YARN容量调度器详解：如何提升集群效率至极致

# 1. YARN容量调度器概述

YARN（Yet Another Resource Negotiator）是Hadoop的一个子项目，它是为了解决原始Hadoop模型中资源管理和任务调度的不足而设计的。容量调度器（Capacity Scheduler）是YARN中用于集群资源管理和任务调度的一种调度器。它允许将资源分配给多个组织，为用户提供保证，使得用户可以预测其应用将获得多少资源。

容量调度器的主要优势在于它的灵活性和资源隔离性。它支持将集群资源划分为多个队列，并允许集群管理员根据需求对队列的资源使用进行限制。这使得不同部门或项目可以在共享同一集群资源的同时，各自的资源使用仍得到保障。

在本章节中，我们将对容量调度器进行概览，探讨它如何与YARN架构结合，以及它是如何在大规模分布式计算环境中管理资源和调度任务的。接下来的章节将深入探讨其理论基础、配置实践、高级应用以及未来的发展方向。

# 2. YARN容量调度器的理论基础

## 2.1 YARN架构与资源管理

### 2.1.1 YARN核心组件简介

Apache Hadoop YARN是Apache Hadoop的一个子项目，它的全称是Yet Another Resource Negotiator。YARN的核心设计理念是将资源管理和任务调度/监控分离开来。在YARN架构中，主要组件包括资源管理器（ResourceManager），节点管理器（NodeManager），和应用程序历史服务器（ApplicationHistoryServer）。

资源管理器是YARN集群的主节点，负责整个系统的资源调度和分配。它由两个关键部分构成：调度器（Scheduler）和应用程序管理器（ApplicationManager）。调度器负责将集群资源分配给应用程序，并不涉及应用程序的运行状态。而应用程序管理器负责接收用户提交的作业，为作业启动ApplicationMaster，并监控ApplicationMaster的运行状态。

节点管理器运行在每个集群节点上，负责监控节点资源使用情况，以及管理容器的生命周期。它还负责处理来自资源管理器的命令，比如启动或停止容器。

应用程序历史服务器负责记录应用程序的运行历史，这使得用户可以查看应用程序历史记录，甚至在应用程序完成后，依然能够检索输出结果。

### 2.1.2 YARN资源模型

YARN的资源模型是基于资源容器（Container）的概念。Container封装了某个节点上的一定量的资源，如内存和CPU核心。每个应用程序通过它的ApplicationMaster向资源管理器请求一定数量的Container资源。这些资源一旦被分配，应用程序就可以在这些Container中运行任务。

YARN的资源模型是高度灵活的，这允许YARN支持各种类型的应用程序，不仅仅是MapReduce。应用程序根据需要申请内存和CPU资源，这使得YARN能够高效地使用集群资源。

## 2.2 容量调度器的工作原理

### 2.2.1 调度器的调度策略

容量调度器（CapacityScheduler）是YARN中默认的调度器之一，它允许在一个集群中运行多个应用程序，并在它们之间共享资源。它通过维护队列的方式管理资源，并通过队列来隔离不同应用程序或组织的资源需求。

容量调度器使用了一种称为“容量保证”的调度策略。这意味着每个队列都有一个最小资源保证，可以为队列里的应用提供这些资源，而当集群有空余资源时，其他队列的应用可以使用剩余资源。

除了容量保证之外，容量调度器还使用了负载加权调度策略，这允许队列权重的定义，以便更公平地分配资源。这意味着，即使有些队列的资源需求没有完全满足，容量调度器仍然可以将剩余资源分配给其他队列。

### 2.2.2 资源分配机制

资源分配机制定义了如何将集群中的资源分配给等待资源的应用程序。容量调度器使用多级反馈队列（Multilevel Feedback Queue）模型来管理应用程序的资源请求。

当一个应用程序请求资源时，容量调度器首先查看请求队列是否有足够的资源。如果没有足够的资源，请求将被放置在队列的等待队列中，等待资源被释放。一旦队列中有足够的资源，就会根据定义好的优先级和策略来为应用程序分配资源。

