一、Hadoop

1.1. 概念

就是一个大数据解决方案。它提供了一套分布式系统基础架构。 核心内容包含 hdfs 和mapreduce。
hadoop2.0 以后引入 yarn.
hdfs 是提供数据存储的，mapreduce 是方便数据计算的。

1. hdfs 又对应 namenode 和 datanode. namenode 负责保存元数据的基本信息，
   datanode 直接存放数据本身；
2. mapreduce 对应 jobtracker 和 tasktracker. jobtracker 负责分发任务，tasktracker 负
   责执行具体任务；
3. 对应到 master/slave 架构，namenode 和 jobtracker 就应该对应到 master, datanode
   和 tasktracker 就应该对应到 slave.

1.2. HDFS

1.2.1. Client

Client（代表用 户） 通过与 NameNode 和 DataNode 交互访问 HDFS 中 的文件。 Client 提供
了一个类似 POSIX 的文件系统接口供用户调用。

1.2.2. NameNode

整个 Hadoop 集群中只有一个 NameNode。 它是整个系统的“ 总管”， 负责管理 HDFS 的目
录树和相关的文件元数据信息。 这些信息是以“ fsimage”（ HDFS 元数据镜像文件）和
“ editlog”（HDFS 文件改动日志）两个文件形式存放在本地磁盘，当 HDFS 重启时重新构造出
来的。此外， NameNode 还负责监控各个 DataNode 的健康状态， 一旦发现某个 DataNode 宕
掉，则将该 DataNode 移出 HDFS 并重新备份其上面的数据。

1.2.3. Secondary NameNode

Secondary NameNode 最重要的任务并不是为 NameNode 元数据进行热备份， 而是定期合并
fsimage 和 edits 日志， 并传输给 NameNode。 这里需要注意的是，为了减小 NameNode 压
力， NameNode 自己并不会合并 fsimage 和 edits， 并将文件存储到磁盘上， 而是交由
Secondary NameNode 完成。

1.2.4. DataNode

一般而言， 每个 Slave 节点上安装一个 DataNode， 它负责实际的数据存储， 并将数据信息定期
汇报给 NameNode。 DataNode 以固定大小的 block 为基本单位组织文件内容， 默认情况下
block 大小为 64MB。 当用户上传一个大的文件到 HDFS 上时， 该文件会被切分成若干个 block，
分别存储到不同的 DataNode ； 同时，为了保证数据可靠， 会将同一个 block 以流水线方式写到
若干个（默认是 3，该参数可配置）不同的 DataNode 上。 这种文件切割后存储的过程是对用户
透明的。

1.3. MapReduce

同 HDFS 一样，Hadoop MapReduce 也采用了 Master/Slave（M/S）架构，具体如图所示。它
主要由以下几个组件组成：Client、JobTracker、TaskTracker 和 Task。 下面分别对这几个组件
进行介绍。

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1.3.1. Client

用户编写的 MapReduce 程序通过 Client 提交到 JobTracker 端； 同时， 用户可通过 Client 提
供的一些接口查看作业运行状态。 在 Hadoop 内部用“作业”（Job） 表示 MapReduce 程序。
一个 MapReduce 程序可对应若干个作业，而每个作业会被分解成若干个 Map/Reduce 任务
（Task）。

1.3.2. JobTracker

JobTracker 主要负责资源监控和作业调度。JobTracker 监控所有 TaskTracker 与作业的健康状况，
一旦发现失败情况后，其会将相应的任务转移到其他节点；同时 JobTracker 会跟踪任务的执行进
度、资源使用量等信息，并将这些信息告诉任务调度器，而调度器会在资源出现空闲时，选择合
适的任务使用这些资源。在 Hadoop 中，任务调度器是一个可插拔的模块，用户可以根据自己的
需要设计相应的调度器。

