟机与环境配置，在本部分不详述），本部分以腾学汇的Hadoop环境构建为例展示MapReduce配置。

（1）云主机登录与更名

要求：登录3台云主机，创建用户：用户名为学生名称加学号，即liwen_2020155023

在“实验资源信息”中点击“登录”对三台云主机进行登录，使用如图49命令对主机进行用户创建与名称设置：

图49 主机更名代码

结果如图50所示（以master为例）：

图50 更名验证样例

Tips：更名后需使用bash命令或重新登录。

（2）设置IP地址

使用ip a命令可以查看当前机器的IP，以master的IP查看命令与结果为例，结果如图51（透明框为IP）：

图51 IP地址查看命令与结果样例

（3）配置hosts文件

使用vi /etc/hosts命令在master机器上打开hosts文件，打开文档后输入i进入插入模式，在文档末尾插入如图52配置（以2步中查看到的实际IP为准），保存退出即可。

图52 hosts配置

（4）刷新slave1和slave2的免密登录信息

在matser机器下，刷新slave1和slave2的免密登录信息命令为ssh-keygen -R slave1与ssh-keygen -R slave2，操作与结果如图53：

图53 免密登录信息刷新操作与结果

（5）分发hosts文件

在matser机器下，分发hosts文件命令为scp -P 10011 /etc/hosts slave1:/etc/与scp -P 10011 /etc/hosts slave2:/etc/，操作与结果如图 54所示：

图54 分发hosts文件操作与结果

（6）启动hadoop

机器：在matser机器下

①使用start-dfs.sh和start-yarn.sh命令启动hadoop，命令及效果如图55所示：

图55 hadoop启动命令与效果

②使用mr-jobhistory-daemon.sh start historyserver命令开启历史日志记录，并使用hadoop dfsadmin -safemode leave命令关闭hdfs的safemode，操作与效果如图56所示：

图56 历史日志记录开启与safemode关闭操作与效果

（7）验证启动成功

①使用jps命令可以查看进程如图57与图58（以master与slave1进程展示为例）所示，可以看到master跟启动之前相比，会增加NameNode和SecondaryNameNode进程；而slave跟启动之前相比，会增加DataNode和NodeManager进程。

图57 进程展示样例（master）

图58 进程展示样例（slave1）

Tips：至此，hadoop基础环境准备完毕。

②可以在master的可视化界面中打开浏览器，输入http://masterIP:8188，可以看到图59界面：

图59 hadoop可视化界面

③点击左侧的Nodes，可以看到当前已经有两个slave节点已经在运行，如图60所示：

图60 节点运行可视化界面

至此，Hadoop环境正式配置完成，且被验证正常运行。

2.2 MapReduce简单应用

在配置好MapReduce环境后，在本部分先以其简单应用做应用程序的探究。根据1中MapReduce详解，总结其应用程序执行过程如图61所示：

图61 MapReduce应用程序执行过程

本部分以经典的WordCoun为例子做MapReduce简单应用的实践。

2.2.1 基于MapReduce的WordCount（原理与流程）

WordCount为MapReuduce简单应用的经典样例，顾名思义即对文件（数据中）的单词进行统计，并输出文件中每个单词及其出现次数（频数），样例如图62所示：

图62 WordCount样例

根据2.1中MapReduce的工作流程，先对基于MapReduce的WordCount实现过程做设计，即本应用能不能采用MapReduce实现，如何设计，如何执行三大问题。最终WordCount执行过程（以有定义Combiner为例，未定义则使用Combine代替Shuffle）总结如图63所示：

图63 WordCount执行过程

2.2.2 基于MapReduce的WordCount（实现）

基于MapReduce的WordCount一般有两种方式，分别是使用官方样例与自构建，详解如下：

（1）官方样例

由于WordCount为MapReduce官方经典样例，故在对于jar包（例如hadoop-mapreduce-examples-2.5.2.jar）中有定义供用户调用实践，定义好对应data调用jar包即可（具体过程与命令与自构建类似，后文给出）。

