分布式计算模式：MapReduce

前言

两层调度时提到，Mesos 的第二层调度是由 Framework 完成的。这里的 Framework 通常就是计算框架，比如 Hadoop、Spark 等。用户基于这些计算框架，可以完成不同类型和规模的计算。

Hadoop 这个框架主要用于解决海量数据的计算问题。海量数据分成多个进程，每个进程计算一部分，然后汇总一下结果，就可以提升运算速度了。在分布式领域中就叫作 MR 模式，即 Map Reduce 模式。

什么是分而治之？

分而治之（Divide-and-Conquer），是计算机处理问题的一个很重要的思想，简称为分治法。

分治法是将一个复杂的、难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的、可以比较简单的或直接求解的子问题，这些子问题之间相互独立且与原问题形式相同，递归地求解这些子问题，然后将子问题的解合并得到原问题的解。

比如，现在要统计全中国的人口数，由于中国的人口规模很大，如果让工作人员依次统计每个省市的人口数，工作量会非常大。在实际统计中，通常会按照省分别统计，比如湖南省的工作人员统计湖南省的人口数，湖北省的工作人员统计湖北省的人口数等，然后汇总各个省的人口数，即可得到全国人口数。

这种分治的思想还广泛应用于计算机科学的各个领域中，分布式领域中的很多场景和问题也非常适合采用这种思想解决，并为此设计出了很多计算框架。比如，Hadoop 中的 MapReduce。

适合分治法的问题的特征：

• 问题规模比较大或复杂，且问题可以分解为几个规模较小的、简单的同类型问题进行求解；
• 子问题之间相互独立，不包含公共子问题；
• 子问题的解可以合并得到原问题的解。

根据这些特征可以想到，诸如电商统计全国商品数量时，按区域或省市进行统计，然 后将统计结果合并得到最终结果等大数据处理场景，均可以采用分治法。

根据这些特征可以推导出，采用分治法解决问题的核心步骤是：

1. 分解原问题。将原问题分解为若干个规模较小，相互独立，且与原问题形式相同的子问题。
2. 求解子问题。若子问题规模较小且容易被解决则直接求解，否则递归地求解各个子问题。
3. 合并解，就是将各个子问题的解合并为原问题的解。

分治法的原理

分布式原本就是为处理大规模应用而生的，所以基于分布式系统，如何分而治之地处理海量数据就是分布式领域中的一个核心问题。

Google 提出的 MapReduce 分布式计算模型（Hadoop MapReduce 是 Google 的开源实现），作为分治法的典型代表，最开始用于搜索领域，后来被广泛用于解决各种海量数据的计算问题。

抽象模型

如下图所示，MapReduce 分为 Map 和 Reduce 两个核心阶段，其中 Map 对应“分”， 即把复杂的任务分解为若干个“简单的任务”执行；Reduce 对应着“合”，即对 Map 阶段的结果进行汇总。

Map 阶段，将大数据计算任务拆分为多个子任务，拆分后的子任务通常具有如下特征：

• 相对于原始任务来说，划分后的子任务与原任务是同质的，比如原任务是统计全国人口数，拆分为统计省的人口数子任务时，都是统计人口数；并且子任务的数据规模和计算规模会小很多。
• 多个子任务之间没有依赖，可以独立运行、并行计算，比如按照省统计人口数，统计河北省的人口数和统计湖南省的人口数之间没有依赖关系，可以独立、并行的统计。

Reduce 阶段，拆分的子任务计算完成后，汇总所有子任务的计算结果，以得到最终结果。也就是汇总各个省统计的人口数，得到全国的总人口数。

MapReduce 工作原理

MapReduce 的组件结构：

MapReduce 主要包括以下三种组件：

• Master，也就是 MRAppMaster，该模块像一个大总管一样，独掌大权，负责分配任务，协调任务的运行，并为 Mapper 分配 map() 函数操作、为 Reducer 分配 reduce() 函数操作。
• Mapper worker，负责 Map 函数功能，负责执行子任务。
• Reducer worker，负责 Reduce 函数功能，负责汇总各个子任务的结果。

基于这三种组件，MapReduce 的工作流程如下所示：

程序从 User Program 开始进入 MapReduce 操作流程。其中图中的“step1，step2， …，step6”表示操作步骤。

• step1：User Program 将任务下发到 MRAppMaster 中。然后 MRAppMaster 执行任务拆分步骤，把 User Program 下发的任务划分成 M 个子任务（M 是用户自定义的数值）。假设 MapReduce 函数将任务划分成了 5 个，其中 Map 作业有 3 个，Reduce 作业有 2 个；集群内的 MRAppMaster 以及 Worker 节点都有任务的副本。
• step2：MRAppMaster 分别为 Mapper 和 Reducer 分配相应的 Map 和 Reduce 作业。 Map 作业的数量就是划分后的子任务数量，也就是 3 个；Reduce 作业是 2 个。
• step3：被分配了 Map 作业的 Worker，开始读取子任务的输入数据，并从输入数据中抽取出
  
  键值对，每一个键值对都作为参数传递给 map() 函数。
  
• step4：map() 函数的输出结果存储在环形缓冲区 kvBuffer 中，这些 Map 结果会被定期写入本地磁盘中，被存储在 R 个不同的磁盘区。R 表示 Reduce 作业的数量，也是由用户定义的。在这个案例中，R=2。此外每个 Map 结果的存储位置都会上报给 MRAppMaster。
• step5：MRAppMaster 通知 Reducer 它负责的作业在哪一个分区，Reducer 远程读取相应的 Map 结果，即中间键值对。当 Reducer 把它负责的所有中间键值对都读过来后，首先根据键值对的 key 值对中间键值对进行排序，将相同 key 值的键值对聚集在一起，从而有利于 Reducer 对 Map 结果进行统计。
• step6：Reducer 遍历排序后的中间键值对，将具有相同 key 值的键值对合并，并将统计结果作为输出文件存入负责的分区中。