1.3.3. TaskTracker

TaskTracker 会周期性地通过 Heartbeat 将本节点上资源的使用情况和任务的运行进度汇报给
JobTracker， 同时接收 JobTracker 发送过来的命令并执行相应的操作（如启动新任务、 杀死任
务等）。TaskTracker 使用“slot” 等量划分本节点上的资源量。“slot” 代表计算资源（CPU、
内存等）。一个 Task 获取到一个 slot 后才有机会运行，而 Hadoop 调度器的作用就是将各个
TaskTracker 上的空闲 slot 分配给 Task 使用。 slot 分为 Map slot 和 Reduce slot 两种，分别供
MapTask 和 Reduce Task 使用。 TaskTracker 通过 slot 数目（可配置参数）限定 Task 的并发
度。

1.3.4. Task

Task 分为 Map Task 和 Reduce Task 两种， 均由 TaskTracker 启动。 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 与 block 的对应关
系如图所示。 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。它的划分方法完全由用户自己决定。 但需要注意的是，split 的多少决定了 Map
Task 的数目 ，因为每个 split 会交由一个 Map Task 处理。
Map Task 执行过程如图所示。 由该图可知，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。

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1.3.5. Reduce Task 执行过程

该过程分为三个阶段

1. 从远程节点上读取 MapTask 中间结果（称为“Shuffle 阶段”）；
2. 按照 key 对 key/value 对进行排序（称为“ Sort 阶段”）；
3. 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”）。

1.4. Hadoop MapReduce 作业的生命周期

1.作业ᨀ交与初始化

1. 用户提交作业后， 首先由 JobClient 实例将作业相关信息， 比如将程序 jar 包、作业配置文
   件、 分片元信息文件等上传到分布式文件系统（ 一般为 HDFS）上，其中，分片元信息文件
   记录了每个输入分片的逻辑位置信息。 然后 JobClient 通过 RPC 通知 JobTracker。
   JobTracker 收到新作业提交请求后， 由 作业调度模块对作业进行初始化：为作业创建一个
   JobInProgress 对象以跟踪作业运行状况， 而 JobInProgress 则会为每个 Task 创建一个
   TaskInProgress 对象以跟踪每个任务的运行状态， TaskInProgress 可能需要管理多个
   “ Task 运行尝试”（ 称为“ Task Attempt”）。
   2.任务调度与监控。
2. 前面提到，任务调度和监控的功能均由 JobTracker 完成。TaskTracker 周期性地通过
   Heartbeat 向 JobTracker 汇报本节点的资源使用 情况， 一旦出 现空闲资源， JobTracker
   会按照一定的策略选择一个合适的任务使用该空闲资源， 这由任务调度器完成。 任务调度器
   是一个可插拔的独立模块， 且为双层架构， 即首先选择作业， 然后从该作业中选择任务， 其
   中，选择任务时需要重点考虑数据本地性。 此外，JobTracker 跟踪作业的整个运行过程，并
   为作业的成功运行提供全方位的保障。 首先， 当 TaskTracker 或者 Task 失败时， 转移计算
   任务 ； 其次， 当某个 Task 执行进度远落后于同一作业的其他 Task 时，为之启动一个相同
   Task， 并选取计算快的 Task 结果作为最终结果。
   3.任务运行环境准备
3. 运行环境准备包括 JVM 启动和资源隔 离， 均由 TaskTracker 实现。 TaskTracker 为每个
   Task 启动一个独立的 JVM 以避免不同 Task 在运行过程中相互影响 ； 同时，TaskTracker 使
   用了操作系统进程实现资源隔离以防止 Task 滥用资源。
   4.任务执行
4. TaskTracker 为 Task 准备好运行环境后， 便会启动 Task。 在运行过程中， 每个 Task 的最
   新进度首先由 Task 通过 RPC 汇报给 TaskTracker， 再由 TaskTracker 汇报给 JobTracker。
   5.作业完成。
5. 待所有 Task 执行完毕后， 整个作业执行成功。