（2）自构建

①代码实现

自购建即自己编写基于MapReduce的代码实现WordCount，然后在Input从HDFS里面并行读取文本中的内容，经过MapReduce模型，最终把分析出来的结果用Output封装，持久化到HDFS中。

按图63中WordCount执行过程的逻辑编写代码，自购建的实现核心是Map（切分，遍历，计数）+Reduce（遍历计数，累加）+提交主类。核心代码如图64与图65所示：

图64 WordCount中的Map构造

图65 WordCount中的Reduce构造

②代码打包

此处以腾学汇平台测试为例（本地配置好Hadoop的虚拟机直接jar化使用即可），在本地编写好WordCount.java，通过“实验资源”中的“上传文件”将代码上传到云平台（/tmp下），“桌面连接”后在Eclipse中构建项目，如图66所示：

图66 平台迁移后的项目构建

项目构建成功后，类似实验五的操作，点击“file”的“export”，选定对应位置，构造Jar文件。

③代码运行

Ⅰ、数据创建与上传

首先要使用vi input.txt命令进行数据的创建，样例如图67所示，并使用hadoop fs -put input.txt /（hdfs dfs -copyFromLocal …）命令将数据上传到HDFS中。

图67 数据样例

Ⅱ、代码运行与结果查看

使用jar命令hadoop jar wordcount.jar hadoop.mapreduce.MyWordCount执行WordCount，并使用hadoop fs -cat 位置查看样例输出结果，如图68所示：

图68 WordCount结果样例

分析：如图68所示，程序可以按任务定义与规则输出样例中各个单词及数量，验证了基于MapReduce的WordCount程序设计与实现的合理性。

补充：实际上，MapReduce可以很好地应用于各种计算问题，如关系代数运算、分组与聚合运算、矩阵-向量乘法等，在实验五中的PageRank实际上也是基于MapReduce的简单应用。

3.基于MapReduce的电影推荐系统

在详解完MapReduce，并根据MapReduce实践了简单应用后，在本部分回到实验内容，正式构建基于MapReduce的电影推荐系统。

Tips：MapReduce只是一种框架，不同实现、不同环境仍会大大影响同一数据集的运行性能。

3.1 原理与系统设计

在对MapReduce熟悉了之后，对于特定的任务需要做原理的迁移与系统的设计。MapReduce框架的核心是Map与Reduce的设计与构建，故本电影推荐系统也是一样。对于基于MapReduce的电影推荐系统，具体系统设计如表21，执行过程（以Combiner为例）如图69所示：

表21 基于MapReduce的电影推荐系统设计

输入: 电影数据集（主要使用：movies.csv（dat）和ratings.csv（dat））

过程：

1、数据处理与读取：将数据集上传到HDFS文件系统并读取

2、初始化：创建电影评分矩阵和评分（用户）同现矩阵

3、MapReduce处理：构造<电影，用户>键值对输入处理，并行计算相似度，排序

4、推荐：对输出进行规范化，并给目标用户对应推荐

5、系统构建（后文详解）：数据可视化，搭建Web服务（or APP or uni-app）

输出：电影推荐列表

图69 电影推荐系统执行过程

3.2 代码实现与系统构建

在了解特定任务的原理与完成系统设计后，在本部分进入基于MapReduce的协同过滤电影推荐系统的构建，在二（2）中我们知道协同过滤是一类算法，故本系统构建以基于用户与基于项目的电影推荐系统为例，构建流程符合设计与执行过程的逻辑，此处仅做核心代码的解析。

（1）Map构造

对于MapReduce框架下基于用户的协同过滤，在Map部分实际上就是将构造好的“用户-项目矩阵”键值对化，在实现上主要是按读取的顺序，将用户赋予users数组，并将用户对所有电影评分写入userinfo变量，代码如图70所示：

图70 Map构造代码

（2）Combiner构造

本系统未使用Shuffle，对于Combiner部分，主要是做键值对的形式变换。在实现上，将key值（电影名）辅导一维数组movies，并在后续利用不同用户评分差值（可使用其他相似度度量，总结如二（2.2.2））构造相似度，在保存与形式变换后按用户数量输出，核心代码如图71所示：

