一、概述

Spark Streaming是对核心Spark API的一个扩展，它能够实现对实时数据流的流式处理，并具有很好的可扩展性、高吞吐量和容错性。Spark Streaming支持从多种数据源提取数据，如：Kafka、Flume、Twitter、ZeroMQ、Kinesis以及TCP套接字，并且可以提供一些高级API来表达复杂的处理算法，如：map、reduce、join和window等。最后，Spark Streaming支持将处理完的数据推送到文件系统、数据库或者实时仪表盘中展示。实际上，你完全可以将Spark的机器学习（machine learning） 和 图计算（graph processing）的算法应用于Spark Streaming的数据流当中。

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二、Spark Streaming基本原理

1）官方文档对Spark Streaming的原理解读

Spark Streaming从实时数据流接入数据，再将其划分为一个个小批量供后续Spark engine处理，所以实际上，Spark Streaming是按一个个小批量来处理数据流的。下图展示了Spark Streaming的内部工作原理：

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Spark Streaming为这种持续的数据流提供了的一个高级抽象，即：<font color="red">discretized stream（离散数据流）或者叫DStream</font>。DStream既可以从输入数据源创建得来，如：Kafka、Flume或者Kinesis，也可以从其他DStream经一些算子操作得到。其实在内部，一个DStream就是包含了一系列RDDs。

2）框架执行流程

下面将从更细粒度架构角度看Spark Streaming的执行原理，这里先回顾一下Spark框架执行流程。

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Spark计算平台有两个重要角色，Driver和executor，不论是Standlone模式还是Yarn模式，都是Driver充当Application的master角色，负责任务执行计划生成和任务分发及调度；executor充当worker角色，负责实际执行任务的task，<font color="red">计算的结果返回Driver</font>。

下图是Driver和Ececutor的执行流程。

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Driver负责生成逻辑查询计划、物理查询计划和把任务派发给executor，executor接受任务后进行处理，离线计算也是按这个流程进行。

• DAGScheduler：负责将Task拆分成不同Stage的具有依赖关系（包含RDD的依赖关系）的多批任务，然后提交给TaskScheduler进行具体处理。
• TaskScheduler：负责实际每个具体Task的物理调度执行。

下面看Spark Streaming实时计算的执行流程：

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• 从整体上看，实时计算与离线计算一样，主要组件是Driver和Executor的。不同的是多了数据采集和数据按时间分片过程，数据采集依赖外部数据源，这里用MessageQueue表示，数据分片则依靠内部一个时钟Clock，按batch interval来定时对数据分片，然后把每一个batch interval内的数据提交处理。
• Executor从MessageQueue获取数据并交给BlockManager管理，然后把元数据信息BlockID返给driver的Receiver Tracker，driver端的Job Jenerator对一个batch的数据生成JobSet，最后把作业执行计划传递给executor处理。

三、Spark Streaming核心API

SparkStreaming完整的API包括StreamingContext、DStream输入、DStream上的各种操作和动作、DStream输出、窗口操作等。

1）StreamingContext

为了初始化Spark Streaming程序，必须创建一个StreamingContext对象，该对象是Spark Streaming所有流操作的主要入口。一个StreamingContext对象可以用SparkConf对象创建：

import org.apache.spark.*;
import org.apache.spark.api.java.function.*;
import org.apache.spark.streaming.*;
import org.apache.spark.streaming.api.java.*;
import scala.Tuple2;

// Create a local StreamingContext with two working thread and batch interval of 1 second
SparkConf conf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName("NetworkWordCount");
JavaStreamingContext jssc = new JavaStreamingContext(conf, Durations.seconds(1));

2）DStream输入

DStream输入表示从数据源获取的原始数据流。每个输入流DStream和一个接收器(receiver)对象相关联，这个Receiver从源中获取数据，并将数据存入内存中用于处理。

Spark Streaming有两类数据源：

• 基本源(basic source)：在StreamingContext API中直接可用的源头，例如文件系统、套接字连接、Akka的actor等。
• 高级源(advanced source)：包括 Kafka、Flume、Kinesis、Tiwtter等，他们需要通过额外的类来使用。

3）DStream的转换

和RDD类似，transformation用来对输入DStreams的数据进行转换、修改等各种操作，当然，DStream也支持很多在Spark RDD的transformation算子。

4）DStream的输出

和RDD类似，Spark Streaming允许将DStream转换后的结果发送到数据库、文件系统等外部系统中。目前，定义了Spark Streaming的输出操作：

