《資料與程式碼的交鋒》Day 12-任務相依性設計

2024 iThome 鐵人賽

DAY 12

AI/ ML & Data

資料與程式碼的交鋒 - Data Engineer 與合作夥伴的協奏曲系列第 12 篇

16th鐵人賽 airflow 資料工程任務編排相依性設計

shutingchien

團隊資料工程師甘苦談

2024-09-26 23:16:01

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『如果工作流程很複雜，任務的相依性很高，Airflow 還是能實現嗎？』

圖／一個 DAG 完成 RFM 分析。簡書廷製。

我們以 Day 06 提到的 RFM 模型來說明吧！節點 (node) 表示資料表，連線 (link) 表示一段資料轉換 (transformation) 的任務。
如果把這所有的任務透過一個 DAG 完成，任務相依性會長得像這樣：

...
(
    [source_to_bronze_orders, source_to_bronze_users] 
    >> [bronze_to_silver_orders, bronze_to_silver_users]
    >> aggregate_rfm
    >> calculate_rfm
    >> score_rfm
)

這是一個好的相依性設計嗎？

Airflow 官方文件的 Best Practices 提到，雖然 Airflow 能夠支援彈性且大量的 DAG，但若有太多過於複雜的 DAG，會降低排程系統的效能，應該要「降低 DAG 複雜性 (Reducing DAG complexity)」。

改善 DAG 的設計

針對 DAG 複雜度，雖然官方文件提到沒有明確指標 (metrics) 可以評估，但文件揭示了一些設計準則。
提升載入 DAG 的速度：簡言之是讓 DAG 專注於定義排程與任務相依性，Task 才去撰寫任務本身的邏輯及引入套件等。
保持 DAG 本身的結構簡單： A -> B -> C 的線性結構會比複雜的巢狀樹 (nested tree) 來得更好，因為同時運行的任務會比較少。

看起來，我們目前的設計可以進一步拆解。

圖／多個 DAG 完成 RFM 分析。簡書廷製。

我們把 orders 和 users 的 ELT 流程分別拆成兩個 DAG，最後一個 DAG 則專心處理 RFM 分析的轉換。

DAG: orders_elt 負責訂單資料的 ELT 流程
DAG: users_elt 負責顧客資料的 ELT 流程
DAG: rfm_analysis 負責 RFM 分析的資料轉換

在 DAG 層級的設計，程式碼模組化的理念依然適用，在此案例下 ELT 任務與分析任務也被分離，兼顧了效能與易讀性。不過新的問題衍生了：如何確保前面資料源的 ELT 流程都完成了，才進行 RFM 分析的執行？
新的課題是跨 DAG 間的相依性設計。有幾個可能的解法都能夠在 Airflow UI 上產出相依關係線圖，讓我們一一探討。

感應器｜Sensor

ExternalTaskSensor 是一個內建於 Airflow 中的感應器 (sensor)，用於等待另一個 DAG 中的特定任務完成。這是處理跨 DAG 相依性最直接的方法。程式碼如下：
rfm_analysis.py

from airflow.sensors.external_task import ExternalTaskSensor

with DAG(
    dag_id='rfm_analysis'
    ...
):
 
    wait_for_orders = ExternalTaskSensor(
        task_id='wait_for_orders',
        external_dag_id='orders_elt',
        external_task_id='bronze_to_silver_orders'
    )
    wait_for_users = ExternalTaskSensor(
        task_id='wait_for_users',
        external_dag_id='users_elt',
        external_task_id='bronze_to_silver_users'
    )

    [wait_for_orders, wait_for_users] >> aggregate_rfm >> ...

圖／透過 Sensor 串接多個 DAG 完成 RFM 分析。簡書廷製。

透過 ExternalTaskSensor 的持續感應，直到指定的任務都完成之後，再進行 aggregate_rfm 這個任務，就能達成一樣的效果！

優點

簡單易用，內建於 Airflow 中。
支援檢查任務是否成功或失敗。
適用於有多個上游對一個下游的情形。

缺點

如果 DAG 執行時間很長或頻繁運行，ExternalTaskSensor 的輪詢 (Polling) 可能會對系統資源造成負擔。
上下游執行頻率不一致時，比較難處理。

觸發器｜Trigger

TriggerDagRunOperator 是另一個處理 DAG 之間相依的方法。這個執行單位可以用在一個任務完成後即刻觸發另一個 DAG 的執行。例如我們希望在 DAG: orders_elt 的工作流程觸發 DAG: rfm_analysis，就可以用以下程式碼達成。

orders_elt.py

from airflow.operators.trigger_dagrun import TriggerDagRunOperator

with DAG(
    dag_id='orders_elt'
) as dag:
    
    trigger_dag = TriggerDagRunOperator(
        task_id='trigger_rfm',
        trigger_dag_id='rfm_analysis',
    )

不過觸發器和感應器是恰好相反的做法，觸發器可以一個上游對多個下游。如果我們做成這樣的設計，是沒辦法保證 orders 和 users 資料都完整走完 ELT 流程才進行下游分析的。

DAG: orders_elt 觸發 DAG: rfm_analysis
DAG: users_elt 觸發 DAG: rfm_analysis

優點

可以即時觸發其他 DAG。
簡單直觀，適合需要在一個 DAG 完成後立刻啟動其他 DAG 的情境。

缺點

無法處理複雜的 DAG 相依情境。
上下游執行頻率不一致時，比較難處理。

資料集｜Dataset

Airflow 2.4 引入了一個新的方法來處理跨 DAG 相依性，稱為資料集（Dataset）機制。它的運作方式是在 DAG 任務之間共享資料集，並且在資料集被更新時，自動觸發相依於該資料集的 DAG。這個方法是基於 data pipeline 中資料變化的概念來建立相依性，而不再仰賴 DAG 任務或 DAG 執行狀態。

根據我們對資料上下游關聯的理解，引入 Dataset 的概念可以將 DAG 的相依設計改寫成這樣：

from airflow import DAG
from airflow.datasets import Dataset
from airflow.providers.google.cloud.operators.bigquery import (
    BigQueryInsertJobOperator
)

silver_orders = Dataset("bigquery:///project/silver/orders")
silver_users = Dataset("bigquery://project/silver/users")

with DAG(
    dag_id="orders_elt",
) as dag:
    bronze_to_silver_orders = BigQueryInsertJobOperator(
        task_id="bronze_to_silver_orders",
        outlets=[silver_orders],
    )

with DAG(
    dag_id="users_elt",
) as dag:
    bronze_to_silver_users = BigQueryInsertJobOperator(
        task_id="bronze_to_silver_users",
        outlets=[silver_users],
    )

with DAG(
    dag_id="rfm_analysis",
    schedule=[silver_orders, silver_users],
) as dag:
    rfm_analysis = BigQueryInsertJobOperator(
        task_id="rfm_analysis",
    )

優點