二. Spark

2.1. 概念

Spark 提供了一个全面、统一的框架用于管理各种有着不同性质（文本数据、图表数据等）的数据
集和数据源（批量数据或实时的流数据）的大数据处理的需求。

2.2. 核心架构

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Spark Core
包含 Spark 的基本功能；尤其是定义 RDD 的 API、操作以及这两者上的动作。其他 Spark 的库都
是构建在 RDD 和 Spark Core 之上的
*Spark SQL
提供通过 Apache Hive 的 SQL 变体 Hive 查询语言（HiveQL）与 Spark 进行交互的 API。每个
数据库表被当做一个 RDD，Spark SQL 查询被转换为 Spark 操作。
Spark Streaming
对实时数据流进行处理和控制。Spark Streaming 允许程序能够像普通 RDD 一样处理实时数据
Mllib
一个常用机器学习算法库，算法被实现为对 RDD 的 Spark 操作。这个库包含可扩展的学习算法，
比如分类、回归等需要对大量数据集进行迭代的操作。
GraphX
控制图、并行图操作和计算的一组算法和工具的集合。GraphX 扩展了 RDD API，包含控制图、
创建子图、访问路径上所有顶点的操作

2.3. 核心组件

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Cluster Manager-制整个集群，监控 worker
在 standalone 模式中即为 Master 主节点，控制整个集群，监控 worker。在 YARN 模式中为资
源管理器
Worker 节点-负责控制计算节点
从节点，负责控制计算节点，启动 Executor 或者 Driver。
Driver： 运行 Application 的 main()函数
Executor：执行器，是为某个 Application 运行在 worker node 上的一个进程

2.4. SPARK 编程模型

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Spark 应用程序从编写到提交、执行、输出的整个过程如图所示，图中描述的步骤如下：

1. 用户使用 SparkContext 提供的 API（常用的有 textFile、sequenceFile、runJob、stop 等）
   编写 Driver application 程序。此外 SQLContext、HiveContext 及 StreamingContext 对
   SparkContext 进行封装，并提供了 SQL、Hive 及流式计算相关的 API。
2. 使用SparkContext提交的用户应用程序，首先会使用BlockManager和BroadcastManager
   将任务的 Hadoop 配置进行广播。然后由 DAGScheduler 将任务转换为 RDD 并组织成 DAG，
   DAG 还将被划分为不同的 Stage。最后由 TaskScheduler 借助 ActorSystem 将任务提交给
   集群管理器（Cluster Manager）。
3. 集群管理器（ClusterManager）给任务分配资源，即将具体任务分配到Worker上，Worker
   创建 Executor 来处理任务的运行。Standalone、YARN、Mesos、EC2 等都可以作为 Spark
   的集群管理器。

2.5. SPARK 计算模型

RDD 可以看做是对各种数据计算模型的统一抽象，Spark 的计算过程主要是 RDD 的迭代计算过
程。RDD 的迭代计算过程非常类似于管道。分区数量取决于 partition 数量的设定，每个分区的数
据只会在一个 Task 中计算。所有分区可以在多个机器节点的 Executor 上并行执行。

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2.6. SPARK 运行流程

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1. 构建 Spark Application 的运行环境，启动 SparkContext
2. SparkContext 向资源管理器（可以是 Standalone，Mesos，Yarn）申请运行 Executor 资源，
并启动 StandaloneExecutorbackend，
3. Executor 向 SparkContext 申请 Task
4. SparkContext 将应用程序分发给 Executor
5. SparkContext 构建成 DAG 图，将 DAG 图分解成 Stage、将 Taskset 发送给 Task Scheduler，
最后由 Task Scheduler 将 Task 发送给 Executor 运行
6. Task 在 Executor 上运行，运行完释放所有资源

2.7. SPARK RDD 流程

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1. 创建 RDD 对象
2. DAGScheduler 模块介入运算，计算 RDD 之间的依赖关系，RDD 之间的依赖关系就形成了
   DAG
3. 每一个 Job 被分为多个 Stage。划分 Stage 的一个主要依据是当前计算因子的输入是否是确
   定的，如果是则将其分在同一个 Stage，避免多个 Stage 之间的消息传递开销