图71 Combiner构造核心代码

（3）Reduce构造

在本系统的Reduce部分，主要是将Combiner构造出的新键值对集合与相似性Map排序并按一定规则（例：该电影的推荐值大于所有电影对该用户的推荐度的平均值）对用户做电影推荐。核心代码如图72所示：

图72 Reduce构造核心代码

Tips：MapReduce框架下基于用户的协同过滤核心代码及解析到此结束，若要构建基于项目的，即将寻找相似用户转变为寻找相似电影即可。

3.3 系统测试

在构建好系统后，在本部分对系统进行测试，运行系统，电影推荐样例（以基于用户推荐，n=2为例）部分数据展示如图73所示：

图73 电影推荐样例

分析：由图73所示，系统成功按给定数量给多用户推荐电影，验证了MapReduce框架下的协同过滤系统构建成功。针对性能本部分不做评估，将在第五章与Spark框架下的系统做对比分析。

四、Spark

在上一章中，我们从背景、原理、架构与工作流程详解了大数据与云计算领域的经典框架——MapReduce，并使用它进行了简单应用，并构建了不同协同过滤方法的电影推荐系统。实际上，在MapReduce框架后还有许多优秀高效的框架，如基于MapReduce优化的Spark，本章将对Spark进行详解，并使用其进行协同过滤电影推荐系统的构建。

1.前置知识

在后续Spark的详解与系统构建中，有两个很重要的前置知识，分别是理论基石——RDD与算法构建基石——ALS，故在本部分先进行引入。

1.1 RDD

1.1.1 RDD简介与设计

RDD: 弹性分布式数据集，是Spark框架的理论基石，是分布式内存的一个抽象概念，RDD提供了一种分区的、高度受限的共享内存模型，基于此抽象，使用者可以在集群中执行一系列计算，而不用将中间结果落盘。首先对于RDD的主要设计总结于表22，样例（Spark Core的RDD）如图74所示：

表22 RDD的主要设计

1、显式抽象：

将运算中的数据集进行显式抽象，定义了其接口和属性。由于数据集抽象的统一，从而可以将不同的计算过程组合起来进行统一的 DAG 调度。

2、基于内存：

相较于 MapReduce 中间结果必须落盘，RDD 通过将结果保存在内存中，从而大大降低了单个算子计算延迟以及不同算子之间的加载延迟。

3、宽窄依赖：

在进行 DAG 调度时，定义了宽窄依赖的概念，并以此进行阶段划分，优化调度计算。

4、谱系容错：

主要依赖谱系图计算来进行错误恢复，而非进行冗余备份，因为内存实在是有限，只能以计算换存储了。

5、交互查询：

修改了 Scala 的解释器，使得可以交互式的查询基于多机内存的大型数据集。进而支持类 SQL 等高阶查询语言。

图74 RDD样例

1.1.2 RDD表示

在后续Spark调度中会需要了解Spark的依赖关系，故在此对RDD的表示做一定补充。

提供 RDD 抽象的一个难点在于，如何高效的跟踪谱系并能提供丰富的变换支持。最后论文选用了基于图的调度模型，将调度和算子进行了解耦。从而能够在不改变调度模块逻辑的前提下，很方便的增加算子支持。具体来说，RDD 抽象的核心组成主要有五个部分，总结如下：

分区集（partition set）：分区是每个 RDD 的最小构成单元
依赖集（dependencies set）：主要是 RDD 间的父子依赖关系
变换函数（compute function）：作用于分区上的变换函数，由几个父分区计算得到一个子分区
分区模式（partition scheme）：该 RDD 的分区是基于哈希分片的还是直接切分的
数据放置（data placement）：知道分区的存放位置可以进行计算优化

而对于RDD的接口设计，最重要是如何对RDD间的依赖关系做规约，一般分为两种类型，总结如下，具体如图75所示：

窄依赖（narrow dependencies）：父 RDD 的分区最多被一个子 RDD 的分区所依赖，比如 map
宽依赖（wide dependencies）：父 RDD 的分区可能被多个子 RDD 的分区所依赖，比如 join

