DataFrame编程

DataFrame编程全解析：结构化数据处理的核心抽象

DataFrame 是 Spark SQL 的核心抽象，它将关系型数据库的结构化查询能力与 Spark 的分布式计算能力相结合，为开发者提供了高效、灵活的数据处理方式。本文将深入探讨 DataFrame 的创建、转换、操作及性能优化，帮助你全面掌握这一强大工具。

DataFrame 基础概念与核心特性

DataFrame 与 RDD 的本质区别

特性	RDD	DataFrame
数据结构	无 schema，仅存储对象集合	有 schema，明确列名和类型
优化机制	依赖手动优化，缺乏查询分析	自动优化执行计划（Catalyst 优化器）
计算方式	基于函数式编程（map、filter 等）	基于关系代数（select、join、groupBy）
序列化方式	对象序列化，开销大	列式存储（如 Parquet），节省空间
适用场景	非结构化数据（如日志、文本）	结构化数据（如数据库表、CSV）

Schema 元信息的重要性

Schema 定义了 DataFrame 各列的名称和类型，使 Spark 能够：

• 优化内存使用：通过列式存储和类型推断，减少内存占用；
• 加速查询执行：直接定位所需列，避免全量扫描；
• 提供类型安全：编译时检查列名和类型，提前发现错误。

DataFrame 的创建与转换

创建 DataFrame 的主要方式

从文件数据源读取

支持 CSV、JSON、Parquet、ORC 等多种格式：

// 读取 JSON 文件  
val jsonDF = spark.read.json("path/to/data.json")  

// 读取 CSV 文件（带表头，自动推断类型）  
val csvDF = spark.read  
  .option("header", "true")  
  .option("inferSchema", "true")  
  .csv("path/to/data.csv")  

// 读取 Parquet 文件（Spark 默认格式）  
val parquetDF = spark.read.parquet("path/to/data.parquet")  

从 RDD 转换

需通过 toDF() 方法或手动指定 Schema：

// 方式一：使用样例类（Case Class）自动推断 Schema  
case class Person(name: String, age: Int)  
val personRDD = sc.parallelize(Seq(  
  Person("Alice", 25),  
  Person("Bob", 30)  
))  
val personDF = personRDD.toDF()  // 自动使用样例类字段名作为列名  

// 方式二：手动指定 Schema  
val rdd = sc.parallelize(Seq(  
  (1, "Alice"),  
  (2, "Bob")  
))  
val df = rdd.toDF("id", "name")  // 手动指定列名  

// 方式三：通过 StructType 定义复杂 Schema  
import org.apache.spark.sql.types._  
val schema = StructType(Seq(  
  StructField("id", IntegerType, nullable = false),  
  StructField("name", StringType, nullable = true),  
  StructField("info", MapType(StringType, StringType), nullable = true)  
))  
val rowRDD = sc.parallelize(Seq(  
  Row(1, "Alice", Map("city" -> "Beijing", "job" -> "Engineer"))  
))  
val complexDF = spark.createDataFrame(rowRDD, schema)  

从 Hive 表或 JDBC 数据源读取

// 读取 Hive 表（需启用 Hive 支持）  
val hiveDF = spark.table("hive_db.table_name")  

// 读取 JDBC 数据源（如 MySQL）  
val jdbcDF = spark.read  
  .jdbc("jdbc:mysql://localhost/test", "table_name", connectionProperties)  

DataFrame 与 RDD 的互相转换

DataFrame → RDD

DataFrame 转为 RDD 后，每行数据变为 Row 类型：

val rdd = df.rdd  // RDD[Row]  
rdd.foreach(row => {  
  val id = row.getInt(0)  // 通过索引访问列（从 0 开始）  
  val name = row.getString(1)  
})  

RDD → DataFrame

通过 toDF() 或 createDataFrame() 方法：

// 方式一：简单转换（需导入隐式转换）  
import spark.implicits._  
val df = rdd.toDF("col1", "col2")  

// 方式二：复杂 Schema 转换  
val df = spark.createDataFrame(rdd, schema)  

DataFrame 的常用操作

基本查询操作

数据展示与 Schema 查看

df.show(10)  // 显示前 10 行（默认 20 行）  
df.printSchema()  // 打印 Schema 结构  
df.columns  // 获取列名数组  
df.count()  // 统计行数  

列选择与过滤

// 选择列（等价于 SQL 的 SELECT）  
df.select("name", "age").show()  

// 过滤行（等价于 SQL 的 WHERE）  
df.filter($"age" > 18).show()  // 使用 $"列名" 语法  
df.where("age > 18 AND gender = 'F'").show()  // 直接写 SQL 表达式  

