Hadoop、Spark、Flink Shuffle对比

一、Hadoop的shuffle

前置知识：

Map任务的数量由Hadoop框架自动计算，等于分片数量，等于输入文件总大小 / 分片大小，分片大小为HDFS默认值128M，可调

Reduce任务数由用户在作业提交时通过Job.setNumReduceTasks(int)设置

数据分配到Reduce任务的时间点，在Map任务执行期间，通过Partitioner（分区器）确定每个键值对的目标Reduce分区。默认采取partition=hash(key) % numReduceTasks策略

Shuffle过程：

hadoop会先将map数据写入缓冲区，缓冲区达到某个阈值后，会把数据溢写至磁盘，溢写磁盘时会根据先将数据写入相应分区文件，进行排序

溢写完毕后，会将多个分区文件合并，再进行归并排序

Reduce任务主动从所有Map任务的磁盘中拉取（Pull）属于自己分区的数据，拉取到数据后，还会进行一次归并排序

可以看到一共进行了三次排序。这一设计是后来所有分布式计算框架混洗任务的基石。

QA：为什么Hadoop需要三次排序？

第一次排序是为了第二次归并排序方便

第二次归并排序是为了给reduce任务时，reduce任务可以顺序读

第三次排序是因为hadoop要保证同一个reduce的输出是有序的，同时如果输入的key是有序的，reduce处理完输出即可，如果是无序的，那么reduce需要保存再重排序，对于数据量大的场景容易oom

二、Spark的shuffle

前置知识：

map个数由Saprk分区数计算或者自定义，reduce个数由用户指定，如果没指定，通常是机器核数

map和reduce数据的交互方式依旧是，map后把数据写入文件中，reduce从文件中读取数据

分区ID是数据在Shuffle过程中被分配到的目标Reduce任务的编号，决定了数据最终由哪个Reduce任务处理。

计算方式：
默认使用HashPartitioner，根据Key的哈希值对Reduce任务数取模：

分区ID=hash(key) % numReduceTasks分区ID=hash(key) % numReduceTasks

2.1 哈希混洗

Spark 1.2 之前默认的Shuffle机制

map输出的数据不再排序，若有M个map任务和R个reduce任务，每个map任务生成R个文件，每个reduce任务拉取属于自己的文件

这样导致文件句柄数太多了，若M=1000、R=1000，则生成 1,000,000个文件，同时内存压力也比较大，如果需要排序要在reduce端把一个key的所有数据全部加载，所以后面使用了sort混洗

2.2 sort 混洗

Spark 1.2 引入，逐步成为默认机制

1. Map任务处理输入数据，生成<Key, Value>对，并按分区ID暂存到内存缓冲区

2. 当缓冲区达到阈值（如spark.shuffle.spill.numElementsForceSpillThreshold默认值）时，开始排序。

• 排序规则：

  • 仅按分区ID排序（默认）：将数据按分区ID排序，同一分区内的数据无序。

  • 按分区ID + Key排序（需配置）：
    若设置spark.shuffle.sort.byKey=true，则按(分区ID, Key)排序，同一分区内的数据按键有序。

3. 排序后的数据按分区ID顺序写入磁盘，生成一个临时溢写文件

4. Map任务结束时，将所有临时溢写文件合并为单个数据文件（data）和一个索引文件（index）

• 合并方式：

  • 多路归并排序：将多个已按分区ID（或Key）排序的溢写文件合并，保持全局有序性。

  • 索引文件生成：记录每个分区ID在数据文件中的起始和结束偏移量。

5. Reduce任务向Driver查询所有Map任务生成的数据文件和索引文件的位置

6. 若Map端已按Key排序，Reduce任务直接对多个有序数据块进行归并，生成全局有序数据集。

• 内存与磁盘结合：

  • 数据量较小时，直接在内存中归并。

  • 数据量较大时，使用外排序（溢出到磁盘，分批次归并

感觉这样下来，跟hadoop的shuffle就有点像了，这样有个好处是，map生成的文件就只有两个了，最终的文件就是 2 * R个

2.3 Spark和Hadoop shuffle的内存使用上的不同之处

Hadoop写文件时，是设置了一个内存阈值，到达了该阈值就会把内存内容写入文件中，比如阈值是80M，一个200M文件就要溢写三次，且缓冲区大小不可动态调整，无法根据任务需求扩展或收缩。

Spark 将内存划分为 存储内存（Storage Memory） 和 执行内存（Execution Memory），两者可动态借用，

1. Map 任务将数据按分区ID（或 Key）缓存在内存中。

2. 溢出到磁盘：若内存不足，部分数据排序后写入磁盘临时文件。

3. 合并最终文件：Map 结束时合并内存和磁盘数据，生成一个数据文件和一个索引文件。

举个spark处理数据的例子，假设有200MB数据：

(1) 内存排序

• Map 任务处理数据后，先将键值对缓存在内存中，并按 分区ID（和可选的 Key）排序。

• 假设可用执行内存为 150MB，前 150MB 数据在内存中完成排序，生成一个 有序的内存块。

(2) 溢出到磁盘

• 当内存不足时，Spark 将内存中已排序的 150MB 数据 溢写到磁盘，生成一个临时文件（如 spill1），该文件内部保持有序。

• 剩余 50MB 数据继续在内存中排序，直到 Map 任务结束。

在 Map 任务结束时，所有内存和磁盘上的数据会被合并为一个全局有序的输出文件。具体流程如下：

假设 Map 任务生成以下两个有序片段：

• 内存块（150MB）：[A, B, D, F]

• 溢写文件（50MB）：[C, E, G]

归并过程：

1. 初始化指针：内存块指向 A，溢写文件指向 C。

2. 比较当前元素，选择最小者：

   • 第一轮：A（内存块） → 写入最终文件。

   • 第二轮：B（内存块） → 写入最终文件。

   • 第三轮：C（溢写文件） → 写入最终文件。

   • ...

3. 最终合并结果：[A, B, C, D, E, F, G]。

reduce阶段拉取数据的时候，会优先从内存中获取，内存中没有才去文件中获取

三、Flink的shuffle

虽然Flink是批流一体的，因为Flink现在主要是作为流处理，所以我们分析Flink在流处理场景下的shuffle

因为Flink处理的是流数据，自然不会有上面介绍的批处理的那些从文件中拉取数据，文件归并排序之类的操作

如果硬要说的话，Flink是哈希混洗，用户定义上游算子和下游算子的并发度，上游算子的数据默认会采用 Round-Robin 轮询算法，通过rpc（netty）发给下游的算子，在Flink UI图中我们会看到图中的线是 Rebalance

如果有key by，那么会对key做hash，然后对并发度取模，根据取模结果发送给下游算子