DataFrame,SparkSQL-轻识

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来源：子雨大数据

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内容：运行原理，RDD设计，DAG，安装与使用

第4章 DataFrame,SparkSQL

4.1 Spark SQL简介
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（1）、从Shark说起

Shark的设计导致了两个问题：

一是执行计划优化完全依赖于Hive，不方便添加新的优化策略；

二是因为Spark是线程级并行，而MapReduce是进程级并行，因此，Spark在兼容Hive的实现上存在线程安全问题，导致Shark不得不使用另外一套独立维护的打了补丁的Hive源码分支。

（2）、Spark SQL设计

Spark SQL的架构如图16-12所示，在Shark原有的架构上重写了逻辑执行计划的优化部分，解决了Shark存在的问题。Spark SQL在Hive兼容层面仅依赖HiveQL解析和Hive元数据，也就是说，从HQL被解析成抽象语法树（AST）起，就全部由Spark SQL接管了。Spark SQL执行计划生成和优化都由Catalyst（函数式关系查询优化框架）负责。

Spark SQL增加了SchemaRDD（即带有Schema信息的RDD），使用户可以在Spark SQL中执行SQL语句，数据既可以来自RDD，也可以来自Hive、HDFS、Cassandra等外部数据源，还可以是JSON格式的数据。Spark SQL目前支持Scala、Java、Python三种语言，支持SQL-92规范。从Spark1.2 升级到Spark1.3以后，Spark SQL中的SchemaRDD变为了DataFrame，DataFrame相对于SchemaRDD有了较大改变,同时提供了更多好用且方便的API，如图16-13所示。

Spark SQL可以很好地支持SQL查询，一方面，可以编写Spark应用程序使用SQL语句进行数据查询，另一方面，也可以使用标准的数据库连接器（比如JDBC或ODBC）连接Spark进行SQL查询，这样，一些市场上现有的商业智能工具（比如Tableau）就可以很好地和Spark SQL组合起来使用，从而使得这些外部工具借助于Spark SQL也能获得大规模数据的处理分析能力。

4.2 DataFrame与RDD的区别
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从上面的图中可以看出DataFrame和RDD的区别：

（1）RDD是分布式的 Java对象的集合，比如，RDD[Person]是以Person为类型参数，但是，Person类的内部结构对于RDD而言却是不可知的。

（2）DataFrame是一种以RDD为基础的分布式数据集，也就是分布式的Row对象的集合（每个Row对象代表一行记录），提供了详细的结构信息，也就是我们经常说的模式（schema），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。

和RDD一样，DataFrame的各种变换操作也采用惰性机制，只是记录了各种转换的逻辑转换路线图（是一个DAG图），不会发生真正的计算，这个DAG图相当于一个逻辑查询计划，最终，会被翻译成物理查询计划，生成RDD DAG，按照之前介绍的RDD DAG的执行方式去完成最终的计算得到结果。

4.3 DataFrame的创建
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首先，请找到样例数据。 Spark已经为我们提供了几个样例数据，就保存在“主目录/resources/”这个目录下，这个目录下有两个样例数据people.json和people.txt。

people.json文件的内容如下：

{"name":"Michael"}{"name":"Andy", "age":30}{"name":"Justin", "age":19}

people.txt文件的内容如下：

Michael, 29Andy, 30Justin, 19

下面我们就介绍如何从people.json文件中读取数据并生成DataFrame并显示数据（从people.txt文件生成DataFrame需要后面将要介绍的另外一种方式）。

(1)、引入 pyspark 库

# 引入 pyspark 库from pyspark.sql import SparkSession

(2)、SparkSession 导入数据

spark=SparkSession.builder.getOrCreate()df = spark.read.json("../resources/people.json")df.show()

+----+-------+| age|   name|+----+-------+|null|Michael||   30|   Andy||   19| Justin|+----+-------+

(3)、SparkSession 常用操作介绍

# 打印模式信息df.printSchema()

root |-- age: long (nullable = true) |-- name: string (nullable = true)

# 选择多列，并对 age+1df.select(df.name,df.age + 1).show()

+-------+---------+|   name|(age + 1)|+-------+---------+|Michael|     null||   Andy|       31|| Justin|       20|+-------+---------+