2.8. SPARK RDD

（1）RDD 的创建方式
1）从 Hadoop 文件系统（或与Hadoop兼容的其他持久化存储系统，如Hive、Cassandra、
HBase）输入（例如 HDFS）创建。
2）从父 RDD 转换得到新 RDD。
3）通过 parallelize 或 makeRDD 将单机数据创建为分布式 RDD。
（2）RDD 的两种操作算子（转换（Transformation）与行动（Action））
对于 RDD 可以有两种操作算子：转换（Transformation）与行动（Action）。
1）转换（Transformation）：Transformation操作是延迟计算的，也就是说从一个RDD转
换生成另一个 RDD 的转换操作不是马上执行，需要等到有 Action 操作的时候才会真正触
发运算。

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2）行动（Action）：Action 算子会触发 Spark 提交作业（Job），并将数据输出 Spark 系统。

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三. Storm

3.1. 概念

Storm 是一个免费并开源的分布式实时计算系统。利用 Storm 可以很容易做到可靠地处理无限的
数据流，像 Hadoop 批量处理大数据一样，Storm 可以实时处理数据。

3.1. 集群架构

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3.1.1. Nimbus（master-代码分发给 Supervisor）

Storm 集群的 Master 节点，负责分发用户代码，指派给具体的 Supervisor 节点上的 Worker 节
点，去运行 Topology 对应的组件（Spout/Bolt）的 Task。

3.1.2. Supervisor（slave-管理 Worker 进程的启动和终止）

Storm 集群的从节点，负责管理运行在 Supervisor 节点上的每一个 Worker 进程的启动和终止。
通过 Storm 的配置文件中的 supervisor.slots.ports 配置项，可以指定在一个 Supervisor 上最大
允许多少个 Slot，每个 Slot 通过端口号来唯一标识，一个端口号对应一个 Worker 进程（如果该
Worker 进程被启动）。

3.1.3. Worker（具体处理组件逻辑的进程）

运行具体处理组件逻辑的进程。Worker 运行的任务类型只有两种，一种是 Spout 任务，一种是
Bolt 任务。

3.1.4. Task

worker中每一个spout/bolt的线程称为一个task. 在storm0.8 之后，task不再与物理线程对应，
不同 spout/bolt 的 task 可能会共享一个物理线程，该线程称为 executor。

3.1.5. ZooKeeper

用来协调 Nimbus 和 Supervisor，如果 Supervisor 因故障出现问题而无法运行 Topology，
Nimbus 会第一时间感知到，并重新分配 Topology 到其它可用的 Supervisor 上运行

3.2. 编程模型（spout->tuple->bolt）

strom 在运行中可分为 spout 与 bolt 两个组件，其中，数据源从 spout 开始，数据以 tuple 的方
式发送到 bolt，多个 bolt 可以串连起来，一个 bolt 也可以接入多个 spot/bolt.运行时原理如下图：

image.png

3.2.1. Topology

Storm 中运行的一个实时应用程序的名称。将 Spout、 Bolt 整合起来的拓扑图。定义了 Spout 和
Bolt 的结合关系、并发数量、配置等等。

3.2.2. Spout

在一个 topology 中获取源数据流的组件。通常情况下 spout 会从外部数据源中读取数据，然后转
换为 topology 内部的源数据。

3.2.3. Bolt

接受数据然后执行处理的组件,用户可以在其中执行自己想要的操作。

3.2.4. Tuple

一次消息传递的基本单元，理解为一组消息就是一个 Tuple。

3.2.5. Stream

Tuple 的集合。表示数据的流向。

3.3. Topology 运行

在 Storm 中,一个实时应用的计算任务被打包作为 Topology 发布，这同 Hadoop MapReduce
任务相似。但是有一点不同的是:在 Hadoop 中，MapReduce 任务最终会执行完成后结束；而在
Storm 中，Topology 任务一旦提交后永远不会结束，除非你显示去停止任务。计算任务
Topology 是由不同的 Spouts 和 Bolts，通过数据流（Stream）连接起来的图｡一个 Storm 在集
群上运行一个 Topology 时，主要通过以下 3 个实体来完成 Topology 的执行工作：
(1). Worker（进程）
(2). Executor（线程）
(3). Task

