第九篇|Spark的五种JOIN策略解析

JOIN操作是非常常见的数据处理操作，Spark作为一个统一的大数据处理引擎，提供了非常丰富的JOIN场景。本文分享将介绍Spark所提供的5种JOIN策略，希望对你有所帮助。本文主要包括以下内容：

影响JOIN操作的因素
Spark中JOIN执行的5种策略
Spark是如何选择JOIN策略的

影响JOIN操作的因素

数据集的大小

参与JOIN的数据集的大小会直接影响Join操作的执行效率。同样，也会影响JOIN机制的选择和JOIN的执行效率。

JOIN的条件

JOIN的条件会涉及字段之间的逻辑比较。根据JOIN的条件，JOIN可分为两大类：等值连接和非等值连接。等值连接会涉及一个或多个需要同时满足的相等条件。在两个输入数据集的属性之间应用每个等值条件。当使用其他运算符(运算连接符不为=)时，称之为非等值连接。

JOIN的类型

在输入数据集的记录之间应用连接条件之后，JOIN类型会影响JOIN操作的结果。主要有以下几种JOIN类型：

内连接(Inner Join)：仅从输入数据集中输出匹配连接条件的记录。
外连接(Outer Join)：又分为左外连接、右外链接和全外连接。
半连接(Semi Join)：右表只用于过滤左表的数据而不出现在结果集中。
交叉连接(Cross Join)：交叉联接返回左表中的所有行，左表中的每一行与右表中的所有行组合。交叉联接也称作笛卡尔积。

Spark中JOIN执行的5种策略

Spark提供了5种JOIN机制来执行具体的JOIN操作。该5种JOIN机制如下所示：

Shuffle Hash Join
Broadcast Hash Join
Sort Merge Join
Cartesian Join
Broadcast Nested Loop Join

Shuffle Hash Join

简介

当要JOIN的表数据量比较大时，可以选择Shuffle Hash Join。这样可以将大表进行按照JOIN的key进行重分区，保证每个相同的JOIN key都发送到同一个分区中。如下图示：

image

如上图所示：Shuffle Hash Join的基本步骤主要有以下两点：

首先，对于两张参与JOIN的表，分别按照join key进行重分区，该过程会涉及Shuffle，其目的是将相同join key的数据发送到同一个分区，方便分区内进行join。
其次，对于每个Shuffle之后的分区，会将小表的分区数据构建成一个Hash table，然后根据join key与大表的分区数据记录进行匹配。

条件与特点

仅支持等值连接，join key不需要排序
支持除了全外连接(full outer joins)之外的所有join类型
需要对小表构建Hash map，属于内存密集型的操作，如果构建Hash表的一侧数据比较大，可能会造成OOM
将参数spark.sql.join.prefersortmergeJoin (default true)置为false

Broadcast Hash Join

简介

也称之为Map端JOIN。当有一张表较小时，我们通常选择Broadcast Hash Join，这样可以避免Shuffle带来的开销，从而提高性能。比如事实表与维表进行JOIN时，由于维表的数据通常会很小，所以可以使用Broadcast Hash Join将维表进行Broadcast。这样可以避免数据的Shuffle(在Spark中Shuffle操作是很耗时的)，从而提高JOIN的效率。在进行 Broadcast Join 之前，Spark 需要把处于 Executor 端的数据先发送到 Driver 端，然后 Driver 端再把数据广播到 Executor 端。如果我们需要广播的数据比较多，会造成 Driver 端出现 OOM。具体如下图示：

image

Broadcast Hash Join主要包括两个阶段：

Broadcast阶段：小表被缓存在executor中
Hash Join阶段：在每个 executor中执行Hash Join

条件与特点

仅支持等值连接，join key不需要排序
支持除了全外连接(full outer joins)之外的所有join类型
Broadcast Hash Join相比其他的JOIN机制而言，效率更高。但是，Broadcast Hash Join属于网络密集型的操作(数据冗余传输)，除此之外，需要在Driver端缓存数据，所以当小表的数据量较大时，会出现OOM的情况
被广播的小表的数据量要小于spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold值，默认是10MB(10485760)
被广播表的大小阈值不能超过8GB，spark2.4源码如下：BroadcastExchangeExec.scala

longMetric("dataSize") += dataSize
          if (dataSize >= (8L << 30)) {
            throw new SparkException(
              s"Cannot broadcast the table that is larger than 8GB: ${dataSize >> 30} GB")
          }

