02 | 性能调优的本质：调优的手段五花八门，该从哪里入手？
你好，我是吴磊。
上节课，我们探讨了性能调优的必要性，结论是：尽管Spark自身运行高效，但作为开发者，我们仍然需要对应用进行性能调优。
那么问题来了，性能调优该怎么做呢？面对成百上千行应用代码、近百个Spark配置项，我们该从哪里入手呢？我认为，要想弄清性能调优怎么入手，必须先得搞明白性能调优的本质是什么。
所以今天这节课，咱们就从一个先入为主的调优反例入手，带你一起探讨并归纳性能调优的本质是什么，最终帮你建立起系统化的性能调优方法论。
先入为主的反例
在典型的ETL场景中，我们经常需要对数据进行各式各样的转换，有的时候，因为业务需求太复杂，我们往往还需要自定义UDF（User Defined Functions）来实现特定的转换逻辑。但是，无论是Databricks的官方博客，还是网上浩如烟海的Spark技术文章，都警告我们尽量不要自定义UDF来实现业务逻辑，要尽可能地使用Spark内置的SQL functions。
在日常的工作中，我发现这些警告被反复地用于Code review中，Code reviewer在审查代码的时候，一旦遇到自定义的UDF，就提示开发的同学用SQL functions去重写业务逻辑，这几乎成了一种条件反射。
甚至，开发的同学也觉得非常有道理。于是，他们花费大量时间用SQL functions重构业务代码。但遗憾的是，这么做之后ETL作业端到端的执行性能并没有什么显著的提升。这种情况就是所谓的投入时间与产出不成正比的窘境：调优的时间没少花，却没啥效果。
之所以会出现这种情况，我觉得主要原因在于Code reviewer对于性能调优的理解还停留在照本宣科的层次，没有形成系统化的方法论。要建立系统化的方法论，我们就必须去探究性能调优的本质到底是什么。否则，开发者就像是掉进迷宫的小仓鼠，斗志昂扬地横冲直撞，但就是找不到出口。
既然性能调优的本质这么重要，那么它到底是什么呢？
性能调优的本质
探究任何一个事物的本质，都离不开从个例观察、现象归因到总结归纳的过程。
咱们不妨先来分析分析上面的反例，为什么用SQL functions重构UDF并没有像书本上说的那么奏效？
是因为这条建议本身就不对吗？肯定不是。通过对比查询计划，我们能够明显看到UDF与SQL functions的区别。Spark SQL的Catalyst Optimizer能够明确感知SQL functions每一步在做什么，因此有足够的优化空间。相反，UDF里面封装的计算逻辑对于Catalyst Optimizer来说就是个黑盒子，除了把UDF塞到闭包里面去，也没什么其他工作可做的。
那么，是因为UDF相比SQL functions其实并没有性能开销吗？也不是。我们可以做个性能单元测试，从你的ETL应用中随意挑出一个自定义的UDF，尝试用SQL functions去重写，然后准备单元测试数据，最后在单机环境下对比两种不同实现的运行时间。通常情况下，UDF实现相比SQL functions会慢3%到5%不等。所以你看，UDF的性能开销还是有的。
既然如此，我们在使用SQL functions优化UDF的时候，为什么没有显著提升端到端ETL应用的整体性能呢？
根据木桶理论，最短的木板决定了木桶的容量，因此，对于一只有短板的木桶，其他木板调节得再高也无济于事，最短的木板才是木桶容量的瓶颈。对于ETL应用这支木桶来说，UDF到SQL functions的调优之所以对执行性能的影响微乎其微，根本原因在于它不是那块最短的木板。换句话说，ETL应用端到端执行性能的瓶颈不是开发者自定义的UDF。