图75 RDD间依赖关系规约方式

至此，已对RDD做了理论简介，在后续Spark部分相关部分还会有提及，RDD详解可见原论文：RDD.pdf (usenix.org)。

1.2 ALS

ALS：交替最小二乘法，是Spark协同过滤的算法基础（官方实现的求解方法）。在本部分对其做简单引入与解析。

1.2.1 LS

ALS是基于LS（最小二乘法）的，故先对LS做简单引入，LS是一种数学优化技术，通过最小化误差平方和寻找数据的最佳匹配，利用最小二乘法寻找最优的未知数据，保证求的数据与已知的数据误差最小。核心是通过各种方法（直接求、Gram矩阵、QR分解等）求解目标函数（或正规方程），目标函数如式13，正规方程如式14：

$\hat{x}=\underset{x}{\arg \min \|} A x-b \|_{2}^{2}=\underset{x}{\arg \min } \sum_{i=1}^{m}\left(\sum_{j=1}^{n} A_{i j} x_{j}-b_{i}\right)^{2}$

式13 最小二乘法目标函数定义

$A^{T} A x=A^{T} b$

式14 最小二乘法正规方程

而正规方程实际上是由特解的梯度公式推导到全局梯度公式转化得到，核心转化如式15所示：

$\nabla f(x)=\left[\begin{array}{c} \frac{\partial f}{\partial x_{1}}(x) \\ \vdots \\ \frac{\partial f}{\partial x_{n}}(x) \end{array}\right]=2\left[\begin{array}{c} a_{1}^{T}(A x-b) \\ a_{2}^{T}(A x-b) \\ \vdots \\ a_{n}^{T}(A x-b) \end{array}\right]=2\left[a_{1}, a_{2}, \cdots, a_{n}\right]^{T}(A x-b)=2 A^{T}(A x-b)$

式15 梯度推广核心转换

补充：梯度下降（图29）实际上是简单的最小二乘法，较高效地求得局部最优解，而最小二乘法求解出全局闭式最优解。

1.2.1 ALS简介

ALS基本思想是对稀疏矩阵进行模型分解，评估出缺失项的值，以此来得到一个基本的训练模型。然后依照此模型可以针对新的用户和物品数据进行评估。ALS是采用交替的最小二乘法来算出缺失项的。其中，ALS同时考虑了User和Item两个方面，对于本任务（电影推荐）而言，ALS原理如图76所示：

图76 电影推荐中ALS原理

如何算得因子矩阵里的因子数值是ALS要解决的问题，这需要一个明确的可量化目标，ALS用每个元素重构误差的平方和来进行量化。

在原评级矩阵中，大量未知元是我们想推断的，所以这个重构误差是包含未知数的。而ALS的解决方案很简单：只计算已知打分的重构误差。

ALS的实现原理是迭代式求解一系列最小二乘回归问题。在每一次迭代时，固定用户因子矩阵或是物品因子矩阵中的一个，然后用固定的这个矩阵以及评级数据更新另一个矩阵。之后，被更新的矩阵被固定，再更新另外一个矩阵。如此迭代，直到模型收敛（或是迭代了预设好的次数）。

根据原理与解析，ALS的目标函数推导如式16：

$f[i]=\arg \min _{w \in \mathbb{R}^{d}} \sum_{j \in \operatorname{Nbrs}(i)}\left(r_{i j}-w^{T} f[j]\right)^{2}+\lambda\|w\|_{2}^{2}$

式16 ALS目标函数

2.Spark详解

2.1 Spark简介与生态

Apache Spark 是一种用于大数据工作负载的分布式开源处理系统（框架）。它使用内存中缓存和优化的查询执行方式，可针对大规模的数据进行快速分析查询。它提供使用 Java、Scala、Python 和 R 语言的开发API，支持跨多个工作负载重用代码—批处理、交互式查询、实时分析、机器学习和图形处理等。Spark生态如图77所示，简单解析总结如表23：

