流式数据处理在百度数据工厂的应用与实践

本文整理自百度李俊卿在QCon上的演讲：《流式数据处理在百度数据工厂的应用与实践》。

作者：李俊卿，百度高级研发工程师，数据工厂流式数据处理负责人。

百度数据工厂最原先用Hive引擎，进行离线批量数据分析和PB级别的查询，处理一些核心报表数据。但是在我们推广过程中发现，用户其实还是有复杂分析、实时处理、数据挖掘的请求，我们在Spark1.0推出的时候，就开始跟进Spark。在Spark1.6时候彻底在团队中推广起来，当时是SparkStreaming。当时Spark1.6的API基于RDD，它和Spark批式处理的API并不同步。后来在Spark2.2、2.3发布的时候，Spark推出了StructStreaming，它的API和批处理API已经完全一致，这时候我们迎来一次完整的架构升级，基于Spark做了一次更强大的封装;以Spark为基础，加上其他的CRM，PFS等各种模块来做统一元数据处理;统一的资源调度;以Spark为基础做了统一的一个计算引擎，以前Hive的一套也有完全融入到Spark里来;包括多种提交方式;安全管理等等。最后形成一套完整的成品。

这就是我们目前的一个整体的技术架构。左下角是统一元数据处理，包括文件类的元数据处理和结构类数据，比如说Hive，或者MySQL的元数据处理，这都是作为统一的处理层的。还有就是统一调度引擎处理，我们会有统一的调度引擎，由用户注册队列，执行的时候只需要显示队列，去执行具体的资源。目前也支持K8S等。再往上一层是统一的Spark引擎。Spark引擎里面我们现在目前支持了SQL、DatasetAPI，可在上面跑各种复杂的处理。

再往上一层就是由Jupyter提供的工作空间，还有由我们自研提供的调度，自研的一套流式计算作业处理，整个一套就构成了现在完整的数据工厂。

流式数据处理在百度数据工厂的应用

接下来是比较最核心的部分，百度在Spark流批处理上做的哪些内容，主要是Spark流式SQL问题、实时转离线问题、实时转大屏展示问题。

首先Spark本身有一套完整的API的，有专门的引擎用来分析，所有的流、Batch分析，信息都会经过这套API进行一系列的处理，包括语义分析、语法分析、一些优化等。大家可以注意到，右下角是空缺的，Spark目前是没有提供这部分内容的。而用户转型过程中很多用户都是由Hive过来的，是熟悉应用SQL的用户，他们要处理流式数据，就会迫切的需要有一个SQL的引擎，来帮他将Hive的SQL转型成一个流式的SQL。

我们针对这个问题进行了一些开发。首先大家看一下，上面是SparkAPI层，Spark在流批处理上的API已经做得很完善了，是通过read和readStream来进行区分的。批到SQL处理，其实就是，可以完全看到它是首先是Sparkread一个Source，而它会映射成一个FromTable，具体的处理会映射成select、join、union等各种操作。然后WriteTable这种，在最后映射成了kafka_Table。我们流式SQL也可以映射这种类型的。

比如说这个例子，它从Kafka读取，输出到HDFS，映射的流式SQL的就是Kafka_Table。我们可以专门定义一个KafkaTable。用户的处理，我们会变成。。大家注意，我中间加了一个stream关键字。Spark在处理的时候，做了统一引擎的处理。只有API层用户写readStream的时候，它才是一个流式的处理，如果它用户写一个Read，它就是一个批处理。相对来说，SQL层我们也做了相应的处理，跑的同样的SQL，用户如果没加Stream关键字，它就是批处理的一个SQL，如果加Stream关键字，它就变成一个流式处理。但里面处理的引擎是完全一致的，只不过最后转换Plan的时候，将最后原Plan的部分转换成了流的plan。

这里也涉及了Table是怎么存储的。Table存储，如图所示，一个批量的Table存储的时候，无非就是Tablename、Schema、Properties，还有一些定义，比如说location等一些配置的信息。同样可以把我们创建的KafkaTable也可以映射进去，比如说我创建的Table名称可以映射TableName等，和Meta这边进行一一对应，这样我们在Hive那一侧，已经有了完善的一套Table的存储信息。它会生成一个虚拟的路径，其实并不会真正去创建，并不会真正去对它执行的。在数据工厂中，我们是这样定义一个Table的。一个Table定义出来以后为要能被多个人使用，但临时Table除外，你能够授权给其他人去读，也能够去进行列裁减，能够对它进行一些如数脱敏的数据分析，这时候就需要考虑Table的通用性。

首先第一点，我们创建的Table不能存放多个数据源。比如说存放三个数据源，这时完全可以定义三个Table，不同的数据源做Join，做Unit分析等，这在Spark里面都是OK的。

第二点只能定义通用配置。给别人使用，授权，计算的时候，肯定会需要考虑他自己的应用场景，这里面不能去搀杂何与应用场景相关信息，比如说watermark配置，这就是属于与应用场景相关的信息，这部分信息都是不能存放于Table里面的。

另外就是Spark原生是支持Kafka，流式的Table。它要既能够去流式的去读，也能够批量的去读，既然定义了Table我们怎么去读呢?这就是我们在Spark里面的改进，主要改动的部分就是改动了语义分析层的一个逻辑。大家可以看一下右侧整个逻辑框架。

我们主要改动就改动在语义层分析上。在这个规则上增加一个语义分析FindDataSouce，完成流式表解析，和增加了一个专门的可执行类SQLStreamingSink，用来专门读取。比如说读取Watermark或各种的配置，最终产生一个流式的Plan去执行。最后经过语义层分析之后，就变成了一个SQLStreamingSink。到这一步，一旦执行起来，它和正常API调度是一样的，这样API和SQL在语义层之后已经达到完整一致了。整体只在语义层这个地方做了一些区别而已。