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3.3.1. Worker(1 个 worker 进程执行的是 1 个 topology 的子集)

1 个 worker 进程执行的是 1 个 topology 的子集（注：不会出现 1 个 worker 为多个 topology
服务）。1 个 worker 进程会启动 1 个或多个 executor 线程来执行 1 个 topology 的
component(spout 或 bolt)。因此，1 个运行中的 topology 就是由集群中多台物理机上的多个
worker 进程组成的。

3.3.2. Executor(executor 是 1 个被 worker 进程启动的单独线程)

executor 是 1 个被 worker 进程启动的单独线程。每个 executor 只会运行 1 个 topology 的 1 个
component(spout 或 bolt)的 task（注：task 可以是 1 个或多个，storm 默认是 1 个
component 只生成 1 个 task，executor 线程里会在每次循环里顺序调用所有 task 实例）。

3.3.3. Task(最终运行 spout 或 bolt 中代码的单元)

是最终运行 spout 或 bolt 中代码的单元（注：1 个 task 即为 spout 或 bolt 的 1 个实例，
executor 线程在执行期间会调用该 task 的 nextTuple 或 execute 方法）。topology 启动后，1 个 component(spout 或 bolt)的 task 数目是固定不变的，但该 component 使用的 executor 线
程数可以动态调整（例如：1 个 executor 线程可以执行该 component 的 1 个或多个 task 实
例）。这意味着，对于 1 个 component 存在这样的条件：#threads<=#tasks（即：线程数小于
等于 task 数目）。默认情况下 task 的数目等于 executor 线程数目，即 1 个 executor 线程只运
行 1 个 task。

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3.4. Storm Streaming Grouping

Storm 中最重要的抽象，应该就是 Stream grouping 了，它能够控制 Spot/Bolt 对应的 Task 以
什么样的方式来分发 Tuple，将 Tuple 发射到目的 Spot/Bolt 对应的 Task.

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目前，Storm Streaming Grouping 支持如下几种类型：

3.4.1. huffle Grouping

随机分组，尽量均匀分布到下游 Bolt 中将流分组定义为混排。这种混排分组意味着来自 Spout 的
输入将混排，或随机分发给此 Bolt 中的任务。shuffle grouping 对各个 task 的 tuple 分配的比
较均匀。

3.4.2. Fields Grouping

按字段分组，按数据中 field 值进行分组；相同 field 值的 Tuple 被发送到相同的 Task 这种
grouping 机制保证相同 field 值的 tuple 会去同一个 task。

3.4.3. All grouping ：广播

广播发送， 对于每一个 tuple 将会复制到每一个 bolt 中处理。

3.4.4. Global grouping

全局分组，Tuple 被分配到一个 Bolt 中的一个 Task，实现事务性的 Topology。Stream 中的所
有的 tuple 都会发送给同一个 bolt 任务处理，所有的 tuple 将会发送给拥有最小 task_id 的 bolt
任务处理。

3.4.5. None grouping ：不分组

不关注并行处理负载均衡策略时使用该方式，目前等同于 shuffle grouping,另外 storm 将会把
bolt 任务和他的上游提供数据的任务安排在同一个线程下。

3.4.6. Direct grouping ：直接分组 指定分组

由 tuple 的发射单元直接决定 tuple 将发射给那个 bolt，一般情况下是由接收 tuple 的 bolt 决定
接收哪个 bolt 发射的 Tuple。这是一种比较特别的分组方法，用这种分组意味着消息的发送者指
定由消息接收者的哪个 task 处理这个消息。 只有被声明为 Direct Stream 的消息流可以声明这种
分组方法。而且这种消息 tuple 必须使用 emitDirect 方法来发射。消息处理者可以通过
TopologyContext 来获取处理它的消息的 taskid (OutputCollector.emit 方法也会返回
taskid)。

