Giraph源代码分析（九）—— Aggregators 原理解析
Giraph中Aggregator的基本使用方法请參考官方文档：http://giraph.apache.org/aggregators.html 。本文重点在解析Giraph怎样实现Aggregators，后文用图示的方法描写叙述了Aggregator的运行过程。
基本原理：在每一个超级步中，每一个Worker计算本地的聚集值。
超级步计算完毕后，把本地的聚集值发送给Master汇总。在MasterCompute()运行后，把全局的聚集值回发给全部的Workers。
缺点：当某个应用（或算法）使用了多个聚集器（Aggregators），Master要完毕全部聚集器的计算。由于Master要接受、处理、发送大量的数据，不管是在计算方面还是网络通信层次，都会导致Master成为系统瓶颈。
改进：採用分片聚集 (sharded aggregators) . 在每一个超级步的后。每一个聚集器被派发给一个Worker。该Worker接受和聚集其它Workers发送给该聚集器的值。
然后Workers把自己的全部的聚集器发送给Master。这样Master就无需运行不论什么聚集，仅仅是接收每一个聚集器的终于值。在MasterCompute.compute运行后，Master不是直接把全部的聚集器发送给全部的Workers，而是发送给聚集器所属的Worker。然后每一个Worker再把其上的聚集器发送给全部的Workers.
首先给出Master <-- > Worker间， Worker <--> Worker间通信协议，在每一个类中的doRequest(ServerData serverData)方法中会解析并存储收到的消息。
1). org.apache.giraph.comm.requests.SendWorkerAggregatorsRequest 类 . Worker --> Worker Owner
功能：每一个worker把当前超步的局部 aggregated values 发送到该Aggregator的拥有者。
2). org.apache.giraph.comm.requests.SendAggregatorsToMasterRequest 类. Worker Owner--> Master
功能：每一个Worker把自己所拥有的Aggregator的终于 aggregated values 发送给 master。
3). org.apache.giraph.comm.requests.SendAggregatorsToOwnerRequest 类. Master --> Worker Owner.
功能：master把终于的 aggregated values 或aggregators 发送给该Aggregator的拥有者。
4). org.apache.giraph.comm.requests.SendAggregatorsToWorkerRequest 类。 Worker Owner--> Worker
功能： 发送终于的 aggregated values 到 其它workers。发送者为该Aggregator的拥有者。接受者为除发送者之外的全部workers。
Aggregator分类和 注冊
Giraph中把Aggregator分为两类：regular aggregators和persistent aggregators。
regular aggregators的值在每一个超级步開始会被重置为初始值，然而persistent aggregators的值在整个应用（算法）中一直保持。
举例来说。若LongSumAggregator在每一个顶点的compute()方法中加1。假设使用regular aggregators，在每一个超级步中就能够读取前一个超级步的參与计算的顶点总数；假设使用persistent aggregators，就能够获取前面全部超级步中參与计算的顶点总和。
在使用aggregator之前，必需要在mastes上Registering aggregators。做法：继承org.apache.giraph.master.DefaultMasterCompute类，重写 void initalize() 方法。
在该方法中注冊aggregators。语法例如以下：
registerAggregator(aggregatorName, aggregatorClass)
registerPersistentAggregator(aggregatorName, aggregatorClass)
说明：MasterCompute.initalize()方法仅仅在第 INPUT_SUPERSTEP (-1) 超级步中运行一次。详细在 BSPServiceMaster.runMasterCompute(long superstep)方法中。在MasterCompute.compute()方法中，能够使用下述方法读取或改动聚集器的值。
getAggregatedValue(aggregatorName) //获取前一个超级步的聚集器值
setAggregatedValue(aggregatorName, aggregatedValue) //改动聚集器的值
MasterCompute.compute()总是在Vertex.compute()前运行。 因为第 INPUT_SUPERSTEP （ -1）个超级步进行的是数据的载入和重分布过程，不计算Vertex.compute()。第0个超级步Vertex.compute()又是在MasterCompute.compute()方法后运行。故对第 -1 、 0个超级步MasterCompute.compute()方法中获得的聚集器值均为其初始值。从第1个超级步開始。MasterCompute.compute()方法才获得了全部Vertex.compute()在第0个超级步聚集的值。
1. 从第0个超级步開始。BspServiceMaster调用MasterAggregatorHandler类的finishSuperStep(MasterClient masterClient) 方法把聚集器派发给Worker。聚集器的value为上一个超级步的全局聚集值（final aggregated values）。次为初始值。先给出MasterAggregatorHandler的类继承关系。例如以下：