基表不能被broadcast，比如左连接时，只能将右表进行广播。形如：fact_table.join(broadcast(dimension_table)，可以不使用broadcast提示，当满足条件时会自动转为该JOIN方式。

Sort Merge Join

简介

该JOIN机制是Spark默认的，可以通过参数spark.sql.join.preferSortMergeJoin进行配置，默认是true，即优先使用Sort Merge Join。一般在两张大表进行JOIN时，使用该方式。Sort Merge Join可以减少集群中的数据传输，该方式不会先加载所有数据的到内存，然后进行hashjoin，但是在JOIN之前需要对join key进行排序。具体图示：

image

Sort Merge Join主要包括三个阶段：

Shuffle Phase : 两张大表根据Join key进行Shuffle重分区
Sort Phase: 每个分区内的数据进行排序
Merge Phase: 对来自不同表的排序好的分区数据进行JOIN，通过遍历元素，连接具有相同Join key值的行来合并数据集

条件与特点

仅支持等值连接
支持所有join类型
Join Keys是排序的
参数spark.sql.join.prefersortmergeJoin (默认true)设定为true

Cartesian Join

简介

如果 Spark 中两张参与 Join 的表没指定join key（ON 条件）那么会产生 Cartesian product join，这个 Join 得到的结果其实就是两张行数的乘积。

条件

仅支持内连接
支持等值和不等值连接
开启参数spark.sql.crossJoin.enabled=true

Broadcast Nested Loop Join

简介

该方式是在没有合适的JOIN机制可供选择时，最终会选择该种join策略。优先级为：Broadcast Hash Join > Sort Merge Join > Shuffle Hash Join > cartesian Join > Broadcast Nested Loop Join.

在Cartesian 与Broadcast Nested Loop Join之间，如果是内连接，或者非等值连接，则优先选择Broadcast Nested Loop策略，当时非等值连接并且一张表可以被广播时，会选择Cartesian Join。

条件与特点

支持等值和非等值连接
支持所有的JOIN类型，主要优化点如下：
- 当右外连接时要广播左表
- 当左外连接时要广播右表
- 当内连接时，要广播左右两张表

Spark是如何选择JOIN策略的

等值连接的情况

有join提示(hints)的情况，按照下面的顺序

1.Broadcast Hint：如果join类型支持，则选择broadcast hash join
2.Sort merge hint：如果join key是排序的，则选择 sort-merge join
3.shuffle hash hint：如果join类型支持，选择 shuffle hash join
4.shuffle replicate NL hint：如果是内连接，选择笛卡尔积方式

没有join提示(hints)的情况，则逐个对照下面的规则

1.如果join类型支持，并且其中一张表能够被广播(spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold值，默认是10MB)，则选择 broadcast hash join
2.如果参数spark.sql.join.preferSortMergeJoin设定为false，且一张表足够小(可以构建一个hash map) ，则选择shuffle hash join
3.如果join keys 是排序的，则选择sort-merge join
4.如果是内连接，选择 cartesian join
5.如果可能会发生OOM或者没有可以选择的执行策略，则最终选择broadcast nested loop join

非等值连接情况

有join提示(hints)，按照下面的顺序

1.broadcast hint：选择broadcast nested loop join.
2.shuffle replicate NL hint: 如果是内连接，则选择cartesian product join

