2021年大数据Spark（二十四）：SparkSQL数据抽象
SparkSQL数据抽象
DataFrame
引入
就易用性而言，对比传统的MapReduce API，Spark的RDD API有了数量级的飞跃并不为过。然而，对于没有MapReduce和函数式编程经验的新手来说，RDD API仍然存在着一定的门槛。
另一方面，数据科学家们所熟悉的R、Pandas等传统数据框架虽然提供了直观的API，却局限于单机处理，无法胜任大数据场景。
为了解决这一矛盾，Spark SQL 1.3.0在原有SchemaRDD的基础上提供了与R和Pandas风格类似的DataFrame API。
新的DataFrame AP不仅可以大幅度降低普通开发者的学习门槛，同时还支持Scala、Java与Python三种语言。更重要的是，由于脱胎自SchemaRDD，DataFrame天然适用于分布式大数据场景。
注意:
DataFrame它不是Spark SQL提出来的，而是早期在R、Pandas语言就已经有了的。
DataFrame是什么
在Spark中，DataFrame是一种以RDD为基础的分布式数据集，类似于传统数据库中的二维表格。DataFrame与RDD的主要区别在于，前者带有schema元信息，即DataFrame所表示的二维表数据集的每一列都带有名称和类型。
使得Spark SQL得以洞察更多的结构信息，从而对藏于DataFrame背后的数据源以及作用于DataFrame之上的变换进行针对性的优化，最终达到大幅提升运行时效率。反观RDD，由于无从得知所存数据元素的具体内部结构，Spark Core只能在stage层面进行简单、通用的流水线优化。
上图中左侧的RDD[Person]虽然以Person为类型参数，但Spark框架本身不了解Person类的内部结构。而中间的DataFrame却提供了详细的结构信息，使得Spark SQL可以清楚地知道该数据集中包含哪些列，每列的名称和类型各是什么。了解了这些信息之后，Spark SQL的查询优化器就可以进行针对性的优化。后者由于在编译期有详尽的类型信息，编译期就可以编译出更加有针对性、更加优化的可执行代码。官方定义：
- Dataset：A DataSet is a distributed collection of data. (分布式的数据集)
- DataFrame： A DataFrame is a DataSet organized into named columns.（以列（列名，列类型，列值）的形式构成的分布式的数据集，按照列赋予不同的名称）
DataFrame有如下特性：
1）、分布式的数据集，并且以列的方式组合的，相当于具有schema的RDD；
2）、相当于关系型数据库中的表，但是底层有优化；
3）、提供了一些抽象的操作，如select、filter、aggregation、plot；
4）、它是由于R语言或者Pandas语言处理小数据集的经验应用到处理分布式大数据集上；
5）、在1.3版本之前，叫SchemaRDD；
Schema 信息
查看DataFrame中Schema是什么，执行如下命令：
df.schema
Schema信息封装在StructType中，包含很多StructField对象，源码。
StructType 定义，是一个样例类，属性为StructField的数组
StructField 定义，同样是一个样例类，有四个属性，其中字段名称和类型为必填
自定义Schema结构，官方提供的示例代码：
Row
DataFrame中每条数据封装在Row中，Row表示每行数据
如何构建Row对象：要么是传递value，要么传递Seq，官方实例代码：
import org.apache.spark.sql._
// Create a Row from values.
Row(value1, value2, value3, ...)
// Create a Row from a Seq of values.
