Hadoop TaskScheduler浅析

TaskScheduler，顾名思义，就是MapReduce中的任务调度器。在MapReduce中，JobTracker接收JobClient提交的Job，将它们按InputFormat的划分以及其他相关配置，生成若干个Map和Reduce任务。然后，当一个TaskTracker通过心跳告知JobTracker自己还有空闲的任务Slot时，JobTracker就会向其分派任务。具体应该分派一些什么样的任务给这台TaskTracker，这就是TaskScheduler所需要考虑的事情。

TaskScheduler工作在JobTracker上。在JobTracker启动时，根据配置“mapred.jobtracker.taskScheduler”选定一个TaskScheduler的派生类实例作为任务调度器。任务的分派配由JobTracker的调度框架和TaskScheduler的具体调度策略配合完成。简单来说：
1、JobTracker通过一种Listener机制，将Job的变化情况同步给TaskScheduler。然后TaskScheduler就按照自己的策略将需要调度的Job管理起来；
2、在JobTracker需要向TaskTracker分派任务时，调用TaskScheduler的assignTask()方法来获得应当分派的任务；

listener

首先，JobClient提交的Job被JobTracker维护在一个Map结构中，Job的所有状态变更都会在这个结构中体现。但是Job中的任务的分派却跟这个结构无关，因为分派任务是TaskScheduler的事情，显然不能通过直接操作JobTracker的数据结构来完成。
为此，JobTracker中提供了一套JobInProgressListener的机制。当Map结构中的Job发生变化时（增、删、改），JobTracker就会回调已注册的JobInProgressListener的相应方法。TaskScheduler就使用它来监听JobTracker上Job的变化。
JobInProgressListener有如下方法：
void jobAdded(JobInProgress job);
void jobRemoved(JobInProgress job);
void jobUpdated(JobChangeEvent event);

TaskScheduler在初始化时会向JobTracker注册若干个JobInProgressListener。当JobTracker接收到新的Job时，会回调每个已注册的JobInProgressListener的jobAdded()方法。同样，当Job被移除或者发生更新时，jobRemoved()或jobUpdated()会被回调。
其中，jobUpdated()需要传递一个JobChangeEvent，用于描述Job的变化。这里面主要包含三种状态变化：运行状态改变、优先级改变、开始时间改变。
关于Job的运行状态，它包括PREP、RUNNING、FAILED、KILLED、SUCCEEDED五种。其中，PREP状态是Job的Setup任务执行完成之前的状态，JobTracker接收到Job后，需要等Job的Setup任务执行完成之后才能分派Job的Map和Reduce任务（见《Hadoop OutputFormat浅析》）；而RUNNING、FAILED、SUCCEEDED则对应Job的执行中、执行失败和执行成功，这应该是很好理解的；而KILLED状态就是用户手动将Job杀死后的状态。
一般来说，Job的运行状态改变主要是由MapReduce框架来触发的，Job的生老病死都是随着框架而运转。而Job的运行状态改变成KILLED、以及Job的优先级改变和Job的开始时间改变，则都是由用户来发起的（可以通过JobClient来提交相应的请求）。

TaskScheduler可能会向JobTracker注册不止一个JobInProgressListener，每个Listener可能关心不同的信息、做不同的事。不过其实TaskScheduler只注册一个Listener肯定就已经能满足需要了的，之所以要将一个Listener就能完成的功能拆分成多份，目的是将Listener组件化，让不同的TaskScheduler可以共享同一个Listener（换句话说，不同的TaskScheduler可以使用同样的Listener作为其组件）。

下面看一下MapReduce中默认的TaskScheduler－－JobQueueTaskScheduler－－的做法。
JobQueueTaskScheduler是一个按优先级顺序选择Job的调度器。它在初始化时会向JobTracker注册JobQueueJobInProgressListener、EagerTaskInitializationListener两个Listener：

JobQueueJobInProgressListener比较简单，其成员只有一个Map类型的jobQueue－－按优先级顺序排列的Job队列。Map的KEY是JobSchedulingInfo，它包含三个信息：
1、priority。Job的优先级，第一排序因子。由“mapred.job.priority”配置；
2、startTime。Job开始时间、第二排序因子。Job实际开始的时间，也可以在Job执行过程中被用户改写；
3、id。也就是JobId，非排序因子；
回调函数jobAdded()会将新的Job加入到jobQueue中，并排序；而jobUpdated()则会根据Job开始时间或优先级的变化，调整它在jobQueue中的排序。并且当Job的运行状态变为中止状态（KILLED、FALED、SUCCESSED）时会将Job从jobQueue中移除；而jobRemoved()则是什么都不做（因为移除Job的工作已经在jobUpdated()里面做了）。