# 条件过滤,筛选出 age > 20 的数据df.filter(df.age > 20 ).show()

+---+----+|age|name|+---+----+| 30|Andy|+---+----+

# 分组聚合，分组统计df.groupBy("age").count().show()

+----+-----+| age|count|+----+-----+|  19|    1||null|    1||  30|    1|+----+-----+

# 分组聚合，分组求和df.groupBy("age").sum().show()

+----+--------+| age|sum(age)|+----+--------+|  19|      19||null|    null||  30|      30|+----+--------+

# 排序## 递降df.sort(df.age.desc()).show()## 递增df.sort(df.age.asc()).show()

+----+-------+| age|   name|+----+-------+|  30|   Andy||  19| Justin||null|Michael|+----+-------+
+----+-------+| age|   name|+----+-------+|null|Michael||  19| Justin||  30|   Andy|+----+-------+

#多列排序df.sort(df.age.desc(), df.name.asc()).show()

+----+-------+| age|   name|+----+-------+|  30|   Andy||  19| Justin||null|Michael|+----+-------+

#对列进行重命名df.select(df.name.alias("username"),df.age).show()

+--------+----+|username| age|+--------+----+| Michael|null||    Andy|  30||  Justin|  19|+--------+----+

4.4 从RDD转换得到DataFrame
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Spark官网提供了两种方法来实现从RDD转换得到DataFrame：

第一种方法是，利用反射来推断包含特定类型对象的RDD的schema，适用对已知数据结构的RDD转换；

第二种方法是，使用编程接口，构造一个schema并将其应用在已知的RDD上。

from pyspark.sql.types import Rowfrom pyspark import SparkContextsc = SparkContext( 'local', 'test')

from pyspark.sql import SparkSessionspark = SparkSession(sc)

def f(x):    rel = {}    rel['name'] = x[0]    rel['age'] = x[1]    return rel
peopleRDD = sc.textFile("../resources/people.txt").map(lambda line : line.split(',')).map(lambda x: Row(**f(x)))
peopleDF = peopleRDD.toDF()

peopleDF.createOrReplaceTempView("people")  #必须注册为临时表才能供下面的查询使用
personsDF = spark.sql("select * from people")personsDF.show()personsDF.rdd.map(lambda t : "Name:"+t[0]+","+"Age:"+t[1]).collect()

+---+-------+|age|   name|+---+-------+| 29|Michael|| 30|   Andy|| 19| Justin|+---+-------+
['Name: 29,Age:Michael', 'Name: 30,Age:Andy', 'Name: 19,Age:Justin']

(2)、使用编程方式定义RDD模式

使用createDataFrame(rdd, schema)编程方式定义RDD模式。

from pyspark.sql.types import Rowfrom pyspark.sql.types import StructTypefrom pyspark.sql.types import StructFieldfrom pyspark.sql.types import StringTypefrom pyspark import SparkContextsc = SparkContext( 'local', 'test')from pyspark.sql import SparkSessionspark = SparkSession(sc)

# 生成 RDDpeopleRDD = sc.textFile("../resources/people.txt")
# 定义一个模式字符串schemaString = "name age"
# 根据模式字符串生成模式fields = list(map( lambda fieldName : StructField(fieldName, StringType(), nullable = True), schemaString.split(" ")))schema = StructType(fields)# 从上面信息可以看出，schema描述了模式信息，模式中包含name和age两个字段

rowRDD = peopleRDD.map(lambda line : line.split(',')).map(lambda attributes : Row(attributes[0], attributes[1]))

在上面的代码中，peopleRDD.map(lambda line : line.split(‘,’))作用是对people这个RDD中的每一行元素都进行解析。比如，people这个RDD的第一行是：

    Michael, 29

peopleDF = spark.createDataFrame(rowRDD, schema)

# 必须注册为临时表才能供下面查询使用peopleDF.createOrReplaceTempView("people")

results = spark.sql("SELECT * FROM people")results.rdd.map( lambda attributes : "name: " + attributes[0]+","+"age:"+attributes[1]).collect()