容量调度器还考虑了资源的动态分配。当集群中的资源发生变化时（例如，节点失败或应用程序完成），容量调度器会重新评估所有排队的请求，并根据当前的集群状态进行资源的重新分配。

## 2.3 容量调度器的配置参数详解

### 2.3.1 核心参数的作用与配置

容量调度器的配置参数众多，其中一些核心参数对调度器的行为有重要影响。例如，`yarn.scheduler.capacity.maximum-applications`参数限制了单个队列中可以同时运行的应用程序数量。另一个重要的参数是`yarn.scheduler.capacity.root.queuename.capacity`，它定义了根队列在集群中所能使用的最大资源百分比。

要修改这些参数，通常需要编辑YARN配置文件`yarn-site.xml`。例如，若要增加队列的容量，可以添加如下配置：

<property>
  <name>yarn.scheduler.capacity.root.default.capacity</name>
  <value>50</value>
</property>

这个例子将默认队列的容量设置为集群总容量的50%。

### 2.3.2 高级参数的优化策略

高级参数可以用来进行更精细的资源分配和调度控制。例如，`yarn.scheduler.capacity.node-locality-delay`参数定义了应用程序可以等待本地资源的时间，以优化数据局部性和减少网络传输。

一个高级优化策略是利用YARN的动态资源管理能力。可以通过设置`yarn.scheduler.capacity.resource-calculator`参数，来定义资源计算策略，这影响到资源的分配方式。例如，使用`org.apache.hadoop.yarn.util.resource.DominantResourceCalculator`会优先考虑每个节点上的主导资源（内存或CPU）。

<property>
  <name>yarn.scheduler.capacity.resource-calculator</name>
  <value>org.apache.hadoop.yarn.util.resource.DominantResourceCalculator</value>
</property>

这样配置后，容量调度器将优化主导资源的分配，从而提升应用性能和集群效率。

# 3. YARN容量调度器的配置实践

## 3.1 容量调度器的初始化配置

### 3.1.1 配置文件的结构和内容

YARN容量调度器通过一系列的配置文件来控制其行为，这些文件定义了资源的分配方式、调度策略和集群的容量管理。这些配置文件通常包括`capacity-scheduler.xml`，位于YARN的配置目录`$HADOOP_CONF_DIR`下。

下面是`capacity-scheduler.xml`文件中常见的一些配置项及其作用：

<configuration>
    <!-- 全局设置 -->
    <property>
        <name>yarn.scheduler.capacity.root.queuename.capacity</name>
        <value>100</value>
        <description>设置根队列的容量百分比</description>
    </property>

    <!-- 队列容量设置 -->
    <property>
        <name>yarn.scheduler.capacity.root.queuename.maximum-capacity</name>
        <value>100</value>
        <description>设置根队列的最大容量百分比</description>
    </property>

    <!-- 调度策略 -->
    <property>
        <name>yarn.scheduler.capacity.root.queuename.scheduler-class</name>
        <value>org.apache.hadoop.yarn.server.resourcemanager.scheduler.capacity.CapacityScheduler</value>
        <description>指定调度器类，这里是容量调度器</description>
    </property>

    <!-- ...其他配置项... -->
</configuration>

### 3.1.2 调度器的启动与验证

配置文件编辑完毕后，需要重启YARN服务以使新的配置生效。在Hadoop集群中，这通常意味着重启ResourceManager（RM）和NodeManager（NM）服务。

# 重启ResourceManager服务
$ yarn rmadmin -refreshQueues

# 重启所有NodeManager服务
$ mapred --daemon stop all
$ mapred --daemon start all

重启服务后，需要通过YARN的Resource Manager Web界面来验证配置是否正确应用。默认情况下，访问`***`，其中`RM_HOST`是ResourceManager的主机名或IP地址。

## 3.2 调度策略的定制与应用

### 3.2.1 FIFO、公平调度与容量调