EagerTaskInitializationListener是一个用于初始化Job的Listener。它维护了若干个工作线程（数目由“mapred.jobinit.threads”配置，默认为4）来初始化Job。回调函数jobAdded()会将Job提交给这些工作线程。
对Job的初始化是通过调用JobTracker.initJob()方法来实现的（注意，就算不使用EagerTaskInitializationListener，也应该通过某种途径来调用这个方法，以便初始化Job），其主要工作就是为Job生成一堆的任务（在这一步之前，只有Job，没有Task）：
1、获取JobClient提交的Splits信息（这是JobClient使用InputFormat划分得来的，见《Hadoop InputFormat浅析》）；
2、为每一个Split创建一个对应的Map任务，并按照Split的Location信息将这些Map任务归类，为之后的任务分派做准备（这里将网络视作树状的拓扑结构，每个运行TaskTracker的机器都对应到树的叶子节点上，而非叶子节点就是连接它们的交换机。然后，每个Map任务就挂在其Location对应的叶子节点及其所有祖先节点上。这样，在分派任务的时候，就可以从TaskTracker对应的叶子节点出发，逐步向上，从而寻找到一个距离该TaskTracker最近的尚未分派的Map任务）；
3、根据Job的配置“mapred.reduce.tasks”，创建若干个Reduce任务：
4、额外创建两个Cleanup任务和两个Setup任务，用于执行OutputCommit中的操作（见《Hadoop OutputFormat浅析》）。为什么Cleanup和Setup任务会各有两个呢？因为它们需要以Map任务或是Reduce任务的身份被分派（其区别是占用Map的Slot或是Reduce的Slot），所以同一个东西有了两种不同的形态；
在这一步Job初始化完成之后，Job下的Task才能被分派给TaskTracker。（然后，首先只能分派一个Setup任务，并且等它执行完成之后，其他的Map和Reduce任务才能被分派，见《Hadoop OutputFormat浅析》。）
EagerTaskInitializationListener完成了对Job的初始化，很多TaskScheduler都会使用到它。
此外，在EagerTaskInitializationListener中，提交给工作线程初始化的Job会先放到一个按优先级排序的Queue里面，同样是以priority为第一排序因子、以startTime为第二排序因子。然后jobUpdated()会根据Job的priority或startTime的变化来调整Job在Queue中的排序；而jobRemoved()则会将Job从Queue中移除。
不过这里的优先级其实作用不是很大，因为相比于Job的执行时间，Job的初始化时间基本上可以忽略不计。（Job在Queue中发生竞争的可能性不大。）

任务分派

在TaskTracker通过心跳向JobTracker告知尚有空余的任务Slot时，JobTracker就会考虑向TaskTracker分派任务。
虽说Task的分派主要由TaskScheduler来负责，但是JobTracker会优先进行Setup和Cleanup任务的分派，如果有Job需要分派Setup或Cleanup任务，JobTracker会优先分派它们（而不考虑Job的优先级）。不过一般需要执行的Setup和Cleanup任务数量很少，而且执行时间很短，所以影响不大。重头戏还是在后面，JobTracker调用TaskScheduler的assignTask()方法，来分派任务。

具体的分派策略就跟具体的TaskScheduler相关了。还是以默认的JobQueueTaskScheduler为例：
1、顺序遍历JobQueueJobInProgressListener.jobQueue中的每一个Job（前面说过，已按优先级排好序），选择第一个RUNNING状态的Job（注意，jobQueue中可能有PREP状态的Job，它们尚未被EagerTaskInitializationListener初始化好），尝试从中分派任务。如果没有任务可以分派，则再选择下一个RUNNING状态的Job；
2、每次从一个Job中分派Map任务时，遵序如下步骤：
2.1、优先分派执行失败后等待重试的任务。对于这些需要重试的任务，并不考虑Location问题（因为要保证这些重试任务的优先顺序。另外，这个任务第一次分派的时候已经考虑了Location问题，但是失败了。如果重试还要考虑Location，那么这个任务可能很又会被分派到之前执行失败过的那台TaskTracker上。这显然是不好的）；
2.2、从未分派的Map任务中进行分派，根据Location优先选择输入Split离TaskTracker最近的Map任务（前面已经介绍了，Map任务按照其Location信息放到网络树中）；
2.3、如果启用了推断执行（由“mapred.map.tasks.speculative.execution”配置，默认为true），则尝试对已分派的Task进行再次分派（如果该Map执行进度比较落后的话）；
3、Reduce任务的分派逻辑也是类似的，但是不需要考虑Location问题；