图77 Apache Spark 工作负载

表23 Spark的生态解析

1、Spark Core：

该框架（平台）的基础。负责内存管理、故障恢复、计划安排、分配与监控作业，以及和存储系统进行交互。不同API 会将复杂的分布式处理隐藏在简单的高级操作符的背后。

2、Mlib：

大规模数据数据上进行机器学习所需的算法库，包含分类、回归、集群、协同过滤和模式挖掘等功能。

3、Streaming：

快速计划功能执行流式分析的实时解决方案，改善开发人员效率，给相同代码提供用于批处理和实时流式处理应用程序的方式。

4、SQL：

提供低延迟交互式查询的分布式查询引擎，含一个基于成本的优化器、列式存储，能够生成代码并用于快速查询，它还可以扩展到具有数千个节点。

5、GraphX：

分布式图形处理框架。提供 ETL、探索性分析和迭代图形计算，让用户能够以交互方式大规模构建、转换图形数据结构。

而根据简介与生态，总结Spark使用模式（官方推荐）如图78所示：

图78 Spark使用模式

2.2 Spark全流程详解

Tips：由于下一章主要进行MapReduce框架与Spark框架的对比及系统构建的差异，故有系统（生态）对比的部分在本部分暂不提及。

2.2.1 Spark原理

Spark应用程序以进程集合为单位在分布式集群上运行，核心是通过driver程序的main方法创建的SparkContext对象与集群交互，并通过Job调度等实现高效并行计算。基本架构如图79所示：

图79 Spark基本架构

2.2.2 Spark工作流程

核心运行原理（架构）如下，可视化如图80所示，Spark详细运行过程如图81所示：

（1）Spark通过SparkContext向Cluster manager(资源管理器)申请所需执行的资源（cpu、内存等）

（2）Cluster manager分配应用程序执行需要的资源，在Worker节点上创建Executor

（3）SparkContext 将程序代码（jar包或者python文件）和Task任务发送给Executor执行，并收集结果给Driver。

图80 Spark运行架构与原理

图81 Spark工作流程

根据Spark的架构与工作流程，将相关核心概念总结于表24：

表24 Spark相关核心概念

名称	解释
Application	用户编写的Spark应用程序
Driver	每个Application1的任务控制节点，负责通信与对象创建
Executor	运行在工作节点（WorkerNode）的一个进程，运行Task
RDD	弹性分布式数据集，1.1有引入
DAG	有向无环图，反映RDD之间的依赖关系
Task	运行在Executor上的工作单元
Job	一个Job包含多个RDD及作用于相应RDD上的各种操作
Stage（TaskSet）	Job的基本调度单位，代表关联，无Shuffle的任务集
Cluter Manager	在集群上获取资源的外部服务，Standalon, Mesos, Yarn

分析：如图80、图81与表24，Spark的Application构建与工作流程概括如下：

一个Application由一个Driver和若干个Job构成，一个Job由多个Stage构成，一个Stage由多个没有Shuffle关系的Task组成。
当执行一个Application时，Driver会向集群管理器申请资源，启动Executor，并向Executor发送应用程序代码和文件，然后在Executor上执行Task，运行结束后，执行结果会返回给Driver，或者写到HDFS或者其它数据库中。

其中，本部分以RDD过程、Job调度与Stage处理为例，简单解析Spark工作流程（如何执行用户的代码），其他分析可见Spark.pdf (usenix.org)。

（1）RDD过程

由Spark与RDD解析我们知道，RDD是Spark中重要的抽象概念，RDD过程将数据对象逐渐转化为DAG、Task、Worker的过程样例如图82所示：

图82 RDD过程样例

（2）Job调度

在1.1.2中我们知道RDD的接口设计，最重要是如何对RDD间的依赖关系做规约，并依此分为宽依赖与窄依赖（图75）。而对于Spark的Job调度，设计同样依赖RDD的抽象，如图83所示：

图83 Spark中Job调度设计

分析：由图83所示，Spark的Job调度核心流程为在用户在某个 RDD 上调用 Action 类型（count，save 等等）的算子时，调度器就会根据用户代码中调用算子的顺序生成计算拓扑，并将连续计算进行归并（为Stage，依据为是否需要Shuffle），并因此生成一个更精简的DAG。

