Spark SQL基础

一.Pandas简介

1、基本介绍

• Pandas是Python的一个第三方包，也是商业和工程领域最流行的结构化数据工具集，用于数据清洗、处理以及分析

• Pandas和Spark SQL中很多功能都类似，甚至使用方法都是相同的

• Pandas适用场景

  • Pandas用于处理单机数据

  • 可以在数据ETL、查询分析、报表输出等环节使用

2.数据结构

Python中的Pandas的DataFrame数据结构:

DataFrame:表示一个二维表对象,就是表示整个表

字段,列,索引;Series表示一行或者一列?

?

二.Spark SQL函数定义

1.窗口函数

分析函数 over(partition by xxx order by xxx [asc|desc] [rows between xxx and xxx])?

分析函数大致可以分为以下三类:

1- 聚合函数:sum() count() avg() max() min()

2- row_number() rank() dense_rank() ntile()

3- first_value() last_value() lead() lag()

2.SQL函数分类

SQL函数,主要分为以下三大类:

①UDF函数:用户自定义函数

特点:一对一,输入一个得到一个

例如:split() substr()

②UDAF函数:用户自定义聚合函数

特点:多对一,输入多个得到一个

例如:sum()

③UDTF函数:用户自定义表数据生成函数

特点:一对多,输入一个得到多个

例如:explode()

在SQL中提供的所有的内置函数，都是属于以上三类中某一类函数

思考：有这么多的内置函数，为啥还需要自定义函数呢?

为了扩充函数功能。在实际使用中，并不能保证所有的操作函数都已经提前的内置好了。很多基于业务处理的功能，其实并没有提供对应的函数，提供的函数更多是以公共功能函数。此时需要进行自定义，来扩充新的功能函数

1- SparkSQL原生的时候,Python只能开发UDF函数

2- SparkSQL借助其他第三方组件,Python可以开发UDF,UDAF函数

?

在Spark SQL中，针对Python语言，对于自定义函数，原生支持的并不是特别好。目前原生仅支持自定义UDF函数，而无法自定义UDAF函数和UDTF函数。

在1.6版本后，Java 和scala语言支持自定义UDAF函数，但Python并不支持。

Spark SQL原生存在的问题：大量的序列化和反序列

?虽然Python支持自定义UDF函数，但是其效率并不是特别的高效。因为在使用的时候，传递一行处理一行，返回一行的方式。这样会带来非常大的序列化的开销的问题，导致原生UDF函数效率不好
?? ?
早期解决方案: 基于Java/Scala来编写自定义UDF函数，然后基于python调用即可
?? ?
目前主要的解决方案: 引入Arrow框架，可以基于内存来完成数据传输工作，可以大大的降低了序列化的开销，提供传输的效率，解决原生的问题。同时还可以基于pandas的自定义函数，利用pandas的函数优势完成各种处理操作

3.Spark原生自定义UDF函数

自定义函数流程:

?第一步:在PySpark中创建一个Python的函数,在这个函数中书写自定义的功能逻辑代码即可

第二步:将Python函数注册到Spark SQL中

? ? ? ? 注册方式一:udf对象 = sparkSession.udf.register(参数1,参数2,参数3)

? ? ? ? 参数1:[UDF函数名称],此名称用于后续在SQL中使用,可以任意取值,但是要符合名称的规范

? ? ? ? 参数2:[自定义的Python函数],表示将哪个Python的函数注册为Spark SQL的函数

? ? ? ? 参数3:[UDF函数的返回值类型],用于表示当前这个Python的函数返回的类型

? ? ? ? udf对象:返回值对象,是一个UDF对象,可以在DSL中使用

? ? ? ? 说明:如果通过方式一来注册函数,[可以用在SQL和DSL]

? ? ? ? 注册方式二:udf对象 =F.udf(参数1,参数2)

? ? ? ? 参数1:Python函数的名称,表示将那个Python的函数注册为Spark SQL的函数

? ? ? ? 参数2:返回值的类型,用于表示当前这个Python的函数返回的类型

? ? ? ? udf对象:返回值对象,是一个UDF对象,可以在DSL中使用.

????????说明: 如果通过方式二来注册函数，【仅能用在DSL中】

????????注册方式三: ?语法糖写法 ?@F.udf(returnType=返回值类型) ?放置到对应Python的函数上面
?? ??? ?说明: 实际是方式二的扩展。如果通过方式三来注册函数，【仅能用在DSL中】
?? ?
?? ??? ?
第三步: 在Spark SQL的 DSL/ SQL 中进行使用即可

4.Pandas的UDF函数

4.1 Apache Arrow框架基本介绍

Apache Arrow是Apache旗下的一款顶级的项目。是一个跨平台的在内存中以列式存储的数据层，它的设计目标就是作为一个跨平台的数据层，来加快大数据分析项目的运行效率

Pandas 与 Spark SQL 进行交互的时候，建立在Apache Arrow上，带来低开销 高性能的UDF函数

Arrow并不会自动使用，在某些情况下，需要配置 以及在代码中需要进行小的更改才可以使用

4.2 基于Arrow完成Pandas DataFrame和Spark DataFrame互转

使用场景：

1- Spark的DataFrame -> Pandas的DataFrame：当大数据处理到后期的时候，可能数据量会越来越少，这样可以考虑使用单机版的Pandas来做后续数据的分析

2- Pandas的DataFrame -> Spark的DataFrame：当数据量达到单机无法高效处理的时候，或者需要和其他大数据框架集成的时候，可以转成Spark中的DataFrame

?总结：
Pandas的DataFrame -> Spark的DataFrame: spark.createDataFrame(data=pandas_df)
Spark的DataFrame -> Pandas的DataFrame: init_df.toPandas()

?