Row.fromSeq(Seq(value1, value2, ...))方式一：下标获取，从0开始，类似数组下标获取如何获取Row中每个字段的值呢？？？？
方式二：指定下标，知道类型
方式三：通过As转换类型
Dataset
引入
Spark在Spark 1.3版本中引入了Dataframe，DataFrame是组织到命名列中的分布式数据集合，但是有如下几点限制：
- 编译时类型不安全：
- Dataframe API不支持编译时安全性，这限制了在结构不知道时操纵数据。
- 以下示例在编译期间有效。但是，执行此代码时将出现运行时异常。
- 无法对域对象（丢失域对象）进行操作：
- 将域对象转换为DataFrame后，无法从中重新生成它；
- 下面的示例中，一旦我们从personRDD创建personDF，将不会恢复Person类的原始RDD（RDD [Person]）；
基于上述的两点，从Spark 1.6开始出现Dataset，至Spark 2.0中将DataFrame与Dataset合并，其中DataFrame为Dataset特殊类型，类型为Row。
针对RDD、DataFrame与Dataset三者编程比较来说，Dataset API无论语法错误和分析错误在编译时都能发现，然而RDD和DataFrame有的需要在运行时才能发现。
此外RDD与Dataset相比较而言，由于Dataset数据使用特殊编码，所以在存储数据时更加节省内存。
总结：
Dataset是在Spark1.6中添加的新的接口，是DataFrame API的一个扩展，是Spark最新的数据抽象，结合了RDD和DataFrame的优点。
与RDD相比：保存了更多的描述信息，概念上等同于关系型数据库中的二维表；
与DataFrame相比：保存了类型信息，是强类型的，提供了编译时类型检查，调用Dataset的方法先会生成逻辑计划，然后被Spark的优化器进行优化，最终生成物理计划，然后提交到集群中运行；
Dataset 是什么
Dataset是一个强类型的特定领域的对象，这种对象可以函数式或者关系操作并行地转换。
从Spark 2.0开始，DataFrame与Dataset合并，每个Dataset也有一个被称为一个DataFrame的类型化视图，这种DataFrame是Row类型的Dataset，即Dataset[Row]。
Dataset API是DataFrames的扩展，它提供了一种类型安全的，面向对象的编程接口。它是一个强类型，不可变的对象集合，映射到关系模式。在数据集的核心 API是一个称为编码器的新概念，它负责在JVM对象和表格表示之间进行转换。表格表示使用Spark内部Tungsten二进制格式存储，允许对序列化数据进行操作并提高内存利用率。Spark 1.6支持自动生成各种类型的编码器，包括基本类型（例如String，Integer，Long），Scala案例类和Java Bean。
针对Dataset数据结构来说，可以简单的从如下四个要点记忆与理解：
Spark 框架从最初的数据结构RDD、到SparkSQL中针对结构化数据封装的数据结构DataFrame，最终使用Dataset数据集进行封装，发展流程如下。
所以在实际项目中建议使用Dataset进行数据封装，数据分析性能和数据存储更加好。
面试题：如何理解RDD、DataFrame和Dataset
SparkSQL中常见面试题：如何理解Spark中三种数据结构RDD、DataFrame和Dataset关系？
- RDD：
- RDD（Resilient Distributed Datasets）叫做弹性分布式数据集，是Spark中最基本的数据抽象，源码中是一个抽象类，代表一个不可变、可分区、里面的元素可并行计算的集合。
- 编译时类型安全，但是无论是集群间的通信，还是IO操作都需要对对象的结构和数据进行序列化和反序列化，还存在较大的GC的性能开销，会频繁的创建和销毁对象。
- DataFrame：
- 与RDD类似，DataFrame是一个分布式数据容器，不过它更像数据库中的二维表格，除了数据之外，还记录这数据的结构信息（即schema）。
- DataFrame也是懒执行的，性能上要比RDD高（主要因为执行计划得到了优化）。
- 由于DataFrame每一行的数据结构一样，且存在schema中，Spark通过schema就能读懂数据，因此在通信和IO时只需要序列化和反序列化数据，而结构部分不用。
- Spark能够以二进制的形式序列化数据到JVM堆以外（off-heap：非堆）的内存，这些内存直接受操作系统管理，也就不再受JVM的限制和GC的困扰了。但是DataFrame不是类型安全的。
- Dataset：
- Dataset是DataFrame API的一个扩展，是Spark最新的数据抽象，结合了RDD和DataFrame的优点。
- DataFrame=Dataset[Row]（Row表示表结构信息的类型），DataFrame只知道字段，但是不知道字段类型，而Dataset是强类型的，不仅仅知道字段，而且知道字段类型。
- 样例类CaseClass被用来在Dataset中定义数据的结构信息，样例类中的每个属性名称直接对应到Dataset中的字段名称。
- Dataset具有类型安全检查，也具有DataFrame的查询优化特性，还支持编解码器，当需要访问非堆上的数据时可以避免反序列化整个对象，提高了效率。
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