（3）Stage处理

构建好Stage后，则要对其进行处理，即对每个Stage创建一个TaskSet（为Stage每个RDD分区创建一个Task,并封装成TaskSet，如图84），并将不同Job的多个Stage汇总，如图85所示：

图84 Stage构建

图85 Stage处理样例

3.基于Spark的电影推荐系统

Tips：腾学汇与本人电脑均已安装Spark环境，故在此处不做环境配置叙述。

在详解完Spark原理及其工作流程后，在本部分回到实验内容，正式构建基于Spark框架的的电影推荐系统。

Tips：Spark只是一种框架，不同实现、不同环境仍会大大影响同一数据集的运行性能。

3.1 原理与系统设计

在对Spark熟悉了之后，对于特定的任务需要做原理的迁移与系统的设计。核心是问题的抽象与划分，在本实验中，具体系统设计如表25，执行过程如图86所示：

表25 基于Spark的电影推荐系统设计

输入: 电影数据集（主要使用：movies.csv（dat）和ratings.csv（dat））

过程：

1、数据处理与读取：将数据集上传到HDFS文件系统并读取，并处理成系统需要的格式

2、初始化：创建电影评分矩阵和评分（用户）同现矩阵

3、模型训练：用RDD将信息映射，并使用算子与聚合函数对用户电影分组，并计算相似度

4、推荐：使用模型对用户推荐电影，可根据评分匹配加权更新模型参数

5、系统构建（后文详解）：数据可视化，搭建Web服务（or APP or uni-app）

输出：电影推荐列表

图86 基于Spark的协同过滤电影推荐系统执行过程

3.2 代码实现与系统构建

在了解特定任务的原理与完成系统设计后，在本部分进入基于Spark的协同过滤电影推荐系统的构建，在二（2）中我们知道协同过滤是一类算法，且在2.1中我们知道Spark支持Scala、Java等语言，故本系统以Python构建基于用户与基于项目的电影推荐系统为例，构建流程符合设计与执行过程的逻辑，此处仅做核心代码的解析。

根据Spark与任务介绍，在本系统的构建中，实际上最核心的就是模型的构建。而对于Spark框架下的协同过滤，Soark官方文档是有给出解析与示例代码，详见：Collaborative Filtering - RDD-based API - Spark 3.3.1 Documentation (apache.org)，代码（以Python为例）如图87所示：

图87 Spark框架下协同过滤模型代码

根据官方文档，本系统构建核心代码如下：

显性训练：

ALS.train(ratings,rank,iterations,lamda)

Tips：ratings为训练数据，rank为矩阵分解时的中间数，iterations为重复计算次数。

隐形训练：

ALS.trainImplicit(ratings,rank,iterations,lamda,alpha)

用户推荐：

model.recommendProducts(user: int, num: int)

Tips：user为用户id，num为推荐数量。

3.3 系统测试

在构建好系统后，在本部分对系统进行测试，运行系统，电影推荐样例（以用户id=50，topn中n=10为例）如图88所示：

图88 电影推荐样例

分析：由图88所示，系统成功按给定数量给目标用户推荐电影，验证了Spark框架下的协同过滤系统构建成功。针对性能本部分不做评估，将在第五章与MapReduce框架下的系统做对比分析。

3.4 语言对系统的影响探究

在上文的介绍中我们知道Spark将程序打包成了支持多语言的API，故在本部分探究不同语言对同一推荐系统的性能影响。分别使用Python、Java、Scala构建简单的协同过滤电影推荐系统（类似3.2中构建），并在不同的数据集（）分别运行5次，取平均运行时间并做归一化，数据汇总如表26，语言对系统的影响如图89：

Tips：不同语言的构建有差异，且性能与构建方式、数据集、环境配置等息息相关，故本部分仅为定性探究，得出的结论仅针对本人的代码与实验环境，但大体趋势可反映规律。

表26 不同语言系统在不同数据集上的性能表现

	ml-latest-small	ml-100k	ml-10m
Python	1	1	1
Java	0.917	0.801	0.782
Scala	0.892	0.805	0.722