总的来说，任务分派是要将TaskTracker上空闲的Slot都填满，让MapReduce集群的计算能力尽量投入到Job的执行中。但是，在一次assignTask()的过程中并不总是一口气把TaskTracker上空闲的Slot全部填满，里面会有一些break逻辑。遇到下列情况时，分派流程将会break：
1、对于非Data-Local、非Rack-Local（同一机架）的Map任务，最多只会分派一个；
2、Reduce任务最多只会分派一个；
3、JobQueueTaskScheduler会为每个TaskTracker预留少量的计算能力，专为最高优先级的Job服务（也就是jobQueue中第一个能够分派任务的Job）。如果当前TaskTracker用完了非预留的计算能力，则最多只会分派一个任务（当然，分派的任务一定属于最高优先级的Job，因为分派过程是按Job的优先级顺序来进行的）；

break之后，本次分派的任务可能就填不满TaskTracker的空闲Slot了，不过没关系，等这个TaskTracker下一次来心跳的时候，JobTracker又会再给它分派任务。这样的设计使得：
1、Map任务趋于分派到更合适的TaskTracker上。如果没有合适的Map任务分派给当前TaskTracker，则延迟其他Map任务的分派。那么这些延迟分派的Map任务可能可以分派到其他更合适的TaskTracker上；
2、Reduce任务趋于平均分派到每一个TaskTracker上。因为每个TaskTracker每次心跳都最多领走一个Reduce任务，只要每个TaskTracker心跳的频率相当，Reduce任务就能平均分派；

其他调度器

除了前面介绍的默认调度器--JobQueueTaskScheduler，MapReduce中还有提供了几种调度器可供选择。当然，你也可以实现自己的调度器。就像前面所介绍的那样，实现一组Listener、再实现assignTask()方法，基本上也就差不多了。
下面就简要介绍几种调度器：

1、LimitTasksPerJobTaskScheduler
这个调度器比较简单，它继承了JobQueueTaskScheduler，并重写了assignTask()方法。其思想是：给每个Job设置一个执行任务的限额（由“mapred.jobtracker.taskScheduler.maxRunningTasksPerJob”配置）。在以Job优先级顺序分派任务的基础上，如果某个Job分派出去的任务大于任务限额，则暂时跳过它，而考虑优先级更低的任务。如果不存在低优先级的Job、或者低优先级的Job分派不出任务，那么就算高优先级的Job超过了任务限额，也能继续分派任务。
这样一来，就既可以保证高优先级的Job得到较多的计算资源，又避免低优先级的Job过于饥饿。

2、FairScheduler
公平调度，其思想是：让每个Job能够得到公平的资源分配。不过，说起来简单，FairScheduler的实现却是非常复杂的。除了最基本的公平任务分配，还支持按Pool划分Job（每个Pool可以设置不同的配额），还支持在不公平情况下的任务抢占，等等。有兴趣的朋友可以参阅：http://hadoop.apache.org/common/docs/r0.20.2/fair_scheduler.html。
值得一提的是，FairScheduler也使用了EagerTaskInitializationListener来初始化Job。

3、CapacityScheduler
假设我们有多个为不同应用服务的MapReduce集群。一般来说，为了满足应用的峰值需求，集群总是需要配备足够的计算资源。但是大多数情况下，应用对计算资源的需求往往是远低于峰值需求的，这就带来了很大的资源浪费。于是，我们可以将这些集群合并起来，以期最大限度的提高集群的利用率。
但是简单的集群合并没法保证各个应用所需要的最低计算资源，特别是当多个应用的高峰同时到来时，“倒霉”的应用可能会饿死。而使用CapacityScheduler就能提供这样的保证。CapacityScheduler可以配置若干个Queue，以Queue为单位来设置最低容量保证。具体可以参阅：http://hadoop.apache.org/common/docs/r0.20.2/capacity_scheduler.html。