Spark Streaming(DStreaming) VS Spark Structured Streaming 区别比较 优劣势
背景
这篇博客主要记录Spark Streaming(DStreaming) 与 Spark Structured Streaming 之间的差别与优劣势。
Apache Spark 在 2016 年的时候启动了 Structured Streaming 项目，一个基于 Spark SQL 的全新流计算引擎 Structured Streaming，让用户像编写批处理程序一样简单地编写高性能的流处理程序。经过一年多的改进和完善，目前 Structured Streaming 已经在 Databricks 内部和客户广泛使用。
引用Spark commiter(gatorsmile)的话：“从Spark-2.X版本后，Spark streaming就进入维护模式，Spark streaming是低阶API，给码农用的，各种坑；Structured streaming是给人设计的API，简单易用。由于太忙，所以一直没有在官方文档上 更新说明信息”。而且可能 Spark 团队之后对 Spark Streaming 的维护可能越来越少。
1. Spark Streaming 不足
- Processing Time 而不是 Event Time
首先解释一下，Processing Time 是数据到达 Spark 被处理的时间，而 Event Time 是数据自带的属性，一般表示数据产生于数据源的时间。比如 IoT 中，传感器在 12:00:00 产生一条数据，然后在 12:00:05 数据传送到 Spark，那么 Event Time 就是 12:00:00，而 Processing Time 就是 12:00:05。我们知道 Spark Streaming 是基于 DStream 模型的 micro-batch 模式，简单来说就是将一个微小时间段，比如说 1s，的流数据当前批数据来处理。如果我们要统计某个时间段的一些数据统计，毫无疑问应该使用 Event Time，但是因为 Spark Streaming 的数据切割是基于 Processing Time，这样就导致使用 Event Time 特别的困难。
- Complex, low-level api
这点比较好理解，DStream （Spark Streaming 的数据模型）提供的 API 类似 RDD 的 API 的，非常的 low level。当我们编写 Spark Streaming 程序的时候，本质上就是要去构造 RDD 的 DAG 执行图，然后通过 Spark Engine 运行。这样导致一个问题是，DAG 可能会因为开发者的水平参差不齐而导致执行效率上的天壤之别。这样导致开发者的体验非常不好，也是任何一个基础框架不想看到的（基础框架的口号一般都是：你们专注于自己的业务逻辑就好，其他的交给我）。这也是很多基础系统强调 Declarative 的一个原因。
- reason about end-to-end application
这里的 end-to-end 指的是直接 input 到 out，比如 Kafka 接入 Spark Streaming 然后再导出到 HDFS 中。DStream 只能保证自己的一致性语义是 exactly-once 的，而 input 接入 Spark Streaming 和 Spark Straming 输出到外部存储的语义往往需要用户自己来保证。而这个语义保证写起来也是非常有挑战性，比如为了保证 output 的语义是 exactly-once 语义需要 output 的存储系统具有幂等的特性，或者支持事务性写入，这个对于开发者来说都不是一件容易的事情。
- 批流代码不统一
尽管批流本是两套系统，但是这两套系统统一起来确实很有必要，我们有时候确实需要将我们的流处理逻辑运行到批数据上面。关于这一点，最早在 2014 年 Google 提出 Dataflow 计算服务的时候就批判了 streaming/batch 这种叫法，而是提出了 unbounded/bounded data 的说法。DStream 尽管是对 RDD 的封装，但是我们要将 DStream 代码完全转换成 RDD 还是有一点工作量的，更何况现在 Spark 的批处理都用 DataSet/DataFrame API 了。
2. Structured Streaming 优势
相对的，来看下Structured Streaming优势(虽然上面已经看出来了)：
- 简洁的模型。Structured Streaming 的模型很简洁，易于理解。用户可以直接把一个流想象成是无限增长的表格。
- 一致的 API。由于和 Spark SQL 共用大部分 API，对 Spaprk SQL 熟悉的用户很容易上手，代码也十分简洁。同时批处理和流处理程序还可以共用代码，不需要开发两套不同的代码，显著提高了开发效率。
- 卓越的性能。Structured Streaming 在与 Spark SQL 共用 API 的同时，也直接使用了 Spark SQL 的 Catalyst 优化器和 Tungsten，数据处理性能十分出色。此外，Structured Streaming 还可以直接从未来 Spark SQL 的各种性能优化中受益。