总结来说，首先我们提供了一个统一的Hive元数据存储，我们所有的Table都是基于Hive的，当然Hive只是一种方案，主要是用数据仓库的形式来对数据进行统一管理。我们升级了FindDataSource，用来处理Table到Source一个定义。比如说用户的groupby，filter，sum等操作都会通过语义解析的时候，会对它进行分析。现在这套方案，我们已经提供给社区。如果大家有兴趣的可以一块看看有什么更好的方案解决StreamingJoinBach的处理，在Spark的Patch中搜SQLStreaming可以看到目前正在讨论的链接，欢迎一起讨论相关方案。

实时转离线问题

很多人会说实时转离线用的场景多吗?其实在百度内的场景用的不少的，因为比如说用户的点击日志数据，大部分都是实时存放在日志中的，他会进行流式处理时候会全部打到Kafka消息队列里面，它还是有些需求，对数据进行一些比如说天级别，月级别，甚至年级别的数据分析。这时候应该怎么办呢?于是我们就提供了实时转离线的功能，其实Spark本身已经提供了一个实时转离线的，就是右侧的这个代码。

比如说定义了一个CSV，定义一下它的分区路径，定义partition、location等，去执行写的操作时是有问题的。首先它输出信息完全是由人为去记在如一个卡片里，记在一个统一的文档里，下游去用的时候，问上游询要。一旦上游改变了，里面信息肯定就完全不对称了。

另外一个就是迁移升级问题。在百度内部存在集群迁移的问题，一个机房一般用几年之后，都会下线，这时候就会存在机型迁移。在输出路径上，或者在输出格式上，需要做出改变。而现在，一般来说，就是很多数据开发的人员，更期望的是开发的代码，能长时间运行。如果我用当前的实时转离线方案的话，肯定需要拿到原生的代码进行修改，再搭架构，再执行，这也是现实场景中用户吐槽最多的。

另外就是一个拓展文件格式，比如说甲方要求输出sequenceFile，并指定了格式。但下游需要的sequenceFile格式是不同，怎么去拓展?这样开发代价很大，很多用户是比较抵制的，我们提供的方案是什么呢?就是实时转数仓的方案。

大家知道Hive保存了很多信息，里面这些元数据信息，比如说有统一的管理员进行管理之后，这些信息都可以很明晰，很明了的被其他人看到。但输出升级或迁移了，这时候修改location就可以了，代码比较好改。具体代码是什么样呢?就是右下角的这行代码。

这个方案具体实现是这样的，原生有一个FileSink，读取CSV的数据，然后对数据进行处理之后，进行流式输出。只不过我们改动变成了Hive的FileFormat，以批量的形式进行写入，然后输出出去。我们在创建FileSink的时候，我们会读一下用户填入的Table，拿到它的信息，注入进去，进行一个写操作。大家可以注意到有一个分析监听器，在运行完每一个批量，都有一个信息反馈，如到底输出了哪些partition，能拿到相应的分区信息。拿到这个分区信息之后，可以对它进行一些处理，最后注入到Hive中，这样的话到底生产了哪些partition，完全可以在Hive里面可以去查到的。

基本上这就是这完整的一套实时转数仓方案。我们基于这一套方案，在百度内部已经推广到了很多业务上。在百度内部还有很多细粒度的权限处理使用实时转数仓方案。一旦写入数仓，下游在订阅的时候会有一些数据脱敏，或者是读写权限控制，或者列权限控制，都能用这套方案进行控制，所以实时转数仓方案在百度内部还是比较受欢迎的。

实时转大屏展示

我们在推广过程中，用户是也些大屏展示的使用场景的。

这页显示的这是一个通用的用户使用场景，比如说将Streaming实时的数据输出到一个OLAP里面，最终展示给大屏。但是这个场景有什么问题呢?这里需要额外使用其他的系统，比如Kafka系统、OLAP系统，最后再接入到大屏展示里面。每个系统，都需要找不同的负责人去处理，中间一旦出问题，需要反复去找负责人，与他们相互协调。中间会很复杂，一旦有一个网络出现故障，数据就会延时，负责人都需要处理自己的业务瓶颈。处理瓶颈是在用户使用场景中比较难办的问题。

我们是如何处理呢?现有的一套解决方案提供了一套原生的基于SparkSQL，Sparkshell的系统。我们自研了一套就是交互式的分析，可以在本地，通过LivyJBDCAPI，当用户select*或者什么的时候，它完全可以交互式的提交到集群上处理，然后反馈给用户。这时候结合SparkMemorySink去处理，将数据进行一些复杂的分析，具体的业务逻辑处理之后，它会将数据写入到集群内存里面。前端通过LivyJDBCAPI去交互式的去查询Spark集群内存的数据。这样数据是直接落到集群内存的，没有任何产出，是保存在内存里面的。Livy去查的时候直接从里面去拿出来，相当于直接走内存，不会走经过落盘，网络等。这套方案就在实时处理和部署上，比较受欢迎。

然后这就是，我们整个的流批的处理，用户通过各种方式传输数据，我们经过流到流，或者是流到批，或者是批到批的处理，当然中间我们可以完全映射成Table，就是流式的Table到批的Table，再到具体的业务输出方。或者流式的Table到流式的Table，或者是批的Table的到批的Table，这完全是OK的。

流式数据处理在百度数据工厂的实践

基于这套数据处理，我给大家简单介绍一下百度内部的一些实践。下图是流式的第一版本的产品化界面。我们已经在设计第三版了。左边是一个流式SQL的一个提交界面，用户可以在里面添加SQL，右边是流式监控。和现在Spark比较，和Spark监控页面比较类似的，监控当天有什么数据，显示实际处理量、数据时延等。