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MIT 6.824(Spring 2020) Lab1: MapReduce 文档翻译

首发于公众号：努力学习的阿新

前言

大家好，这里是阿新。

MIT 6.824 是麻省理工大学开设的一门关于分布式系统的明星课程，共包含四个配套实验，实验的含金量很高，十分适合作为校招生的项目经历，在文章《2022 双非应届 CS 硕士校招上岸字节跳动（校招总结）》中，我也将其推荐给了各位读者。但由于课程是全英的，实验说明也是全英的，实验过程中还需要阅读相关的英文文献，很多同学（包括曾经的笔者）受困于英语，对其望而却步。因此，笔者决定开启系列文章：MIT 6.824(Spring 2020)实验文档翻译。来尝试为大家翻译实验的说明文档和相关论文的关键部分，同步更新的还有系列带做文章，以期能够帮助各位读者顺利完成该课程实验。

本文对 MIT 6.824 Lab 1:MapReduce 的说明文档进行了全文翻译。需要注意的是文中的 job 和 task，其中，job 是指整个 MapReduce 计算，表示的是任务整体，而 task 则是指一次 Map/Reduce 调用，表示的是任务局部，一个完整的 MapReduce job 由一些 Map task 和 Reduce task 组成，笔者无法找到两个中文词汇来很好的描述两者之间的关系，因此并未翻译。同时，由于笔者水平有限，如有翻译不恰当的地方还请各位批评指正。

以下为原文翻译。

引言

本实验的目标是引导您构建一个 MapReduce 系统，您需要实现两个程序：worker 和 master。其中 worker 进程负责处理文件读写操作以及调用 Map/Reduce 函数处理 Task。而 master 进程则负责为 worker 进程分配 Task 并处理崩溃的 worker 进程。您构建的系统与MapReduce 论文中所描述的系统类似。

协作政策

除了我们提供给您的代码外，您必须独立完成实验要求的代码。实现过程中杜绝参考其他同学和前几年课程实验的解决方案。允许您与同学讨论，但不允许您抄袭他们的代码。之所以设立这条规则，是因为我们认为只有独立完成实验，您的能力才会得到最大的提升。

请不要公布您的代码，也不要让它被选修 6.824 的学生通过某种方式获取到。github.com中的仓库权限默认是公开的，除非您将仓库权限设为私有，否则请勿用其存储实验代码。保存代码可以使用MIT 的 Github，但请确保您创建的是私有仓库。

软件

本实验（以及 6.824 的其他实验）使用的编程语言是Go语言，如果您不熟悉 Go 语言，其官方网站上有很多教程供您学习。我们将使用 1.13 版本的 Go 语言来评判您的代码，因此您也应该使用这一版本（译者注：笔者所用的 Go 语言版本为 1.17.7，编辑此文章时已经完成了 Lab 2A，无异常）。另外，如果您要查看计算机中已有的 Go 语言版本，可以执行go version命令。

我们推荐您在自己的机器上完成实验，这样您就可以使用您熟悉的环境，比如工具，文本编辑器等。另外，您也可以在 Athena 上完成实验。

macOS

您可以使用Homebrew来安装 Go 语言。安装好 Homebrew 后，执行brew install go命令即可。

Linux

根据您使用的 Linux 发行版，您可以从相应的软件包库中下载最新版的 Go 语言，比如在 Ubuntu 中可以执行apt install golang命令来安装 Go 语言。此外，您还可以从 Go 语言的官方网站中手动下载二进制包。首先，确保您使用的是 64 位的 Linux 内核（uname -a会提示"x86_64 GNU/Linux"），然后执行如下命令即可：

$ wget -qO- https://dl.google.com/go/go1.13.6.linux-amd64.tar.gz | sudo tar xz -C /usr/local

如果是国内的同学，可以执行如下命令：

$ wget -qO- https://studygolang.com/dl/golang/go1.13.6.linux-amd64.tar.gz | sudo tar xz -C /usr/local