结合上面的分析，性能调优的本质我们可以归纳为4点。
- 性能调优不是一锤子买卖，补齐一个短板，其他板子可能会成为新的短板。因此，它是一个动态、持续不断的过程。
- 性能调优的手段和方法是否高效，取决于它针对的是木桶的长板还是瓶颈。针对瓶颈，事半功倍；针对长板，事倍功半。
- 性能调优的方法和技巧，没有一定之规，也不是一成不变，随着木桶短板的此消彼长需要相应的动态切换。
- 性能调优的过程收敛于一种所有木板齐平、没有瓶颈的状态。
基于对性能调优本质的理解，我们就能很好地解释日常工作中一些常见的现象。比如，我们经常发现，明明是同样一种调优方法，在你那儿好使，在我这儿却不好使。再比如，从网上看到某位Spark大神呕心沥血总结的调优心得，你拿过来一条一条地试，却发现效果并没有博客中说的那么显著。这也并不意味着那位大神的最佳实践都是空谈，更可能是他总结的那些点并没有触达到你的瓶颈。
定位性能瓶颈的途径有哪些？
你可能会问：“既然调优的关键在于瓶颈，我该如何定位性能瓶颈呢？”我觉得，至少有两种途径：一是先验的专家经验，二是后验的运行时诊断。下面，我们一一来看。
所谓专家经验是指在代码开发阶段、或是在代码Review阶段，凭借过往的实战经验就能够大致判断哪里可能是性能瓶颈。显然，这样的专家并不好找，一名开发者要经过大量的积累才能成为专家，如果你身边有这样的人，一定不要放过他！
但你也可能会说：“我身边要是有这样的专家，就不用来订阅这个专栏了。”没关系，咱们还有第二种途径：运行时诊断。
运行时诊断的手段和方法应该说应有尽有、不一而足。比如：对于任务的执行情况，Spark UI提供了丰富的可视化面板，来展示DAG、Stages划分、执行计划、Executor负载均衡情况、GC时间、内存缓存消耗等等详尽的运行时状态数据；对于硬件资源消耗，开发者可以利用Ganglia或者系统级监控工具，如top、vmstat、iostat、iftop等等来实时监测硬件的资源利用率；特别地，针对GC开销，开发者可以将GC log导入到JVM可视化工具，从而一览任务执行过程中GC的频率和幅度。
对于这两种定位性能瓶颈的途径来说，专家就好比是老中医，经验丰富、火眼金睛，往往通过望、闻、问、切就能一眼定位到瓶颈所在；而运行时诊断更像是西医中的各种检测仪器和设备，如听诊器、X光、CT扫描仪，需要通过量化的指标才能迅速定位问题。二者并无优劣之分，反而是结合起来的效率更高。就像一名医术高超、经验丰富的大夫，手里拿着你的血液化验和B超结果，对于病灶的判定自然更有把握。
你可能会说：“尽管有这两种途径，但是就瓶颈定位来说，我还是不知道具体从哪里切入呀！”结合过往的调优经验，我认为，从硬件资源消耗的角度切入，往往是个不错的选择。我们都知道，从硬件的角度出发，计算负载划分为计算密集型、内存密集型和IO密集型。如果我们能够明确手中的应用属于哪种类型，自然能够缩小搜索范围，从而更容易锁定性能瓶颈。
不过，在实际开发中，并不是所有负载都能明确划分出资源密集类型。比如说，Shuffle、数据关联这些数据分析领域中的典型场景，它们对CPU、内存、磁盘与网络的要求都很高，任何一个环节不给力都有可能形成瓶颈。因此，就性能瓶颈定位来说，除了从硬件资源的视角出发，我们还需要关注典型场景。
性能调优的方法与手段
假设，通过运行时诊断我们成功地定位到了性能瓶颈所在，那么，具体该如何调优呢？Spark性能调优的方法和手段丰富而又庞杂，如果一条一条地去罗列，不仅看上去让人昏昏欲睡，更不利于形成系统化的调优方法论。就像医生在治疗某个病症的时候，往往会结合内服、外用甚至是外科手术，这样多管齐下的方式来达到药到病除的目的。
