Spark_Task_Optimization_Journey_How_I_Increased_10x_Speed_by_Performance_Tuning

Conference: PyCon Taiwan 2023
Date: 2023/9/2
Abstract:
公司長期以來存在某些工作排程需要較長的執行時間，由於專案使用的資料表本身就較為肥大，我們很容易自然的接受這些排程需要較長執行時間、資源的現狀，然而隨著上線的排程數量的快速增加，系統負擔與效能的問題也開始受到越來越多的重視
除了盲目加大硬體資源的方案外，其實我們可以先從 spark 的資源配置、參數設定以及程式邏輯等面向進行優化，讓工作排程能兼顧執行效率與系統資源
在這次的演講中我將以公司某項工作排程為例，和大家分享我分析這項工作排程的思路，並說明我逐步測試、優化的過程，最終成功將排程的執行時間從 5 小時大幅縮短至 30 分鐘

Transcript

1. • 公司長期以來存在某些工作排程需要較長的執行時間， 由於專案使用的資料表本身就較為肥大，我們很容易自 然的接受這些排程需要較長執行時間、資源的現狀，然 而隨著上線的排程數量的快速增加，系統負擔與效能的 問題也開始受到越來越多的重視 • 除了盲目加大硬體資源的方案外，其實我們可以先從 spark 的資源配置、參數設定以及程式邏輯等面向進行 優化，讓工作排程能兼顧執行效率與系統資源 • 在這次的演講中我將以公司某項工作排程為例，和大家 分享我分析這項工作排程的思路，並說明我逐步測試、 優化的過程，最終成功將排程的執行時間從 5 小時大幅 縮短至 30 分鐘 PyCon Taiwan 2023 September 2-3, 2023 Spark Task Optimization Journey: How I Increased 10x Speed by Performance Tuning About 游騰林(tlyu0419) 騰林是來自國泰數據部的資料科學家，擅長透過 Python, R 建置機器學習/深度學習模型、網路爬蟲、資料視覺化 以及圖形演算法。曾在 PyCon, PyData, AIAcademic, MOPCON, COSCUP 等年會擔任講者 代表的開源專案是 facebook-crawler 的 Python 套件， 可以協助使用者快速收集 Facebook 粉絲頁/社團的貼文 資料，發佈至今已進累積超過3萬次的下載量
2. The process of a secret ML/DL project • 模型案整體跑約 5 小時，因為資料本身較肥大，大家認為這是正常的現象 • 隨著專案上線的數量變多，效能的問題就開始被重視 2 後處理 預處理 訓練模型 預測 送檔 讀取資料 Hadoop TeradataSQL 資料前處理 特徵工程 特徵選擇 模型調參 預測機率值 業務邏輯加工 寫表 / 落檔 發Mail通知 <5mins <5mins <10mins <1 hours <1.5hrs >3hrs
3. 請公司加錢買更好的設備 程式、性能優化 Solutions for performance optimization 3
4. Outline Methods Speedup Tips
5. Sample Table • 某張很肥大的信用卡消費資料表(這邊是通過 faker 生成假資料) • 姓名、身份證號、卡號、消費日期、消費公司、金額、消費地址 • 實際的資料中有數億筆記錄，約 80 GB 5 Ref: joke2k/faker: Faker is a Python package that generates fake data for you.
6. Methods of transferring (bulk) data • Local files • Apache Sqoop • pandas read_sql • pyspark read table 6
7. Export and read data through local files • 把資料先從 DB 中匯出落成實體檔，然後再用 Python 讀取實體檔 7 缺點是多一段資料匯出的流程， 也會佔用 Disk 空間，業界通常不會用此方式
8. Apache Sqoop • Apache Sqoop is a tool designed for efficiently transferring bulk data between Apache Hadoop and structured datastores. • Sqoop import help • --connection-manager • --connect • --user • --password • --query • --hive-table • Sqoop 約需 2 小時 8 Ref: Sqoop - (apache.org)
9. pandas read_sql • 通過 SQLAlchemy / Jaydebe 建立 connector，再以 pandas.read_sql 讀取資料 • Connector • host • user • password • pandas.read_sql • sql • con • chunksize • Pandas 需要 > 3.5 小時 9 Ref: pandas.read_sql — pandas 2.0.3 documentation
10. Pyspark read table • 透過 Pyspark 直接至 Database 讀取資料 • dbtable • 放資料表名稱 • 執行後會讀取整張資料表 • query • 放 sql 的語法 • 可以彈性讀取/整理資料表 • 兩個讀取方式都需要 3 小時 10 Ref: JDBC To Other Databases - Spark 3.3.2 Documentation
11. • Pysaprk 下有非常繁雜的參數 11 Pyspark connection properties Ref: JDBC To Other Databases - Spark 3.3.2 Documentation
12. • Pysaprk 下有非常繁雜的參數 12 Ref: JDBC To Other Databases - Spark 3.3.2 Documentation Pyspark connection properties • 和查詢效能有關的參數 • Fetch_size Determines how many rows to fetch per round trip. This can help performance on JDBC drivers • Partition Column They describe how to partition the table when reading in parallel from multiple workers. • numPartition The maximum number of partitions that can be used for parallelism in table reading and writing.