数据排序与聚合

// 排序  
df.sort($"age".desc).show()  // 按年龄降序排列  

// 聚合（等价于 SQL 的 GROUP BY）  
df.groupBy("gender")  
  .agg(avg("age"), sum("salary"))  // 计算各性别平均年龄和总薪资  
  .show()  

表连接与集合操作

表连接（Join）

val employeesDF = spark.read.parquet("employees")  
val departmentsDF = spark.read.parquet("departments")  

// 内连接  
employeesDF.join(departmentsDF, "dept_id").show()  

// 左外连接  
employeesDF.join(departmentsDF, Seq("dept_id"), "left_outer").show()  

// 多条件连接  
employeesDF.join(  
  departmentsDF,  
  employeesDF("dept_id") === departmentsDF("id") &&  
  employeesDF("year") === departmentsDF("founded_year")  
).show()  

集合操作

val df1 = spark.createDataFrame(Seq((1, "A"), (2, "B"))).toDF("id", "name")  
val df2 = spark.createDataFrame(Seq((2, "B"), (3, "C"))).toDF("id", "name")  

df1.union(df2).show()  // 并集（包含重复行）  
df1.union(df2).distinct().show()  // 并集（去重）  
df1.intersect(df2).show()  // 交集  
df1.except(df2).show()  // 差集（df1 有但 df2 没有的）  

与 SQL 的结合使用

创建临时视图

df.createTempView("people")  // 创建临时视图（Session 级别）  
df.createGlobalTempView("people")  // 创建全局临时视图（跨 Session）  

// 查询全局临时视图时需加前缀  
spark.sql("SELECT * FROM global_temp.people").show()  

执行 SQL 查询

// 复杂查询示例  
val resultDF = spark.sql("""  
  SELECT gender, AVG(age) AS avg_age, COUNT(*) AS count  
  FROM people  
  WHERE age > 18  
  GROUP BY gender  
  HAVING count > 100  
  ORDER BY avg_age DESC  
""")  

DataFrame 的高级特性与优化

列表达式与函数

Spark SQL 提供丰富的内置函数（如字符串、数学、日期等）：

import org.apache.spark.sql.functions._  

// 字符串操作  
df.select(concat($"firstName", lit(" "), $"lastName").as("fullName")).show()  

// 日期操作  
df.select(year($"birthDate"), month($"birthDate")).show()  

// 自定义聚合函数  
val myAverage = new MyAverageUDAF()  // 自定义 UDAF 实现  
df.groupBy("dept").agg(myAverage($"salary")).show()  

性能优化技巧

缓存频繁使用的 DataFrame

df.cache()  // 缓存到内存（等价于 persist(StorageLevel.MEMORY_ONLY)）  
df.persist(StorageLevel.MEMORY_AND_DISK)  // 内存不足时溢写到磁盘  

分区控制

// 重新分区  
df.repartition(10)  // 增加或减少分区数  
df.repartition($"deptId")  // 按列值哈希分区（提升 join 性能）  
df.coalesce(5)  // 合并分区（减少数据移动）  

谓词下推（Predicate Pushdown）

确保过滤条件尽早应用，减少数据传输：

// 正确方式：先过滤后 join  
val filteredDF = df.filter($"age" > 18)  
val joinedDF = filteredDF.join(otherDF, "id")  

// 错误方式：先 join 后过滤（数据传输量大）  
val joinedDF = df.join(otherDF, "id")  
val filteredJoinedDF = joinedDF.filter($"age" > 18)  

数据写入与存储格式

写入文件

// 写入 Parquet（推荐格式）  
df.write.parquet("path/to/output.parquet")  

// 写入 CSV  
df.write  
  .option("header", "true")  
  .csv("path/to/output.csv")  

// 写入 JSON  
df.write.json("path/to/output.json")  

写入模式控制

df.write  
  .mode("append")  // 追加模式（默认）  
  // .mode("overwrite")  // 覆盖模式  
  // .mode("ignore")    // 表存在则忽略  
  // .mode("error")     // 表存在则报错（默认）  
  .parquet("path/to/output")  

DataFrame 与 Dataset 的对比

特性	DataFrame	Dataset
类型安全	否（Row 类型，运行时检查）	是（编译时检查）
适用语言	所有语言（Scala、Java、Python、R）	仅 Scala 和 Java
性能	高（依赖 Catalyst 优化）	更高（类型信息优化代码生成）
使用场景	通用结构化数据处理	需类型安全的复杂领域对象处理