finishSuperStep(MasterClient masterClient) 方法核心内容例如以下：
/**
* Finalize aggregators for current superstep and share them with workers
*/
public void finishSuperstep(MasterClient masterClient) {
for (AggregatorWrapper<Writable> aggregator : aggregatorMap.values()) {
if (aggregator.isChanged()) {
// if master compute changed the value, use the one he chose
aggregator.setPreviousAggregatedValue(
aggregator.getCurrentAggregatedValue());
// reset aggregator for the next superstep
aggregator.resetCurrentAggregator();
}
}
/**
* 把聚集器发送给所属的Worker。发送内容：
* 1). Name of the aggregator
* 2). Class of the aggregator
* 3). Value of the aggretator
*/
try {
for (Map.Entry<String, AggregatorWrapper<Writable>> entry :
aggregatorMap.entrySet()) {
masterClient.sendAggregator(entry.getKey(),
entry.getValue().getAggregatorClass(),
entry.getValue().getPreviousAggregatedValue());
}
masterClient.finishSendingAggregatedValues();
} catch (IOException e) {
throw new IllegalStateException("finishSuperstep: " +
"IOException occurred while sending aggregators", e);
}
}问题1：怎样确定aggregator的Worker Owner ？
答：依据aggregator的Name来确定它所属的Worker。计算方法例如以下：
/**
* 依据aggregatorName和全部的workers列表来计算aggregator所属的Worker
* 參数aggregatorName：Name of the aggregator
* 參数workers： Workers的list列表
* 返回值：Worker which owns the aggregator
*/
public static WorkerInfo getOwner(String aggregatorName,List<WorkerInfo> workers) {
//用aggregatorName的HashCode()值模以 Workers的总数目
int index = Math.abs(aggregatorName.hashCode() % workers.size());
return workers.get(index); //返回aggregator所属的Worker
}问题2：Worker 怎样推断自身是否接收完自己所拥有的aggregators？
答：Master给某个Worker发送aggregators时。同一时候发送到该Worker的aggregators数目。使用的 SendAggregatorsToOwnerRequest类对消息进行封装和解析。
2. Worker接受Master发送的Aggregator，Worker把接收到的聚集体值发送给其它全部Workers，然后每一个Workers就会得到上一个超级步的全局聚集值。
由前文知道，每一个Worker都有一个ServerData对象，ServerData类中关于Aggregator的两个成员变量例如以下：
// 保存Worker在当前超步拥有的aggregators private final OwnerAggregatorServerData ownerAggregator; // 保存前一个超步的aggregators private final AllAggregatorServerData allAggregatorData;
能够看到，ownerAggregatorData用来存储在当前超步Master发送给Worker的聚集器，allAggregatorData用来保存上一个超级步全局的聚集值。ownerAggregatorData和allAggregatorData值的初始化在SendAggregatorsToOwnerRequest 类中的doRequest(ServerData serverData)方法中，例如以下：
public void doRequest(ServerData serverData) {
DataInput input = getDataInput();
AllAggregatorServerData aggregatorData = serverData.getAllAggregatorData();
try {
//收到的Aggregators数目。在CountingOutputStream类中有计数器counter，
//每向输出流中加入一个聚集器对象，计数加1. 发送时，在flush方法中把该值插入到输出流前面。
int numAggregators = input.readInt();
for (int i = 0; i < numAggregators; i++) {
String aggregatorName = input.readUTF();
String aggregatorClassName = input.readUTF();
if (aggregatorName.equals(AggregatorUtils.SPECIAL_COUNT_AGGREGATOR)) {
LongWritable count = new LongWritable(0);
//Master发送给该Worker的requests总数目.