四. YARN

4.1. 概念

YARN 是一个资源管理、任务调度的框架，主要包含三大模块：ResourceManager（RM）、
NodeManager（NM）、ApplicationMaster（AM）。其中，ResourceManager 负责所有资
源的监控、分配和管理； ApplicationMaster 负责每一个具体应用程序的调度和协调；
NodeManager 负责每一个节点的维护。对于所有的 applications，RM 拥有绝对的控制权和对资
源的分配权。而每个 AM 则会和 RM 协商资源，同时和 NodeManager 通信来执行和监控 task。
几个模块之间的关系如图所示。

image.png

4.2. ResourceManager

1. ResourceManager 负责整个集群的资源管理和分配，是一个全局的资源管理系统。
2. NodeManager 以心跳的方式向 ResourceManager 汇报资源使用情况（目前主要是 CPU 和
   内存的使用情况）。RM 只接受 NM 的资源回报信息，对于具体的资源处理则交给 NM 自己
   处理。
3. YARN Scheduler 根据 application 的请求为其分配资源，不负责 application job 的监控、
   追踪、运行状态反馈、启动等工作。

4.3. NodeManager

1. NodeManager 是每个节点上的资源和任务管理器，它是管理这台机器的代理，负责该节点
   程序的运行，以及该节点资源的管理和监控。YARN集群每个节点都运行一个NodeManager。
2. NodeManager 定时向 ResourceManager 汇报本节点资源（CPU、内存）的使用情况和
   Container 的运行状态。当 ResourceManager 宕机时 NodeManager 自动连接 RM 备用节
   点。
3. NodeManager 接收并处理来自 ApplicationMaster 的 Container 启动、停止等各种请求。

4.4. ApplicationMaster

用户提交的每个应用程序均包含一个 ApplicationMaster，它可以运行在 ResourceManager 以外
的机器上。

1. 负责与 RM 调度器协商以获取资源（用 Container 表示）。
2. 将得到的任务进一步分配给内部的任务(资源的二次分配)。
3. 与 NM 通信以启动/停止任务。
4. 监控所有任务运行状态，并在任务运行失败时重新为任务申请资源以重启任务。
5. 当前 YARN 自带了两个 ApplicationMaster 实现，一个是用于演示 AM 编写方法的实例程序
   DistributedShell，它可以申请一定数目的 Container 以并行运行一个 Shell 命令或者 Shell
   脚本；另一个是运行 MapReduce 应用程序的 AM—MRAppMaster。
   注：RM 只负责监控 AM，并在 AM 运行失败时候启动它。RM 不负责 AM 内部任务的容错，任务
   的容错由 AM 完成。

4.5.YARN 运行流程

1. client 向 RM 提交应用程序，其中包括启动该应用的 ApplicationMaster 的必须信息，例如
   ApplicationMaster 程序、启动 ApplicationMaster 的命令、用户程序等。
2. ResourceManager 启动一个 container 用于运行 ApplicationMaster。
3. 启动中的ApplicationMaster向ResourceManager注册自己，启动成功后与RM保持心跳。
4. ApplicationMaster 向 ResourceManager 发送请求，申请相应数目的 container。
5. ResourceManager 返回 ApplicationMaster 的申请的 containers 信息。申请成功的
   container，由 ApplicationMaster 进行初始化。container 的启动信息初始化后，AM 与对
   应的 NodeManager 通信，要求 NM 启动 container。AM 与 NM 保持心跳，从而对 NM 上
   运行的任务进行监控和管理。
6. container 运行期间，ApplicationMaster 对 container 进行监控。container 通过 RPC 协议
   向对应的 AM 汇报自己的进度和状态等信息。
7. 应用运行期间，client 直接与 AM 通信获取应用的状态、进度更新等信息。
8. 应用运行结束后，ApplicationMaster 向 ResourceManager 注销自己，并允许属于它的
   container 被收回