需要确保/usr/local/bin在您的环境变量PATH中。

Windows

实验可能无法直接运行于 Windows 上。如果您敢于尝试，可以试试Windows Subsystem for Linux，并执行上述 Linux 命令（译者注：笔者做实验用的是 VSCode+WSL2+Golang 1.17.7，需要注意的是一定要用 WSL2，否则无法使用 VSCode 调试 Go 程序）。否则还是乖乖使用 Athena 吧。

Athena

您可以通过ssh {your kerberos}@athena.dialup.mit.edu命令登录公共 Athena 主机。一旦登录成功，便可通过如下命令获取 1.13 版本的 Go 语言：

$ setup ggo

开始

您将使用git（版本控制系统）拉取实验初始版本代码。如果您不熟悉 git，可以通过查阅Git-Book和Git User Manual自行学习。执行以下命令，即可从远端拉取 6.824 的初始实验代码：

$ git clone git://g.csail.mit.edu/6.824-golabs-2020 6.824
$ cd 6.824
$ ls
Makefile src
$

在src/main/mrsequential.go中，我们为您实现了一个简单的顺序 MapReduce。由于使用的是单进程，因此该程序同一时刻仅能执行一个 Map/Reduce task。此外，我们还为您提供了多组处理不同 task 的 Map/Reduce 应用程序代码：如mrapps/wc.go中包含单词计数所需的 Map/Reduce 方法，mrapps/indexr.go中包含计算文档索引的 Map/Reduce 方法。您可以执行以下命令来运行单词计数的顺序版本 MapReduce：

$ cd ~/6.824
$ cd src/main
$ go build -buildmode=plugin ../mrapps/wc.go
$ rm mr-out*
$ go run mrsequential.go wc.so pg*.txt
$ more mr-out-0
A 509
ABOUT 2
ACT 8
...

mrsequential.go所需的输入数据来自名为pg-xxx.txt的文本文件，输出则保存在文件mr-out-0中。

您可以从mrsequential.go中随意借鉴您需要的代码，同时也可以阅读mrapps/wc.go来了解 MapReduce 的应用程序代码长啥样。

您的任务

您的任务是实现一个分布式的 MapReduce 系统，该系统由两个程序组成：master 和 worker，在系统运行期间共包含一个 master 进程和多个并行运行的 worker 进程。在实际应用的 MapReduce 系统中，worker 进程运行在很多不同的机器上，而在本实验中，您只需要在一台机器上运行它们即可。worker 进程和 master 进程之间使用 RPC 通信。每个 worker 进程需完成以下工作：向 master 进程请求 task，从若干文件中读取输入数据，执行 task，并将 task 的输出写入到若干文件中。master 进程除了为 worker 进程分配 task 外，还需要检查在一定时间内（本实验中为 10 秒）每个 worker 进程是否完成了相应的 task，如果未完成的话则将该 task 转交给其他 worker 进程。

我们为您提供了一些上下文代码。master 程序和 worker 程序的 main 函数入口分别位于main/mrmaster.go和main/mrworker.go中，不要修改这些文件，您应该将您需要实现的代码写在mr/master.go，mr/worker.go和mr/rpc.go中。

下面说明如何运行您写的代码，以单词计数应用程序为例。首先，执行以下命令以确保被构建的单词计数插件是最新版：

$ go build -buildmode=plugin ../mrapps/wc.go

cd 到src/main/中，运行 master 程序：

$ rm mr-out*
$ go run mrmaster.go pg-*.txt

其中pg-*.txt参数是文件路径，这些文件中保存着 master 程序的输入数据；每个文件都可以作为单个 Map task 的输入。

在其他若干窗口中，您可以运行如下命令来执行一个或多个 worker 进程：

$ go run mrworker.go wc.so

当 worker 进程和 master 进程执行完毕后，可以显示 mr-out-*中的内容以查看程序输出。如果您的实验代码没有错误的话，经过排序后的输出结果应与mrsequential.go的输出相同，如下所示：

$ cat mr-out-* | sort | more
A 509
ABOUT 2
ACT 8
...

main/test-mr.sh是我们为您提供的测试脚本。当给定pg-xxx.txt作为输入时，该脚本会检查您实现的 MapReduce 系统对两个不同类型的 Job（单词计数和计算文档索引）是否产生了正确的输出。该脚本也会检查您实现的 MapReduce 系统的 worker 进程在处理 Map task 和 Reduce task 时是否是并行运行的，以及您的系统是否能正确处理发生崩溃的 worker 进程。

如果您现在运行测试脚本，它将会挂起，因为 master 并没有被实现：

$ cd ~/6.824/src/main
$ sh test-mr.sh
*** Starting wc test.