count.readFields(input);
aggregatorData.receivedRequestCountFromMaster(count.get(),
getSenderTaskId());
} else {
Class<Aggregator<Writable>> aggregatorClass =
AggregatorUtils.getAggregatorClass(aggregatorClassName);
aggregatorData.registerAggregatorClass(aggregatorName,
aggregatorClass);
Writable aggregatorValue =
aggregatorData.createAggregatorInitialValue(aggregatorName);
aggregatorValue.readFields(input);
//把收到的上一次全局聚集的值赋值给allAggregatorData
aggregatorData.setAggregatorValue(aggregatorName, aggregatorValue);
//ownerAggregatorData仅仅接受聚集器
serverData.getOwnerAggregatorData().registerAggregator(
aggregatorName, aggregatorClass);
}
}
} catch (IOException e) {
throw new IllegalStateException("doRequest: " +
"IOException occurred while processing request", e);
}
//接受一个 request,计数减1。同一时候把收到的Data加入到allAggregatorServerData的List<byte[]> masterData中
aggregatorData.receivedRequestFromMaster(getData());
}
每一个Worker在開始计算前。会调用BspServiceWorker类的prepareSuperStep()方法来进行聚集器值的派发和接受其它Workers发送的聚集器值。调用关系例如以下：
BspServiceWorker类的prepareSuperStep()方法例如以下：
@Override
public void prepareSuperstep() {
if (getSuperstep() != INPUT_SUPERSTEP) {
/*
* aggregatorHandler为WorkerAggregatorHandler类型,
* 可參考上文中MasterAggregatorHandler的类继承关系.
* workerAggregatorRequestProcessor声明为WorkerAggregatorRequestProcessor（接口）
* 类型，实际为NettyWorkerAggregatorRequestProcessor的实例。
* 用于Worker间发送聚集器的值。
*/
aggregatorHandler.prepareSuperstep(workerAggregatorRequestProcessor);
}
}
WorkerAggregatorHandler类的prepareSuperstep( WorkerAggregatorRequestProcessor requestProcessor)方法例如以下：
public void prepareSuperstep(WorkerAggregatorRequestProcessor requestProcessor) {
AllAggregatorServerData allAggregatorData =
serviceWorker.getServerData().getAllAggregatorData();
/**
* 等待直到Master发送给该Worker的聚集器都已接受完，
* 返回值为Master发送给该Worker的全部Data（聚集器）
*/
Iterable<byte[]> dataToDistribute =
allAggregatorData.getDataFromMasterWhenReady(
serviceWorker.getMasterInfo());
// 把从Master收到的Data（聚集器）发送给其它全部Workers
requestProcessor.distributeAggregators(dataToDistribute);
// 等待直到接受完其它Workers发送给该Workers的聚集器
allAggregatorData.fillNextSuperstepMapsWhenReady(
getOtherWorkerIdsSet(), previousAggregatedValueMap,
currentAggregatorMap);
// 仅仅是清空allAggregatorServerData的List<byte[]> masterData对象
// 为下一个超级步接受Master发送的聚集器做准备
allAggregatorData.reset();
}以下详述Worker怎样判定已接收全然部Master发送的全部Request ？ 主要目的在于描写叙述分布式环境下线程间怎样协作。
在AllAggregatorServerData类中定义了TaskIdsPermitBarrier类型的变量masterBarrier，用来推断是否接收完Master发送的Request. TaskIdsPermitBarrier类中主要使用wait()、notifyAll()等方法来控制。当获得的aggregatorName等于AggregatorUtils.SPECIAL_COUNT_AGGREGATOR时，会调用requirePermits(long permits,int taskId)来添加接收的arrivedTaskIds和须要等待的request数目waitingOnPermits. 接受一个Request
/**
* Require more permits. This will increase the number of times permits
* were required. Doesn't wait for permits to become available.
*
* @param permits Number of permits to require
* @param taskId Task id which required permits
*/
public synchronized void requirePermits(long permits, int taskId) {
arrivedTaskIds.add(taskId);
waitingOnPermits += permits;
notifyAll();
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