13. fetchsize • 官方文件說調大 fetchsize 可以增加查詢速度，但我沒有試出來 • 測試後需要 3.2 小時，與預設參數的速度差不多(至少沒有明顯增加) • 後續可以再多測試 100, 1000, 100000, 1000000 等不同的參數值 13 Ref: Read JDBC in Parallel using PySpark
14. partitionColumn • partitionColumn 要搭配 upper/lowerBound 和 numPartitions 一起使用 • upperBound 和 lowerBound 分別為資料的上下界，藉由 上/下界 和 numPartitions 的數量， 將原資料表切分成多份子集，分頭進行工作，藉此提升讀取效率 • partitionColumn 必須要是數值、時間、日期格式，且並不能與 query 模式共用 14 以 TXN_AMT(刷卡金額) 為例， 相關參數設定如下: • upperBound: 100 • lowerBound: 0 • numPartitions: 4 會切分出 4 個子資料集 <= 25, 25 ~ 50, 50~75, >75
15. partitionColumn experiment round 1 • 以刷卡金額(txn_amt) 作為 partition column • LowerBound, UpperBound 分別設定資料中的最大(9,998,506) 和 最小值(-9,415,705) • numPartition: 10 • 測試後需要跑 4.5小時，反而比不調整設定的 3小時 還多 50% 的時間，Why? 15
16. partitionColumn experiment round 1 • 進到 Application detail 後可以看到如下資訊 • 9 個 worker 在很短時間內就完成執行，剩下 1 個 worker 則還在拼命跑 • 問題明顯在 10 個 worker 間的分工並不平均! • 再回到 upper / lowerBound 和 numPartitions 的邏輯，估計問題是出在是資料 表中的刷卡金額過度集中在某些區段中，才導致了這個問題 16 worker1 worker2 worker3 worker4 worker5 worker6 worker7 worker8 worker9 worker10
17. partitionColumn experiment round 2 • 既然切成 10 份 partition 會遇到不均衡的問題，那麼切成 1,000 份呢? 這樣總能讓 10 個 worker 都有機會輪到比較繁重的工作了吧! • 結果: 不均衡的問題一樣存在，而且… 17
18. partitionColumn experiment round 2 • 既然切成 10 份 partition 會遇到不均衡的問題，那麼切成 1,000 份呢? 這樣總能讓 10 個 worker 都有機會輪到比較繁重的工作了吧! • 結果: 不均衡的問題一樣存在，而且… 18
19. So, how to set partitionColumn correctly? • 要 By Domain 設定正確的欄位來切 partition 才能讓資料子集數量均衡 • 以交易日期(txn_date)來切資料並切成 10 個子集，最終時間縮短為 30 分鐘 • 如果需要再加速，還可以 適度 調大 spark 的 executor 數和 numPartition 數 19 worker1 worker2 worker3 worker4 worker5 worker6 worker7 worker8 worker9 worker10
20. Pyspark read table - Advanced usage • 困境 • partitionColumn 的設定很吃 Domain，設定 錯誤不只無法加速還會變慢 • partitionColumn 只吃數值或時間類型欄位， 而有些資料表根本沒有合適的欄位 • 解方 • 先用 count 算資料表的筆數 • 將 query 轉為子查詢，並新增 row_number 欄位作為 partition column，藉此均勻的切資料 • 將子查詢的查詢語法放入 dbtable 中使用 20
21. Spark resource configuration • Spark 參數的設定方式 • numPartition: 10(推薦) ~ 50 > 發給 倉儲 請求(request)資料的次數， 過多就會佔用 TD 的 Session 通道 > 但並行的數量還是取決於 executor 數! • spark maxExecutor: 5(推薦) ~ 10 > 並行向 TD 請求資料的線程數，過大會佔用太 多倉儲的效能 > 調大可以增加查詢速度 • spark executor memory: 5G(推薦) ~ 10G > 當 numPartition 增大時，可以再降低 executor 的 memory 21 這邊放畫面的截圖