5）窗口操作

Spark Streaming 还提供窗口计算，允许您在数据的滑动窗口上应用转换。下图说明了这个滑动窗口：

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如图所示，每次窗口滑过一个源 DStream 时，落入窗口内的源 RDD 被组合并操作以产生窗口化 DStream 的 RDD。在这种特定情况下，该操作应用于最后 3 个时间单位的数据，并滑动 2 个时间单位。这说明任何窗口操作都需要指定两个参数。

• windowLength：窗口的持续时间（图中 3）。
• slideInterval ：执行窗口操作的间隔（图中为 2）。
  一些常见的窗口操作如下。所有这些操作都采用上述两个参数 - windowLength和slideInterval。

更多操作详情，请参考官方文档：https://spark.apache.org/docs/latest/streaming-programming-guide.html

四、Spark下一代实时计算框架Structured Streaming

1）简介

从Spark 2.0开始，Spark Streaming引入了一套新的流计算编程模型：Structured Streaming，开发这套API的主要动因是自Spark 2.0之后，以RDD为核心的API逐步升级到Dataset/DataFrame上，而另一方面，以RDD为基础的编程模型对开发人员的要求较高，需要有足够的编程背景才能胜任Spark Streaming的编程工作，而新引入的Structured Streaming模型是把数据流当作一个没有边界的数据表来对待，这样开发人员可以在流上使用Spark SQL进行流处理，这大大降低了流计算的编程门槛。

下图为Structure Streaming逻辑数据结构图：

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这里以wordcount为例的计算过程如下图：

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图中Time横轴是时间轴，随着时间，在1、2、3秒分别输入数据，进入wordcount算法计算聚合，输出结果。更对关于Structure Streaming可以参考官网：https://spark.apache.org/docs/latest/structured-streaming-programming-guide.html

2） Spark streaming 和 Spark Structured Streaming的对比

Spark Streaming

• Spark Streaming是spark最初的流处理框架，使用了微批的形式来进行流处理。

• 提供了基于RDDs的Dstream API，每个时间间隔内的数据为一个RDD，源源不断对RDD进行处理来实现流计算。

• Spark Streaming采用微批的处理方法，微批终究是批。每一个批处理间隔的为一个批，也就是一个RDD，我们对RDD进行操作就可以源源不断的接收、处理数据。

Spark Structured Streaming

• Spark 2.X出来的流框架，采用了无界表的概念，流数据相当于往一个表上不断追加行。

• 基于Spark SQL引擎实现，可以使用大多数Spark SQL的function。

• Structured Streaming将实时数据当做被连续追加的表。流上的每一条数据都类似于将一行新数据添加到表中。

3）对比其它实时计算框架

为了展示结构化流的独特之处，下表将其与其他几个系统进行了比较。正如我们所讨论的，Structured Streaming 对前缀完整性的强大保证使其等同于批处理作业，并且易于集成到更大的应用程序中。此外，在 Spark 上构建可以与批处理和交互式查询集成。

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• 从延迟看：Storm和Flink原生支持流计算，对每条记录处理，毫秒级延迟，是真正的实时计算，对延迟要求较高的应用建议选择这两种。Spark Streaming的延迟是秒级。Flink是目前最火的实时计算引擎，也是公司用的最多的实时计算引擎，出来的晚，但是发展迅猛。

• 从容错看 ：Spark Streaming和Flink都支持最高的exactly-once容错级别，Storm会有记录重复计算的可能

• 从吞吐量看 ：Spark Streaming是小批处理，故吞吐量会相对更大。

• 从成熟度看： Storm最成熟，Spark其次，Flink处于仍处于发展中，这三个项目都有公司生产使用，但毕竟开源项目，项目越不成熟，往往越要求公司大数据平台研发水平。

• 从整合性看：Storm与SQL、机器学习和图计算的结合复杂性最高；而Spark和Flink都有生态圈内对应的SQL、机器学习和图计算，与这些项目结合更容易。

【参考资料】

• http://spark.apache.org/docs/latest/streaming-programming-guide.html

• http://spark.apache.org/docs/latest/structured-streaming-programming-guide.html

• https://databricks.com/blog/2017/04/26/processing-data-in-apache-kafka-with-structured-streaming-in-apache-spark-2-2.html

• https://databricks.com/blog/2016/07/28/structured-streaming-in-apache-spark.html