您可以将mr/master.go中Done函数内的ret := false语句修改为 true 来使主程序立刻退出，您将会得到如下输出：

$ sh ./test-mr.sh
*** Starting wc test.
sort: No such file or directory
cmp: EOF on mr-wc-all
--- wc output is not the same as mr-correct-wc.txt
--- wc test: FAIL
$

测试脚本期望对于每个 reduce task，都会生成一个被命名为mr-out-X的输出文件。空的mr/master.go和mr/worker.go不会生成这些文件（也少做了很多其他事情），进而导致测试失败。

当将全部代码实现完毕后，运行测试脚本后的输出应该看起来像这样：

$ sh ./test-mr.sh
*** Starting wc test.
--- wc test: PASS
*** Starting indexer test.
--- indexer test: PASS
*** Starting map parallelism test.
--- map parallelism test: PASS
*** Starting reduce parallelism test.
--- reduce parallelism test: PASS
*** Starting crash test.
--- crash test: PASS
*** PASSED ALL TESTS
$

您也会看到一些来自 Go RPC 包输出的错误，看起来像这样：

2019/12/16 13:27:09 rpc.Register: method "Done" has 1 input parameters; needs exactly three

忽略这些信息即可。

一些规则：

  • map 阶段应将中间键分割为不同的桶（译者注：中间键指的是 MapReduce 论文中的 intermediate key，这句话的意思是将 map Task 的输出以某种形式保存为 reduce 函数能够读取的输入），方便后续nReduce个 reduce task 读取，而nReduce则是main/mrmaster.go传递给MakeMaster的参数；
  • worker 进程应把第 X 个 reduce task 的输出保存到文件mr-out-X中；
  • mr-out-X中每行都应该是调用一次 Reduce 函数的输出，应该按照 Go 语言的"%v %v"的格式生成，也即 key 和 value，如在main/mrsequential.go中注释"this is the correct format"的位置所示。如果您的实现和这一格式相差太多，测试脚本将会执行失败；
  • 您需要修改的文件为：mr/worker.go，mr/master.go和mr/rpc.go。尽管您可以暂时地修改其他文件来辅助您测试，但请确保其他文件被还原为初始状态（原始版本）后您的程序仍能正常工作，我们将会使用原始版本的代码进行评判；
  • woker 进程应该将 Map 函数的输出（intermediate key）保存在当前目录的文件中，使得后续 worker 进程可以读取它们并将其作为 Reduce task 的输入；
  • 当 MapReduce Job 被计算完毕后，main/mrmaster.go希望您实现的mr/master.go中的Done()方法会返回 true。这样mrmaster.go就能知道 Job 已经顺利完成，进程即可退出；
  • 当 MapReduce job 被做完后，worker 进程就应该退出。实现这一功能的一种笨方法就是令 woker 程序检查call()函数的返回值：如果 woker 进程无法和 master 进程通信，那么 worker 进程就可以认为整个 Job 已经全被做完了，自己也就可以退出了。当然是否这么做还是要取决于您的设计，您也可以设计一个”please exit“的伪任务，当 worker 进程收到这一任务，就自动退出（译者注：笔者就是这么做的，看起来更优雅一些）。

提示

  • 如果您觉得无从下手，可以从修改mr/worker.go中的Worker()函数开始，在函数中首先实现以下逻辑：向 master 发送 RPC 来请求 task。然后修改 master：将文件名作为尚未开始的 map task 响应给 worker。然后修改 worker：读取文件并像mrsequential.go程序一样，调用 Map 方法来处理读取的数;