图89 语言对系统性能的影响

分析：如图89与表26所示，在不同数据集下，Python构建的系统性能均低于Java和Scala，随着数据量增大，差异有增大的趋势。在ml-latest-small与ml-10m数据集下，Scala性能优于Java，在ml-100k下，Java性能略高于Scala。所以在一般情况下，性能由高到低为：Scala > Java > Python。

五、MapReduce与Spark对比分析

在第三章中我们详解了MapReduce框架并构建了基于MapReduce的协同过滤电影推荐系统，在第四章中我们详解了Spark框架并构建了基于Spark的协同过滤电影推荐系统。而作为大数据与云计算领域的两个经典框架，在原理与构建出的系统性能上有什么共同点与差异呢？在本章将基于其构建的电影推荐系统进行两大框架的对比分析。

1.原理对比分析

1.1 Spark与Hadoop

根据Spark详解我们知道Spark实际上是基于MapReduce（传统Hadoop的局限）的优化，故Spark与MapReduce的对比简介如下，优化分析总结于表27：

除了 Spark 和 Hadoop MapReduce 的设计差异，很多组织还发现这两个大数据框架之间存在互补性，并且会同时使用二者来克服更广泛的业务挑战。

Hadoop 是一种开源框架，它将 Hadoop 分布式文件系统 (HDFS) 用于存储，将 YARN 作为管理由不同应用程序所使用的计算资源的方式，并且实现 MapReduce 编程模型来充当执行引擎。在一般 Hadoop 实现中，还会部署不同的执行引擎，如 Spark、Tez 和 Presto。

Spark 是一种专门用于交互式查询、机器学习和实时工作负载的开源框架。它没有自己的存储系统，但会在其他存储系统，如 HDFS，或其他热门存储，如 Amazon Redshift、Amazon S3、Couchbase、Cassandra 等之上运行分析。Hadoop 上的 Spark 会利用 YARN 来分享常见的集群和数据集作为其他 Hadoop 引擎，确保服务和响应的一致性水平。

表27 Spark与Hadoop对比总结

Hadoop局限	Spark改进
抽象层次低，代码编写难以上手	使用RDD统一抽象，实现数据处理逻辑的代码非常简洁
只提供Map和Reduce两个操作，欠缺表达力	通过RDD提供了很多转换和动作，实现了很多基本操作（Sort、join等）
一个Job只有两个阶段，需要大量Job，且依赖关系需开发者自行管理	一个Job包含多个RDD转换，在调度过程中生成多个Stage，单Stage可包含多操作，使用RDD分区需不变
处理逻辑隐藏在代码细节，缺少逻辑视图	RDD转换支持流式API，提供处理逻辑的整体视图
对迭代数据处理性能差，Reduce与下一步Map间数据只能存放在HDFS文件系统中	通过内存缓存数据，可大大提高迭代式计算性能，内存不足时可以溢出到磁盘上
ReduceTask需要等待所有MapTask完成后才能执行	分区相同的转换可以在一个Task中以流水线形式执行，只有分区不同的转换需要Shuffle操作
时延高，只适用批数据处理，对交互式数据处理和实时处理的支持不够	将流拆成小的Batch，提供Discretized Stream处理流数据

而Spark是类似Hadoop（MapReduce）的并行框架，故两框架间实际上存在一定联系：MapReduce是Hadoop的计算模块，是基于Hadoop的存储模块HDFS，而Spark的计算同样是基于HDFS。因此Hadoop与Spark实际上是统一部署的，如图90所示：

图90 Hadoop和Spark的统一部署

1.2 Spark与MapReduce

在对比分析完Spark与Hadoop后，在本部分对比分析Spark与MapReduce。

由三（1）的详解中我们知道MapReduce的核心是基于磁盘、“Map-Reduce”过程的的计算框架。MapReduce 面对的一项挑战是它要通过连续多步骤流程来运行某项作业。在每个步骤中，MapReduce 要读取来自集群的数据，执行操作，并将结果写到 HDFS。因为每个步骤都需要磁盘读取和写入，磁盘 I/O 的延迟会导致 MapReduce 作业变慢。