因此，在我看来， Spark的性能调优可以从应用代码和Spark配置项这2个层面展开。
应用代码层面指的是从代码开发的角度，我们该如何取舍，如何以性能为导向进行应用开发。在上一讲中我们已经做过对比，哪怕是两份功能完全一致的代码，在性能上也会有很大的差异。因此我们需要知道，开发阶段都有哪些常规操作、常见误区，从而尽量避免在代码中留下性能隐患。
Spark配置项想必你并不陌生，Spark官网上罗列了近百个配置项，看得人眼花缭乱，但并不是所有的配置项都和性能调优息息相关，因此我们需要对它们进行甄别、归类。
总的来说，在日常的调优工作中，我们往往从应用代码和Spark配置项这2个层面出发。所谓：“问题从代码中来，解决问题要到代码中去”，在应用代码层面进行调优，其实就是一个捕捉和移除性能BUG的过程。Spark配置项则给予了开发者极大的灵活度，允许开发者通过配置项来调整不同硬件的资源利用率，从而适配应用的运行时负载。
对于应用代码和Spark配置项层面的调优方法与技巧，以及这些技巧在典型场景和硬件资源利用率调控中的综合运用，我会在《性能篇》逐一展开讲解，从不同层面、不同场景、不同视角出发，归纳出一套调优的方法与心得，力图让你能够按图索骥、有章可循地去开展性能调优。
性能调优的终结
性能调优的本质告诉我们：性能调优是一个动态、持续不断的过程，在这个过程中，调优的手段需要随着瓶颈的此消彼长而相应地切换。那么问题来了，性能调优到底什么时候是个头儿呢？就算是持续不断地，也总得有个收敛条件吧？总不能一直这么无限循环下去。
在我看来，性能调优的最终目的，是在所有参与计算的硬件资源之间寻求协同与平衡，让硬件资源达到一种平衡、无瓶颈的状态。
我们以大数据服务公司Qubole的案例为例，他们最近在Spark上集成机器学习框架XGBoost来进行模型训练，在相同的硬件资源、相同的数据源、相同的计算任务中对比不同配置下的执行性能。
从下表中我们就可以清楚地看到，执行性能最好的训练任务并不是那些把CPU利用率压榨到100%，以及把内存设置到最大的配置组合，而是那些硬件资源配置最均衡的计算任务。
小结
只有理解Spark性能调优的本质，形成系统化的方法论，我们才能避免投入时间与产出不成正比的窘境。
性能调优的本质，我总结为4点：
- 性能调优不是一锤子买卖，补齐一个短板，其他板子可能会成为新的短板。因此，它是一个动态、持续不断的过程；
- 性能调优的手段和方法是否高效，取决于它针对的是木桶的长板还是瓶颈。针对瓶颈，事半功倍；针对长板，事倍功半；
- 性能调优的方法和技巧，没有一定之规，也不是一成不变，随着木桶短板的此消彼长需要相应地动态切换；
- 性能调优的过程收敛于一种所有木板齐平、没有瓶颈的状态。
系统化的性能调优方法论，我归纳为4条：
- 通过不同的途径如专家经验或运行时诊断来定位性能瓶颈；
- 从不同场景（典型场景）、不同视角（硬件资源）出发，综合运用不同层面（应用代码、Spark配置项）的调优手段和方法；
- 随着性能瓶颈的此消彼长，动态灵活地在不同层面之间切换调优方法；
- 让性能调优的过程收敛于不同硬件资源在运行时达到一种平衡、无瓶颈的状态。
每日一练
你还遇到过哪些“照本宣科”的调优手段？
你认为，对于性能调优的收敛状态，即硬件资源彼此之间平衡、无瓶颈的状态，需要量化吗？如何量化呢？
关于性能调优，你还有哪些看法？欢迎在评论区留言，我们下节课见！