22. Spark SQL's Catalyst Optimizer 22 左邊和下面的 SQL 都是在算每位客戶的總刷卡金額 左邊這種寫法的查詢效能會比較差嗎? 為什麼? (實際上沒人會用左邊這麼奇怪的寫法，單純用來說明) Ref: Deep Dive into Spark SQL's Catalyst Optimizer
23. cache • 在做特徵工程時，經常會對特定的資料表 先製作中繼表，再透過中繼表抽取出需要 的變數 • 如果能將 RDD1 的階段暫存起來，就不用 每次都從 RDD0 開始讀取/處理資料，進而 達到節省資料的目的 • 暫存的使用方式是 cache 23 Ref: Spark技术内幕：深入解析Spark内核架构设计与实现原理
24. Inspect spark dataframe's partition • 如果 Partition 內的資料筆數不均勻，會無法充分幫 Spark 的工作加速 • 要適時檢查各階段的狀態，搭配 repartition 來平衡各 partition 中的資料量 24
25. Inspect spark dataframe's partition • 如果 Partition 內的資料筆數不均勻，會無法充分幫 Spark 的工作加速 • 要適時檢查各階段的狀態，搭配 repartition 來平衡各 partition 中的資料量 25 這個範例資料表共分出了 120 個 partition， 其中資料筆數有相當大的落差，無法充分加速
26. Spark dataframe to pandas dataframe • 對某張 spark dataframe 先做 repartition 後再 toPandas • 資料表約 1,000 萬筆資料，33個欄位 • Repartition 數量分別試了 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10,50,100,500, 1000, 5000, 10000, 100000 26 Repartition 數 執行結果 時間 38(Default) 成功 1.2 mins 1-5 Executor Lost Failure 6-10 成功 1.5 - 2.5 mins 50-10000 成功 0.8 - 1.1 mins 100000 成功 2 mins 為什麼明明是操作同樣的資料表， 有些 partition 數會失敗，有些可以加速?
27. pandas dataframe to Spark dataframe • 對某張 pandas dataframe 先做 createDataFrame，再 saveAsTable • 資料表約 1,000 萬筆資料，33個欄位 • 不改參數的情況下， createDataFrame 用了40分鐘， saveAsTable 用了 20小時還跑不完 • 到底慢在哪裡? • saveAsTable: 檢查轉換後的 spark dataframe 的 partition 數只有 2 >>發現: 資料表切的 partition 數太少就沒辦法做加速，相當於用二個線程在做事情 • createDataFrame: 根據警告訊息找到要新增 ARROW_PRE_0_15_IPC_FORMAT 的環境變數 >> 發現: 新增環境變數後 40 分鐘僅需 1 分鐘就完成轉換 27 Ref: [SPARK-29367] pandas udf not working with latest pyarrow release (0.15.0) 新增 ARROW_PRE_0_15_IPC_FORMAT 的環境變數 是讓 spark 通過 pyarrow 套件來加速資料轉換的過程
28. Summary • 說明 pyspark 拉資料的參數設置方式與陷阱 • partitionColumn 的設定很吃 Domain，設定錯誤不只無法加速還會變慢 • 解決方式(目前試到比較快的方法) • 對資料表新增 row_number 的欄位，並藉此作為 partitionColumn 來進行加速 • Spark 資源配置建議與調整方式 • 其他 spark 任務的加速技巧 • Cache • Partition number • Spark dataframe to pandas dataframe • pandas dataframe to Spark dataframe 28
29. 國泰產險 - 數據部相關職缺介紹 資深資料科學分析師 資料科學分析師 數據專案管理師 商業數據分析師 資料科學工程師 資料倉儲工程師 Contact 游騰林(tlyu0419) tlyu0419@Facebook, Twitter, Instagram Mail: tlyu0419@gmail.com
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