4.3 基于Pandas完成UDF函数

基于Pandas的UDF函数来转换为Spark SQL的UDF函数进行使用。底层是基于Arrow框架来完成数据传输，允许向量化（可以充分利用计算机CPU性能）操作。

Pandas的UDF函数其实本质上就是Python的函数，只不过函数的传入数据类型为Pandas的类型

基于Pandas的UDF可以使用自定义UDF函数和自定义UDAF函数

?

第一步: 在PySpark中创建一个Python的函数，在这个函数中书写自定义的功能逻辑代码即可

第二步: 将Python函数包装成Spark SQL的函数
?? ?注册方式一: udf对象 = spark.udf.register(参数1, 参数2)
?? ??? ?参数1: UDF函数名称。此名称用于后续在SQL中使用，可以任意取值，但是要符合名称的规范
?? ??? ?参数2: Python函数的名称。表示将哪个Python的函数注册为Spark SQL的函数
?? ??? ?使用: udf对象只能在DSL中使用。参数1指定的名称只能在SQL中使用
?? ??? ?注意: 如果编写的是UDAF函数，那么注册方式一需要配合注册方式三，一起使用
?? ??? ?
?? ?注册方式二: udf对象 = F.pandas_udf(参数1, 参数2)
?? ??? ?参数1: 自定义的Python函数。表示将哪个Python的函数注册为Spark SQL的函数
?? ??? ?参数2: UDF函数的返回值类型。用于表示当前这个Python的函数返回的类型对应到Spark SQL的数据类型
?? ??? ?udf对象: 返回值对象，是一个UDF对象。仅能用在DSL中使用
?? ?
?? ?注册方式三: 语法糖写法 ?@F.pandas_udf(returnType=返回值Spark SQL的数据类型) ?放置到对应Python的函数上面
?? ??? ?说明: 实际是方式一的扩展。仅能用在DSL中使用
?? ?
?? ?
第三步: 在Spark SQL的 DSL/ SQL 中进行使用即可

三.Spark on Hive

1.集成原理

?

HiveServer2的主要作用: 接收SQL语句，进行语法检查；解析SQL语句；优化；将SQL转变成MapReduce程序，提交到Yarn集群上运行

SparkSQL与Hive集成，实际上是替换掉HiveServer2。是SparkSQL中的HiveServer2替换掉了Hive中的HiveServer2。

集成以后优点如下：
1- 对于SparkSQL来说，可以避免在代码中编写schema信息。直接向MetaStore请求元数据信息
2- 对于SparkSQL来说，多个人可以共用同一套元数据信息，避免每个人对数据理解不同造成代码功能兼容性问题
3- 对于Hive来说，底层执行引擎由之前的MapReduce变成了Spark Core，能够提升运行效率
4- 对于使用者/程序员来说，SparkSQL与Hive集成，对于上层使用者来说，是完全透明的。

2.在代码中集成Hive

from pyspark import SparkConf, SparkContext
import os
from pyspark.sql import SparkSession

# 绑定指定的Python解释器
os.environ['SPARK_HOME'] = '/export/server/spark'
os.environ['PYSPARK_PYTHON'] = '/root/anaconda3/bin/python3'
os.environ['PYSPARK_DRIVER_PYTHON'] = '/root/anaconda3/bin/python3'

if __name__ == '__main__':
    # 1- 创建SparkSession对象
    """
        spark.sql.warehouse.dir：告诉Spark数据存储在什么地方。默认使用本地磁盘进行存储。推荐使用HDFS
        hive.metastore.uris：告诉Spark元数据信息去什么地方找MetaStore
        enableHiveSupport()：开启SparkSQL和Hive的集成
    """
    spark = SparkSession.builder\
        .config("spark.sql.warehouse.dir","hdfs://node1:8020/user/hive/warehouse")\
        .config("hive.metastore.uris","thrift://node1.itcast.cn:9083")\
        .appName('sparksql_hive')\
        .master('local[*]')\
        .enableHiveSupport()\
        .getOrCreate()

    # 2- 数据输入
    # 3- 数据处理
    # 4- 数据输出
    spark.sql("show databases").show()

    spark.sql("""
        select 
            *
        from day07.student
        where id>=2
    """).show()

    # 5- 释放资源
    spark.stop()

?总结：
spark.sql.warehouse.dir: 告知Spark，数据表存放的地方。推荐使用HDFS进行存储。如果不配置，默认使用本地磁盘存储。
hive.metastore.uris: 告知Spark，MetaStore元数据管理服务的连接信息
enableHiveSupport() : 开启Spark和Hive的集成

?