从上述流程可以看出，整个 MapReduce 的工作流程主要可以概括为 5 个阶段： Input（输入）、Splitting（拆分）、Mapping（映射）、Reducing（化简）以及 Final Result（输出）。

所有 MapReduce 操作执行完毕后，MRAppMaster 将 R 个分区的输出文件结果返回给 User Program，用户可以根据实际需要进行操作。比如，通常并不需要合并这 R 个输出文件，而是将其作为输入交给另一个 MapReduce 程序处理。

MapReduce 实践应用

一个电商统计用户消费记录的例子，巩固 MapReduce 的功能。每隔一段时间，电商都会统计该时期平台的订单记录，从而分析用户的消费倾向。在不考虑国外消费记录的前提下，全国范围内的订单记录已经是一个很大规模的工程了。

电商往往会在每个省份、多个城市分布式地部署多个服务器， 用于管理某一地区的平台数据。因此针对全国范围内的消费统计，可以拆分成对多个省份的消费统计，并再一次细化到统计每一个城市的消费记录。

假设要统计苏锡常地区第二季度手机订单数量 Top3 的品牌。具体的统计步骤：

1. 任务拆分（Splitting 阶段）。根据地理位置，分别统计苏州、无锡、常州第二季度手机订单 Top3 品牌，从而将大规模任务划分为 3 个子任务。
2. 通过循环调用 map() 函数，统计每个品牌手机的订单数量。key 为手机品牌， value 为手机购买数量（单位：万台）。如下图 Mapping 阶段所示（为简化描述，图中直接列出了统计结果）。
3. 与前面计算流程不同的是，Mapping 阶段和 Reducing 阶段中间多了一步 Shuffling 操作。Shuffling 阶段主要是读取 Mapping 阶段的结果，并将不同的结果划分到不同的区。在大多数参考文档中，Mapping 和 Reducing 阶段的任务分别定义为映射以及归约。但是，在映射之后，要对映射后的结果进行排序整合，然后才能执行归约操作，因此往往将这一排序整合的操作单独放出来，称之为 Shuffling 阶段。
4. Reducing 阶段，归并同一个品牌的购买次数。
5. 得到苏锡常地区第二季度 Top3 品牌手机的购买记录。

由上述流程可以看出，Map/Reduce 作业和 map()/reduce() 函数是有区别的：

• Map 阶段由一定数量的 Map 作业组成，这些 Map 作业是并发任务，可以同时运行， 且操作重复。Map 阶段的功能主要由 map() 函数实现。每个 Map 作业处理一个子任务 （比如一个城市的手机消费统计），需要调用多次 map() 函数来处理（因为城市内不同的居民倾向于不同的手机）。
• Reduce 阶段执行的是汇总任务结果，遍历 Map 阶段的结果从而返回一个综合结果。与 Reduce 阶段相关的是 reduce() 函数，它的输入是一个键（key）和与之对应的一组数据（values），其功能是将具有相同 key 值的数据进行合并。Reduce 作业处理一个分区的中间键值对，期间要对每个不同的 key 值调用一次 reduce() 函数。在完成 Map 作业后，每个分区中会存在多个临时文件；而执行完 Reduce 操作后，一个分区最终只有 一个输出文件。

知识扩展：Fork-Join 计算模式是什么意思呢？

MapReduce 是一种分而治之的计算模式，在分布式领域中，除了典型的 Hadoop 的 MapReduce(Google MapReduce 的开源实现)，还有 Fork-Join。

Fork-Join 是 Java 等语言或库提供的原生多线程并行处理框架，采用线程级的分而治之计算模式。它充分利用多核 CPU 的优势，以递归的方式把一个任务拆分成多个“小任务”， 把多个“小任务”放到多个处理器上并行执行，即 Fork 操作。当多个“小任务”执行完成之后，再将这些执行结果合并起来即可得到原始任务的结果，即 Join 操作。

虽然 MapReduce 是进程级的分而治之计算模式，但与 Fork-Join 的核心思想是一致的。 因此 Fork-Join 又被称为 Java 版的 MapReduce 框架。

但 MapReduce 和 Fork-Join 之间有一个本质的区别：

• Fork-Join 不能大规模扩展，只适用于在单个 Java 虚拟机上运行，多个小任务虽然运行在不同的处理器上，但可以相互通信，甚至一个线程可以“窃取”其他线程上的子任务。
• MapReduce 可以大规模扩展，适用于大型计算机集群。通过 MapReduce 拆分后的任务，可以跨多个计算机去执行，且各个小任务之间不会相互通信。

总结

分而治之是将一个复杂的、难以直接解决的大问题，分割成一些规模较小的、可以直接求解的子问题，这些子问题互相独立且与原问题形式相同，递归地解这些子问题，然后将子问题的解合并以后就是原问题的解。

分布式计算模型 MapReduce 就运用了分而治之的思想，通过 Map 操作将大任务分成多个较小的任务去执行，得到的多个结果再通过 Reduce 操作整合成一个完整的结果。

分而治之的思想是简单且实用的处理复杂问题的方法。所以无论是计算机领域还是其他研究领域亦或日常生活中，都可以用分治法去处理很多复杂庞大的问题，将大问题划分成多个小问题，化繁为简、化整为零。

其实很多算法并不是凭空创造出来的，都是源于生活并服务于生活的。在日常工作学习中，对眼前的问题一筹莫展时，就可以将其化繁为简，从最简单的小问题出发，逐渐增加问题的规模，进而解决这个复杂的问题。同样也可以借鉴生活中的例子去解决专业问题。