  • MapReduce 应用程序的 Map/Reduce 函数被保存在以.so结尾的文件中，在运行时使用 Go plugin 包读取；

  • 如果您改变了mr/文件夹中的文件，并且该文件也被用到，那您需要将该文件使用类似于go build -buildmode=plugin ../mrapps/wc.go的命令重新编译成 MapReduce 插件；

  • 本实验要求 worker 进程使用同一个文件系统，因此所有的 worker 进程必须运行于一台机器上。如果想要让 worker 程序运行在不同的机器上，那您需要为他们提供一个全局的文件系统，比如 GFS；

  • 一个命名中间文件的合理形式是mr-X-Y，其中 X 是 Map task 的编号，Y 是 Reduce task 编号；

  • worker 程序处理 Map task 的代码中需要一种将中间键值对存储为文件的方式，也需要一种在处理 Reduce task 时能从文件中正确读回键值对的方式。一种可能的实现是使用 Go 语言的encoding/json包。将键值对写入 JSON 文件的代码如下：

      enc := json.NewEncoder(file)
  for _, kv := ... {
      err := enc.Encode(&kv)

    从 JSON 文件中读回键值对的代码如下：

      dec := json.NewDecoder(file)
  for {
      var kv KeyValue
      if err := dec.Decode(&kv); err != nil {
          break
      }
      kva = append(kva, kv)
  }

  • 在 worker 中处理 map Task 的部分，对于一个给定键，您可以使用ihash(key)函数（在worker.go中）来选择它属于哪一个 reduce task；

  • 您可以将mrsequential.go中一些功能的代码拿来直接用，比如：读取 map task 的输入文件，在调用 Map 方法和调用 Reduce 方法之间对中间键值对进行排序，以及存储 Reduce 函数的输出到文件。

  • 作为一个 RPC 服务器，master 进程将是并发的，因此不要忘记给共享资源加锁。

  • 可以执行命令go build -race和go run -race来使用 Go 语言的 race detector，在test.sh中有一条注释为您展示如何为测试开启 race detector；

  • worker 进程有时需要等待，比如在最后一个 map task 处理完之前，worker 不能开始对 reduce task 的处理。实现这一功能的一种可能方案是 worker 进程周期性的向 master 请求 task，在每次请求间使用time.Sleep()阻塞一段时间。另一种可能的方案是 master 在收到 rpc 请求后额外开启一个 RPC 处理线程，在这个线程中执行循环等待（也可以使用time.Sleep()和sync.Cond），这样使得阻塞的 RPC 不会影响 master 响应其他 RPC；

  • master 进程无法可靠的区分崩溃的 worker 进程、活着但因某些原因停止运行的 worker 进程和正在运行但太慢导致无法使用的 worker 进程。这一问题最好的解决方案是令 master 等待一段时间，如果某个 worker 进程在这段时间（在本实验中，这段时间被设置为 10 秒）内没有完成相应的 task，就放弃继续等待并将该 task 重新分配给其他 worker。之后，master 应该假设这个 worker 进程已经死亡了（当然，它可能还活着）；

  • 为了测试容错，您可以使用mrapps/crash.go插件，它在 Map 和 Reduce 函数中增加了随机退出功能；

  • 为了确保没人能看到被崩溃进程写了一半的文件，MapReduce 论文提到了一个小技巧，那就是使用临时文件，一旦该文件完全写完，就自动重命名。您可以使用ioutil.TempFile创建临时文件，并使用os.Rename去自动重命名它。

  • test-mr.sh将会在子目录mr-tmp中运行所有的进程，因此如果有错误发生并且您想查看中间输出文件的话，可以查看这一目录中的文件。

提交步骤

使用命令make lab1命令打包您的实验代码并将其上传到班级的提交网站，其网址为：https://6824.scripts.mit.edu/2020/handin.py/。

第一次提交时您可能需要通过以下方式之一进行登录：1. 使用您的 MIT 证书；2. 通过 email 申请一个 API key。一旦登录成功，您的 API key（XXX）将会被显示，在控制台中输入以下命令上传 lab1 时会用到这一 API key：

$ cd ~/6.824
$ echo XXX > api.key
$ make lab1

提示：您可能提交了多次。我们将会使用时间戳来检查您的提交是否是最新的。

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