['name: Michael,age: 29', 'name: Andy,age: 30', 'name: Justin,age: 19']

这行内容经过peopleRDD.map(lambda line : line.split(‘,’)).操作后，就得到一个集合{Michael,29}。后面经过map(lambda attributes : Row(attributes[0], attributes[1]))操作时，这时的p就是这个集合{Michael,29}，这时p[0]就是Micheael，p[1]就是29，map(lambda attributes : Row(attributes[0], attributes[1]))就会生成一个Row对象，这个对象里面包含了两个字段的值，这个Row对象就构成了rowRDD中的其中一个元素。因为people有3行文本，所以，最终，rowRDD中会包含3个元素，每个元素都是org.apache.spark.sql.Row类型。实际上，Row对象只是对基本数据类型（比如整型或字符串）的数组的封装，本质就是一个定长的字段数组。 peopleDF = spark.createDataFrame(rowRDD, schema)，这条语句就相当于建立了rowRDD数据集和模式之间的对应关系，从而我们就知道对于rowRDD的每行记录，第一个字段的名称是schema中的“name”，第二个字段的名称是schema中的“age”。

(3)、把RDD保存成文件

这里介绍如何把RDD保存成文本文件，后面还会介绍其他格式的保存。

1) 第一种保存方式

peopleDF = spark.read.format("json").load("../resources/people.json")
peopleDF.select("name", "age").write.format("csv").save("../resources/newpeople.csv")

可以看出，这里使用select(“name”, “age”)确定要把哪些列进行保存，然后调用write.format(“csv”).save ()保存成csv文件。在后面小节中，我们还会介绍其他保存方式。

另外，write.format()支持输出 json,parquet, jdbc, orc, libsvm, csv, text等格式文件，如果要输出文本文件，可以采用write.format(“text”)，但是，需要注意，只有select()中只存在一个列时，才允许保存成文本文件，如果存在两个列，比如select(“name”, “age”)，就不能保存成文本文件。

可以看到 resources 这个目录下面有个newpeople.csv文件夹（注意，不是文件），这个文件夹中包含下面两个文件：

    part-r-00000-33184449-cb15-454c-a30f-9bb43faccac1.csv 
    _SUCCESS

不用理会_SUCCESS这个文件，只要看一下part-r-00000-33184449-cb15-454c-a30f-9bb43faccac1.csv这个文件，可以用vim编辑器打开这个文件查看它的内容，该文件内容如下：

    Michael,
    Andy,30
    Justin,19

因为people.json文件中，Michael这个名字不存在对应的age，所以，上面第一行逗号后面没有内容。

如果我们要再次把newpeople.csv中的数据加载到RDD中，可以直接使用newpeople.csv目录名称，而不需要使用part-r-00000-33184449-cb15-454c-a30f-9bb43faccac1.csv 文件，如下：

textFile = sc.textFile("../resources/newpeople.csv")textFile.collect()

['Michael,""', 'Andy,30', 'Justin,19']

2) 第二种保存方式

进入pyspark执行下面命令：

peopleDF = spark.read.format("json").load("../resources/people.json")peopleDF.rdd.saveAsTextFile("../resources/newpeople.txt")

可以看出，我们是把DataFrame转换成RDD，然后调用saveAsTextFile()保存成文本文件。在后面小节中，我们还会介绍其他保存方式。

可以看到 resources 这个目录下面有个 newpeople.txt 文件夹（注意，不是文件），这个文件夹中包含下面两个文件：

    part-00000  
    _SUCCESS

不用理会_SUCCESS这个文件，只要看一下part-00000这个文件，可以用vim编辑器打开这个文件查看它的内容，该文件内容如下：

    [null,Michael]
    [30,Andy]
    [19,Justin]

如果我们要再次把newpeople.txt中的数据加载到RDD中，可以直接使用newpeople.txt目录名称，而不需要使用part-00000文件，如下：

textFile = sc.textFile("../resources/newpeople.txt")textFile.collect()

["Row(age=None, name='Michael')", "Row(age=30, name='Andy')", "Row(age=19, name='Justin')"]

DataFrame,SparkSQL

(1)、 引入 pyspark 库