没有join提示(hints)，则逐个对照下面的规则

1.如果一张表足够小(可以被广播)，则选择 broadcast nested loop join
2.如果是内连接，则选择cartesian product join
3.如果可能会发生OOM或者没有可以选择的执行策略，则最终选择broadcast nested loop join

join策略选择的源码片段

  object JoinSelection extends Strategy
    with PredicateHelper
    with JoinSelectionHelper {
    def apply(plan: LogicalPlan): Seq[SparkPlan] = plan match {

      case j @ ExtractEquiJoinKeys(joinType, leftKeys, rightKeys, nonEquiCond, left, right, hint) =>
        def createBroadcastHashJoin(onlyLookingAtHint: Boolean) = {
          getBroadcastBuildSide(left, right, joinType, hint, onlyLookingAtHint, conf).map {
            buildSide =>
              Seq(joins.BroadcastHashJoinExec(
                leftKeys,
                rightKeys,
                joinType,
                buildSide,
                nonEquiCond,
                planLater(left),
                planLater(right)))
          }
        }

        def createShuffleHashJoin(onlyLookingAtHint: Boolean) = {
          getShuffleHashJoinBuildSide(left, right, joinType, hint, onlyLookingAtHint, conf).map {
            buildSide =>
              Seq(joins.ShuffledHashJoinExec(
                leftKeys,
                rightKeys,
                joinType,
                buildSide,
                nonEquiCond,
                planLater(left),
                planLater(right)))
          }
        }

        def createSortMergeJoin() = {
          if (RowOrdering.isOrderable(leftKeys)) {
            Some(Seq(joins.SortMergeJoinExec(
              leftKeys, rightKeys, joinType, nonEquiCond, planLater(left), planLater(right))))
          } else {
            None
          }
        }

        def createCartesianProduct() = {
          if (joinType.isInstanceOf[InnerLike]) {
            Some(Seq(joins.CartesianProductExec(planLater(left), planLater(right), j.condition)))
          } else {
            None
          }
        }

        def createJoinWithoutHint() = {
          createBroadcastHashJoin(false)
            .orElse {
              if (!conf.preferSortMergeJoin) {
                createShuffleHashJoin(false)
              } else {
                None
              }
            }
            .orElse(createSortMergeJoin())
            .orElse(createCartesianProduct())
            .getOrElse {
              val buildSide = getSmallerSide(left, right)
              Seq(joins.BroadcastNestedLoopJoinExec(
                planLater(left), planLater(right), buildSide, joinType, nonEquiCond))
            }
        }

        createBroadcastHashJoin(true)
          .orElse { if (hintToSortMergeJoin(hint)) createSortMergeJoin() else None }
          .orElse(createShuffleHashJoin(true))
          .orElse { if (hintToShuffleReplicateNL(hint)) createCartesianProduct() else None }
          .getOrElse(createJoinWithoutHint())

    
          if (canBuildLeft(joinType)) BuildLeft else BuildRight
        }

        def createBroadcastNLJoin(buildLeft: Boolean, buildRight: Boolean) = {
          val maybeBuildSide = if (buildLeft && buildRight) {
            Some(desiredBuildSide)
          } else if (buildLeft) {
            Some(BuildLeft)
          } else if (buildRight) {
            Some(BuildRight)
          } else {
            None
          }

          maybeBuildSide.map { buildSide =>
            Seq(joins.BroadcastNestedLoopJoinExec(
              planLater(left), planLater(right), buildSide, joinType, condition))
          }
        }

        def createCartesianProduct() = {
          if (joinType.isInstanceOf[InnerLike]) {
            Some(Seq(joins.CartesianProductExec(planLater(left), planLater(right), condition)))
          } else {
            None
          }
        }

        def createJoinWithoutHint() = {
          createBroadcastNLJoin(canBroadcastBySize(left, conf), canBroadcastBySize(right, conf))
            .orElse(createCartesianProduct())
            .getOrElse {
              Seq(joins.BroadcastNestedLoopJoinExec(
                planLater(left), planLater(right), desiredBuildSide, joinType, condition))
            }
        }

        createBroadcastNLJoin(hintToBroadcastLeft(hint), hintToBroadcastRight(hint))
          .orElse { if (hintToShuffleReplicateNL(hint)) createCartesianProduct() else None }
          .getOrElse(createJoinWithoutHint())
      case _ => Nil
    }
  }

总结

本文主要介绍了Spark提供的5种JOIN策略，并对三种比较重要的JOIN策略进行了图示解析。首先对影响JOIN的因素进行了梳理，然后介绍了5种Spark的JOIN策略，并对每种JOIN策略的具体含义和触发条件进行了阐述，最后给出了JOIN策略选择对应的源码片段。希望本文能够对你有所帮助。

『大数据技术与数仓』