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Python与大数据：Spark和PySpark实战教程

news 来源：原创 2025/6/25 8:55:45

引言

在大数据时代，数据处理和分析能力成为核心竞争力。Apache Spark作为新一代大数据计算引擎，以其高性能、易用性和强大的生态系统，成为数据工程师和分析师的首选工具。而PySpark作为Spark的Python接口，让Python开发者能够轻松驾驭大规模数据处理。本教程将带你系统了解Spark与PySpark的核心原理、环境搭建、典型应用场景及实战案例，助你快速上手大数据分析。

1. Spark简介

Apache Spark是一个通用的分布式数据处理引擎，支持批处理、流处理、机器学习和图计算。其主要特点包括：

高性能：内存计算，大幅提升数据处理速度。
易用性：支持SQL、Python、Scala、Java、R等多种API。
丰富的生态：内置Spark SQL、Spark Streaming、MLlib、GraphX等组件。
良好的扩展性：可运行于Hadoop/YARN、Kubernetes、本地等多种环境。

2. Spark核心概念

2.1 RDD（弹性分布式数据集）

RDD是Spark的基础抽象，代表一个不可变、可分区的分布式对象集合，支持高效的容错和并行计算。

2.2 DataFrame与Dataset

DataFrame：以表格形式组织的数据集，支持结构化查询（类似Pandas DataFrame）。
Dataset：类型安全的分布式数据集（主要用于Scala/Java）。

2.3 转换与行动操作

转换（Transformation）：如map、filter，惰性执行，返回新RDD/DataFrame。
行动（Action）：如collect、count，触发实际计算。

2.4 Spark架构

Driver：主控程序，负责任务调度。
Executor：执行计算任务的进程。
Cluster Manager：资源管理（如YARN、Standalone、K8s）。

3. PySpark环境搭建

3.1 安装Spark与PySpark

方法一：本地快速体验

pip install pyspark

方法二：下载官方Spark发行版

访问 Spark官网下载对应版本。
解压并配置环境变量：
- SPARK_HOME 指向Spark目录
- PATH 添加%SPARK_HOME%\bin

方法三：集群部署

可结合Hadoop/YARN、Kubernetes等进行分布式部署。

3.2 验证安装

python -c "import pyspark; print(pyspark.__version__)"
pyspark

出现Spark启动界面即安装成功。

4. 数据处理与分析实战

4.1 初始化SparkSession

from pyspark.sql import SparkSession
spark = SparkSession.builder.appName("PySparkDemo").getOrCreate()

4.2 读取与保存数据

# 读取CSV文件
df = spark.read.csv("data.csv", header=True, inferSchema=True)
# 保存为Parquet格式
df.write.parquet("output.parquet")

4.3 数据清洗与转换

from pyspark.sql.functions import col
# 选择、过滤、添加新列
df2 = df.select("name", "age").filter(col("age") > 18)
df2 = df2.withColumn("age_group", (col("age")/10).cast("int")*10)

4.4 分组与聚合

df.groupBy("age_group").count().show()

4.5 SQL查询

df.createOrReplaceTempView("people")
spark.sql("SELECT age_group, COUNT(*) FROM people GROUP BY age_group").show()

4.6 数据可视化（结合Pandas/Matplotlib）

pandas_df = df.toPandas()
import matplotlib.pyplot as plt
pandas_df['age'].hist()
plt.show()

5. 机器学习与高级应用

5.1 MLlib机器学习

from pyspark.ml.feature import VectorAssembler
from pyspark.ml.classification import LogisticRegression# 特征组装
assembler = VectorAssembler(inputCols=["age", "income"], outputCol="features")
train_df = assembler.transform(df)# 逻辑回归模型
lr = LogisticRegression(featuresCol="features", labelCol="label")
model = lr.fit(train_df)
result = model.transform(train_df)
result.select("prediction", "label").show()

5.2 流式数据处理

from pyspark.sql.types import StructType, StringType, IntegerType
schema = StructType().add("name", StringType()).add("age", IntegerType())
stream_df = spark.readStream.schema(schema).csv("input_dir/")
query = stream_df.writeStream.format("console").start()
query.awaitTermination()