十分钟了解分布式计算:GraphX

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GraphX原型论文

GraphX是Spark中用于图(e.g., Web-Graphs and Social Networks)和图并行计算(e.g., PageRank and Collaborative Filtering)的API,可以认为是GraphLab(C++)和Pregel(C++)在Spark(Scala)上的重写及优化，跟其他分布式图计算框架相比，GraphX最大的贡献是，在Spark之上提供一栈式数据解决方案，可以方便且高效地完成图计算的一整套流水作业。

GraphX最先是伯克利AMPLAB的一个分布式图计算框架项目，后来整合到Spark中成为一个核心组件，这里的内容是基于论文

Xin, Reynold S., et al. "GraphX: Unifying Data-Parallel and Graph-Parallel Analytics." arXiv preprint arXiv:1402.2394 (2014).[PPT] [Talk][Video][GitHub][Hands-on Exercises]

图计算

Graph来描述参数之间的关系，可以自然地做model partition/parallel，传统地用key-value存储参数的方式，可能会损失模型结构信息。

Graphx图处理流水线

Graphx是Spark生态中的非常重要的组件，融合了图并行以及数据并行的优势，虽然在单纯的计算机段的性能相比不如GraphLab等计算框架，但是如果从整个图处理流水线的视角（图构建，图合并，最终结果的查询）看，那么性能就非常具有竞争性了。

两种视图

GraphX通过引入Resilient Distributed Property Graph（一种点和边都带属性的有向多图）扩展了Spark RDD这种抽象数据结构，这种Property Graph拥有两种Table和Graph两种视图（及视图对应的一套API），而只有一份物理存储。
Table视图将图看成Vertex Property Table和Edge Property Table等的组合，这些Table继承了Spark RDD的API(fiter,map等)。
Graph视图上包括reverse/subgraph/mapV(E)/joinV(E)/mrTriplets等操作。结合pagerank和社交网络的实例看看mrTriplets（最复杂的一个API ）的用法。

优化

点分割：graphx借鉴powerGraph，使用的是vertexcut(点分割)方式存储图。这种存储方式特点是任何一条边只会出现在一台机器上，每个点有可能分布到不同的机器上。当点被分割到不同机器上时，是相同的镜像，但是有一个点作为主点(master),其他的点作为虚点(ghost)，当点B的数据发生变化时,先更新点B的master的数据，然后将所有更新好的数据发送到B的ghost所在的所有机器，更新B的ghost。这样做的好处是在边的存储上是没有冗余的，而且对于某个点与它的邻居的交互操作，只要满足交换律和结合律，比如求邻居权重的和，求点的所有边的条数这样的操作，可以在不同的机器上并行进行，只要把每个机器上的结果进行汇总就可以了，网络开销也比较小。代价是每个点可能要存储多份，更新点要有数据同步开销。
Routing Table：vertex Table中的一个partition对应着Routing Table中的一个partition，Routing Table指示了一个vertex会涉及到哪些Edge Table partition。
Caching for Iterative mrTriplets&Indexing Active Edges：在迭代的后期，只有很少的点有更新，因此对没有更新的点使用local cached能够大幅降低通信所耗。
Join Elimination：例如在PR计算中，一个点值的更新只跟邻居的值有关，而跟它本身的值无关，那么在mrTriplets计算中，就不需要Vertex Table和Edge Table的3-way join，而只需要2-way join。此外，还有一些Index和Data Reuse的查询优化。

性能

GraphX整体上比GraphLab慢2-3倍，有两方面的原因：1）GraphX跑在JVM上，没有C++快是显然的 2)GraphLab不受Spark框架的限制，可以通过Threads来共享内存，而GraphX就算在同一台机器上都有communication cost，“GraphX have to go through the full network stack even communicating between patrition on the same machine.”
GraphX在超大规模数据下，Runtime的增长比GraphLab要慢，scalability要好一些。
从整个图计算Pipeline来说，GraphX的总体Runtime少于GraphLab+Spark。

社交网络实验

Graph Analytics With GraphX

GraphX Programming Guide

代码量

杂谈

GraphX论文的作者Joseph Gonzalez在今年ICML上做了关于大规模机器学习系统对比的报告
Spark的GraphX是从表到图、允许图与表的交互，GraphLab也认识到表对图的重要性，在其Python包GraphLab Create里提供SFrame，即基于表的图表示，该图表示数据存在于HDFS，S3或直接从URL读取，支持Tb级的数据（虽然不大，比PyData和R强），提供基于表的groupby aggregation/joins/user defined transformations/append等API, 功能和语法类似于pandas- and R- dataframes。