- 多语言支持。Structured Streaming 直接支持目前 Spark SQL 支持的语言，包括 Scala，Java，Python，R 和 SQL。用户可以选择自己喜欢的语言进行开发。
3. Structured Streaming 核心设计
下面我们看一下 Structured Streaming 的核心设计。
Structured Streaming 的关键思想是将持续不断的数据当做一个**不断追加的表**。这使得流式计算模型与批处理计算引擎十分相似。使用类似对于静态表的批处理方式来表达流计算，然后 Spark 以在无限表上的增量计算来运行。
- **Input and Output**: Structured Streaming 内置了很多 connector 来保证 input 数据源和 output sink 保证 exactly-once 语义。而实现 exactly-once 语义的前提是：
Input 数据源必须是可以 replay 的，比如 Kafka，这样节点 crash 的时候就可以重新读取 input 数据。常见的数据源包括 Amazon Kinesis, Apache Kafka 和文件系统。
- **Output sink** 必须要支持写入是幂等的。这个很好理解，如果 output 不支持幂等写入，那么一致性语义就是 at-least-once 了。另外对于某些 sink, Structured Streaming 还提供了原子写入来保证 exactly-once 语义。
- **API**: Structured Streaming 代码编写完全复用 Spark SQL 的 batch API，也就是对一个或者多个 stream 或者 table 进行 query。query 的结果是 result table，可以以多种不同的模式（append, update, complete）输出到外部存储中。另外，Structured Streaming 还提供了一些 Streaming 处理特有的 API：Trigger, watermark, stateful operator。
Execution: 复用 Spark SQL 的执行引擎。Structured Streaming 默认使用类似 Spark Streaming 的 micro-batch 模式，有很多好处，比如动态负载均衡、再扩展、错误恢复以及 straggler （straggler 指的是哪些执行明显慢于其他 task 的 task）重试。除了 micro-batch 模式，Structured Streaming 还提供了基于传统的 long-running operator 的 continuous 处理模式。
- **Operational Features**: 利用 wal 和状态存储，开发者可以做到集中形式的 rollback 和错误恢复。还有一些其他 Operational 上的 feature，这里就不细说了。
具体详细介绍与使用可以参考前两篇博客：
- https://blog.csdn.net/asd136912/article/details/82147657
- https://cloud.tencent.com/developer/article/1835894
3. Continuous Processing Mode
好，终于要介绍到“真正”的流处理了，我之所以说“真正”是因为 continuous mode 是传统的流处理模式，通过运行一个 long-running 的 operator 用来处理数据。之前 Spark Streaming是基于 **micro-batch** 模式的，就被很多人诟病不是“真正的”流式处理。continuous mode 这种处理模式只要一有数据可用就会进行处理，如下图所示。
epoch 是 input 中数据被发送给 operator 处理的最小单位，在处理过程中，epoch 的 offset 会被记录到 wal 中。另外 continuous 模式下的 snapshot 存储使用的一致性算法是 Chandy-Lamport 算法。
这种模式相比与 micro-batch 模式缺点和优点都很明显。
- 缺点是不容易做扩展
- 优点是延迟更低
关于为什么延迟更低，下面两幅图可以做到一目了然。
Ref
- https://zhuanlan.zhihu.com/p/51883927
- https://infoq.cn/article/2018/02/spark-structured-streaming
- Structured Streaming: A Declarative API for Real-Time Applications in Apache Spark
- https://www.slidestalk.com/s/FromSparkStreamingtoStructuredStreaming58639
- https://spark.apache.org/docs/latest/streaming-programming-guide.html
- https://spark.apache.org/docs/latest/structured-streaming-programming-guide.html