开发 Spark 的初衷就是为了突破 MapReduce 的这些限制，故Spark在MapReduce的基础上在数据处理部分做了两大改进，简介如下，具体对比如表28所示：

（1）Spark处理数据时，可以将中间处理结果数据存储到内存中，对比如图91所示：

图91 Spark与MapReduce数据处理对比

（2）Spark调度以DAG方式，并且每个任务Task执行以线程（Thread）方式，并不是像MapReduce以进程（Process）方式执行。

表28 Spark与MapReduce对比

	MapReduce	Spark
数据存储结构	磁盘HFDS文件系统	使用内存构建RDD运算与缓存
编程范式	Map+Reduce	DAG：Transformation+action
中间结果存储	落地磁盘，IO及（反）序列化代价较大	存储在内存中，速度>磁盘
运行方式	Task以进程方式维护，任务启动慢	Task以线程方式维护，任务启动快

除了数据处理方式的对比，本实验重点关注的还有MapReduce和Spark的性能对比，故根据上述两框架原理对比将计算过程对比可视化，如图92所示：

图92 MapReduce与Spark计算过程对比

分析：结合表28，如图92所示，MapReduce由于基于磁盘存储，且对于一个任务要构建多个Map-Reduce过程，迭代时存储与读取占了大量时间，故性能上大大低于Spark（后续电影推荐验证）。

为使图92计算过程对比的解释更清晰，在此以一个样例对计算过程中两框架的内部对比做可视化，如图93所示：

图93 MapReduce与Spark计算过程内部对比

分析：如图93所示，在样例中MapReduce为实现一个业务逻辑需要使用多个数据交互的作业（MR），且一些作业重复读取数据，造成冗余的HFDS读写开销。而对于Spark，在实现与运行上确实引入了DAG、Stage等概念，且基于内存，验证了上述计算过程解释的论证。

1.3 对比综述

在1.1与1.2中分别对比了Spark与Hadoop及MapReduce，在本部分将对比总结如图94所示：

图94 不同框架对比总结

Tips：还有部分Spark与MapReduce对比将在系统性能对比（后文详解）后补充。

2.系统对比分析

在上一部分主要从原理对比分析了Spark与MapReduce（Hadoop）两种计算框架，并得出了一些数据处理、性能上的对比结论，在本部分主要是基于第三第四章两种框架构建的协同过滤电影推荐系统来验证1中提出的性能结论，并进行一定框架优缺点对比等原理的补充。

在不同数据量的电影数据集下分别使用MapReduce与Spark的协同过滤电影推荐系统进行推荐，分别进行五次，记录平均运行时间并归一化，数据汇总如表29，性能对比如图95所示：

Tips：不同框架的构建有差异，且性能与构建方式、数据集、环境配置等息息相关，故本部分仅为定性探究，得出的结论仅针对本人的代码与实验环境，但大体趋势可反映规律。

表29 不同框架在不同数据集下的平均运行时间汇总

	ml-latest-small	ml-100k	ml-10m
MapReduce	1	1	1
Spark	0.121	0.064	0.039

图95 基于Spark与MapReduce的电影推荐系统性能对比

分析：如表29与图95所示，在实验的三个数据集下，基于Spark的协同过滤电影推荐系统性能均优于基于MapReduce的推荐系统，验证了1中的性能结论。

详细地说，在ml-latest-small，ml-100k，ml-10m三个数据集下基于Spark的推荐系统运行时间相对基于MapReduce的推荐系统分别降低了87.9%、93.6%、96.1%。由此也可以反映：随数据量（迭代数）增大，MapReduce任务多且无效读存增加，性能差距逐渐增大。

在对比分析了MapReduce与Spark的原理、数据处理、性能，并基于不同框架的电影推荐系统验证性能结论后，对两种框架的优缺点总结于表30，给开发者选择一定的参考。

表30 Spark与MapReduce分析总结

1、MapReduce: