轻松驾驭Hive数仓，数据分析从未如此简单！

2023-10-17 18:33:15 浏览数 (2)

1 前言

  • 先通过SparkSession read API从分布式文件系统创建DataFrame
  • 然后，创建临时表并使用SQL或直接使用DataFrame API，进行数据转换、过滤、聚合等操作
  • 最后，再用SparkSession的write API把计算结果写回分布式文件系统

直接与文件系统交互，仅是Spark SQL数据应用常见case之一。Spark SQL另一典型场景是与Hive集成、构建分布式数仓。

数仓，带有主题、聚合层次较高的数据集，承载形式是一系列数据表。数据分析应用很普遍。Hive与Spark联合：

  • Hive擅长元数据管理
  • Spark长高效分布式计算

Spark与Hive集成方式：

  • Spark仅将Hive当成元信息管理工具：Spark with Hive
  • Hive用Spark作底层计算引擎：Hive on Spark

2 Hive架构与基本原理

Hadoop社区构建数仓的核心组件，提供丰富的用户接口，接收用户提交的SQL查询语句。这些查询语句经过Hive解析与优化后，转化为分布式任务，并交付Hadoop MapReduce执行。

核心：

  • User Interface（1）
  • Driver（3）

不论元数据库（4）、存储系统（5），还是计算引擎（6），Hive都外包、可插拔式交给第三方独立组件，即专事专人做：

User Interface为开发者提供SQL接入服务，具体接入途径：

  • Hive Server 2（2） Hive Server 2通过提供JDBC/ODBC客户端连接，允许开发者从远程提交SQL查询请求。该方案更灵活，应用更广泛
  • CLI
  • Web Interface（Web界面入口) CLI与Web Interface直接在本地接收SQL查询语句
Hive Metastore

一个普通的RDBMS，可为MySQL、Derby、Oracle、DB2。

作用
  • 辅助SQL语法解析、执行计划的生成与优化
  • 帮助底层计算引擎高效地定位并访问分布式文件系统中的数据源

分布式文件系统可HDFS、Amazon S3。执行方面，Hive支持3类计算引擎：

  • Hadoop MapReduce
  • Tez
  • Spark

3 Hive工作流程

  • 接收到SQL查询后，Hive的Driver先用Parser组件，将查询语句转化为AST（Abstract Syntax Tree，查询语法树）
  • 接着，Planner组件根据AST生成执行计划
  • Optimizer进一步优化执行计划
  • 要完成这一系列的动作，Hive须拿到相关数据表的元信息，如表名、列名、字段类型、数据文件存储路径、文件格式等。这些都存储在“Hive Metastore”（4）数据库

4 Spark with Hive

Hive Metastore利用RDBMS存储数据表的元信息，如表名、表类型、表数据的Schema、表（分区）数据的存储路径、及存储格式。Metastore像“户口簿”，记录分布式文件系统中每一份数据集的“底细”。

Spark SQL通过访问Hive Metastore，即可扩充数据访问来源，即Spark with Hive核心思想：

  • Spark是主体
  • Hive Metastore只是Spark扩充数据源的辅助
集成方式
  1. 创建SparkSession，访问本地或远程的Hive Metastore
  2. 通过Spark内置的spark-sql CLI，访问本地Hive Metastore
  3. 通过Beeline客户端，访问Spark Thrift Server
SparkSession Hive Metastore

启动Hive Metastore。

代码语言：javascript复制
hive --service metastore

Hive Metastore启动后，要让Spark知道Metastore的访问地址，即告诉他数据源的“户口簿”藏在哪：

  • 创建SparkSession时，通过config函数指定hive.metastore.uris参数
  • 让Spark读取Hive配置文件hive-site.xml，该文件记录Hive相关配置项，包括hive.metastore.uris。把hive-site.xml拷贝到Spark安装目录的conf子目录，Spark即可自行读取内容

第一种用法案例

假设Hive有张名为“salaries”的薪资表，每条数据都包含id和salary两个字段，表数据存储在HDFS，那么，在spark-shell中敲入下面的代码，我们即可轻松访问Hive中的数据表。

代码语言：javascript复制
import org.apache.spark.sql.SparkSession
import  org.apache.spark.sql.DataFrame
 
val hiveHost: String = _
// 创建SparkSession实例
val spark = SparkSession.builder()
                   .config("hive.metastore.uris", s"thrift://hiveHost:9083")
                   .enableHiveSupport()
                   .getOrCreate()
 
// 读取Hive表，创建DataFrame
val df: DataFrame = spark.sql(“select * from salaries”)
 
df.show
 
/** 结果打印
 --- ------ 
| id|salary|
 --- ------ 
|  1| 26000|
|  2| 30000|
|  4| 25000|
|  3| 20000|
 --- ------ 
*/

利用createTempView函数从数据文件创建临时表的方法，临时表创建后，就能使用SparkSession的sql API来提交SQL查询语句。连接到Hive Metastore之后，咱们就可以绕过第一步，直接使用sql API去访问Hive中现有的表，方便！

createTempView创建的临时表，其生命周期仅限于Spark作业内部，一旦作业执行完毕，临时表就不复存在，无法被其他应用复用。而Hive表的元信息已持久化到Hive Metastore，不同的作业、应用、甚至是计算引擎，如Spark、Presto、Impala等，都可以通过Hive Metastore访问Hive表。

SparkSession Hive Metastore这种集成，Spark对Hive的访问，仅涉及Metastore，对Hive架构其他组件，Spark并未触及。即Spark仅“白嫖”Hive的Metastore，拿到数据集的元信息后，Spark SQL自行加载数据、处理：

在第一种集成方式下，通过sql API，可直接提交复杂SQL，也可以在创建DataFrame之后，再使用各种算子实现业务逻辑。

spark-sql CLI Hive Metastore

“既然是搭建数仓，能不能像用普通数据库，直接输入SQL查询，绕过SparkSession的sql API？”肯定的，Spark with Hive的第二种集成方式：spark-sql CLI Hive Metastore。

与spark-shell、spark-submit类似，spark-sql也是Spark内置的系统命令。将配置好hive.metastore.uris参数的hive-site.xml文件放到Spark安装目录的conf下，我们即可在spark-sql中直接使用SQL语句来查询或是处理Hive表。

显然，在这种集成模式下，Spark和Hive的关系，与刚刚讲的SparkSession Hive Metastore一样，本质上都是Spark通过Hive Metastore来扩充数据源。

不过，相比前者，spark-sql CLI的集成方式多了一层限制，那就是在部署上，spark-sql CLI与Hive Metastore必须安装在同一个计算节点。换句话说，spark-sql CLI只能在本地访问Hive Metastore，而没有办法通过远程的方式来做到这一点。

在绝大多数的工业级生产系统中，不同的大数据组件往往是单独部署的，Hive与Spark也不例外。由于Hive Metastore可用于服务不同的计算引擎，如前面提到的Presto、Impala，因此为了减轻节点的工作负载，Hive Metastore往往会部署到一台相对独立的计算节点。

在这样的背景下，不得不说，spark-sql CLI本地访问的限制，极大地削弱了它的适用场景，这也是spark-sql CLI Hive Metastore这种集成方式几乎无人问津的根本原因。不过，这并不妨碍我们学习并了解它，这有助于我们对Spark与Hive之间的关系加深理解。

Beeline Spark Thrift Server

“既然spark-sql CLI有限制，有没有其他集成方式，既能够部署到生产系统，又能让开发者写SQL查询？” 有，Spark with Hive集成的第三种途径，就是使用Beeline客户端，去连接Spark Thrift Server，从而完成Hive表的访问与处理。

Beeline原是Hive客户端，通过JDBC接入Hive Server 2。Hive Server 2可同时服务多个客户端，提供多租户的Hive查询服务。由于Hive Server 2实现采用Thrift RPC协议框架，因此，很多时候又把Hive Server 2称为“Hive Thrift Server 2”。

通过Hive Server 2接入的查询请求，经由Hive Driver的解析、规划与优化，交给Hive搭载的计算引擎付诸执行。相应地，查询结果再由Hiver Server 2返还给Beeline客户端，如下图右侧虚线框。

Spark Thrift Server脱胎于Hive Server 2，在接收查询、多租户服务、权限管理等方面，这两个服务端的实现逻辑几乎一模一样。它们最大的不同，在于SQL查询接入之后的解析、规划、优化与执行。

我们刚刚说过，Hive Server 2的“后台”是Hive的那套基础架构。而SQL查询在接入到Spark Thrift Server之后，它首先会交由Spark SQL优化引擎进行一系列的优化。在第14讲我们提过，借助于Catalyst与Tungsten这对“左膀右臂”，Spark SQL对SQL查询语句先后进行语法解析、语法树构建、逻辑优化、物理优化、数据结构优化、以及执行代码优化，等等。然后，Spark SQL将优化过后的执行计划，交付给Spark Core执行引擎付诸运行。

SQL查询在接入Spark Thrift Server之后的执行路径，与DataFrame在Spark中的执行路径是完全一致。

理清Spark Thrift Server与Hive Server 2之间的区别与联系后。

来看Spark Thrift Server的启动与Beeline的具体用法。

5 启动Spark Thrift Server

只需调用Spark提供的start-thriftserver.sh

代码语言：javascript复制
// SPARK_HOME环境变量，指向Spark安装目录
cd $SPARK_HOME/sbin
 
// 启动Spark Thrift Server
./start-thriftserver.sh

脚本执行成功之后，Spark Thrift Server默认在10000端口监听JDBC/ODBC的连接请求。有意思的是，关于监听端口的设置，Spark复用了Hive的hive.server2.thrift.port参数。与其他的Hive参数一样，hive.server2.thrift.port同样要在hive-site.xml配置文件中设置。

一旦Spark Thrift Server启动成功，我们就可以在任意节点上通过Beeline客户端来访问该服务。在客户端与服务端之间成功建立连接（Connections）之后，咱们就能在Beeline客户端使用SQL语句处理Hive表了。需要注意的是，在这种集成模式下，SQL语句背后的优化与计算引擎是Spark。

代码语言：javascript复制
/**
用Beeline客户端连接Spark Thrift Server，
其中，hostname是Spark Thrift Server服务所在节点
*/
beeline -u “jdbc:hive2://hostname:10000”

好啦，到此为止，Spark with Hive这类集成方式我们就讲完了。

为了巩固刚刚学过的内容，咱们趁热打铁，一起来做个简单的小结。不论是SparkSession Hive Metastore、spark-sql CLI Hive Metastore，还是Beeline Spark Thrift Server，Spark扮演的角色都是执行引擎，而Hive的作用主要在于通过Metastore提供底层数据集的元数据。不难发现，在这类集成方式中，Spark唱“主角”，而Hive唱“配角”。

6 Hive on Spark

说到这里，你可能会好奇：“对于Hive社区与Spark社区来说，大家都是平等的，那么有没有Hive唱主角，而Spark唱配角的时候呢？”还真有，这就是Spark与Hive集成的另一种形式：Hive on Spark。

基本原理

在这一讲的开头，我们简单介绍了Hive的基础架构。Hive的松耦合设计，使得它的Metastore、底层文件系统、以及执行引擎都是可插拔、可替换的。

在执行引擎方面，Hive默认搭载的是Hadoop MapReduce，但它同时也支持Tez和Spark。所谓的“Hive on Spark”，实际上指的就是Hive采用Spark作为其后端的分布式执行引擎，如下

从用户的视角来看，使用Hive on MapReduce或是Hive on Tez与使用Hive on Spark没有任何区别，执行引擎的切换对用户来说是完全透明的。不论Hive选择哪一种执行引擎，引擎仅仅负责任务的分布式计算，SQL语句的解析、规划与优化，通通由Hive的Driver来完成。

为了搭载不同的执行引擎，Hive还需要做一些简单的适配，从而把优化过的执行计划“翻译”成底层计算引擎的语义。

举例来说，在Hive on Spark的集成方式中，Hive在将SQL语句转换为执行计划之后，还需要把执行计划“翻译”成RDD语义下的DAG，然后再把DAG交付给Spark Core付诸执行。从第14讲到现在，我们一直在强调，Spark SQL除了扮演数据分析子框架的角色之外，还是Spark新一代的优化引擎。

在Hive on Spark这种集成模式下，Hive与Spark衔接的部分是Spark Core，而不是Spark SQL。这也是为什么，相比Hive on Spark，Spark with Hive的集成在执行性能更胜。毕竟，Spark SQL Spark Core这种原装组合，相比Hive Driver Spark Core这种适配组合，契合度更高。

集成实现

分析完原理之后，接下来，我们再来说说，Hive on Spark的集成到底该怎么实现。

首先，既然我们想让Hive搭载Spark，那么我们事先得准备好一套完备的Spark部署。对于Spark的部署模式，Hive不做任何限定，Spark on Standalone、Spark on Yarn或是Spark on Kubernetes都是可以的。

Spark集群准备好之后，我们就可以通过修改hive-site.xml中相关的配置项，来轻松地完成Hive on Spark的集成，如下表所示。

其中，hive.execution.engine用于指定Hive后端执行引擎，可选值有“mapreduce”、“tez”和“spark”，显然，将该参数设置为“spark”，即表示采用Hive on Spark的集成方式。

确定了执行引擎之后，接下来我们自然要告诉Hive：“Spark集群部署在哪里”，spark.master正是为了实现这个目的。另外，为了方便Hive调用Spark的相关脚本与Jar包，我们还需要通过spark.home参数来指定Spark的安装目录。

配置好这3个参数之后，我们就可以用Hive SQL向Hive提交查询请求，而Hive则是先通过访问Metastore在Driver端完成执行计划的制定与优化，然后再将其“翻译”为RDD语义下的DAG，最后把DAG交给后端的Spark去执行分布式计算。

当你在终端看到“Hive on Spark”的字样时，就证明Hive后台的执行引擎确实是Spark，如下图所示。

当然，除了上述3个配置项以外，Hive还提供了更多的参数，用于微调它与Spark之间的交互。对于这些参数，你可以通过访问Hive on Spark配置项列表来查看。不仅如此，在第12讲，我们详细介绍了Spark自身的基础配置项，这些配置项都可以配置到hive-site.xml中，方便你更细粒度地控制Hive与Spark之间的集成。

7 总结

了解Spark与Hive常见的两类集成方式，Spark with Hive和Hive on Spark。前者由Spark社区主导，以Spark为主、Hive为辅；后者则由Hive社区主导，以Hive为主、Spark为辅。两类集成方式各有千秋，适用场景各有不同。

在Spark with Hive这类集成方式中，Spark主要是利用Hive Metastore来扩充数据源，从而降低分布式文件的管理与维护成本，如路径管理、分区管理、Schema维护，等等。

对于Spark with Hive，我们至少有3种途径来实现Spark与Hive的集成，分别是SparkSession Hive Metastore，spark-sql CLI Hive Metastore和Beeline Spark Thrift Server。

与Spark with Hive相对，另一类集成方式是Hive on Spark。这种集成方式，本质上是Hive社区为Hive用户提供了一种新的选项，这个选项就是，在执行引擎方面，除了原有的MapReduce与Tez，开发者还可以选择执行性能更佳的Spark。

Spark大行其道当下，习惯使用Hive的团队与开发者，更愿意尝试和采用Spark作为后端的执行引擎。

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