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目前大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢方案大概可以分為：Hbase系、Dremel系、預(yù)聚合系、Lucene系，本文作者將就自身的使用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)說(shuō)這幾個(gè)系的優(yōu)缺點(diǎn)，如有紕漏，歡迎一起探討。

寫(xiě)在前面

近些年，大數(shù)據(jù)背后的價(jià)值也開(kāi)始得到關(guān)注和重視，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始保存和分析數(shù)據(jù)，希望從中挖掘大數(shù)據(jù)的價(jià)值。大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的根本還是增量數(shù)據(jù)，單純的用戶數(shù)據(jù)不足以構(gòu)成大數(shù)據(jù)，然而用戶的行為或行為相關(guān)的日志的數(shù)據(jù)量，加之隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)力，產(chǎn)生的增量數(shù)據(jù)將不可預(yù)估，存儲(chǔ)和查詢?cè)隽繑?shù)據(jù)尤為關(guān)鍵。所以，在筆者的工作經(jīng)歷中，本著以下的目標(biāo)，尋找更優(yōu)的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢方案：

數(shù)據(jù)無(wú)損：數(shù)據(jù)分析挖掘都依賴于我們保存的數(shù)據(jù)，只有做到數(shù)據(jù)的無(wú)損，才有可能任意的定義指標(biāo)，滿足各種業(yè)務(wù)需求。

保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性：數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性越來(lái)越重要，實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)能夠更好的運(yùn)維產(chǎn)品和調(diào)整策略，價(jià)值更高。單進(jìn)程每秒接入3.5萬(wàn)數(shù)據(jù)以上，數(shù)據(jù)從產(chǎn)生到能夠查詢到結(jié)果這個(gè)間隔不會(huì)超過(guò)5秒。

業(yè)務(wù)需求快速響應(yīng)：隨著越來(lái)越快的業(yè)務(wù)發(fā)展和數(shù)據(jù)應(yīng)用要求的提高，數(shù)據(jù)的查詢需要更靈活，快速響應(yīng)不同且多變的需求。最好是任意定義指標(biāo)后能夠?qū)崟r(shí)查詢出結(jié)果。

數(shù)據(jù)靈活探索性：探索性數(shù)據(jù)分析在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行概括性描述，發(fā)現(xiàn)變量之間的相關(guān)性以及引導(dǎo)出新的假設(shè)。到了大數(shù)據(jù)時(shí)代，海量的無(wú)結(jié)構(gòu)、半結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)從多種渠道源源不斷地積累，不受分析模型和研究假設(shè)的限制，如何從中找出規(guī)律并產(chǎn)生分析模型和研究假設(shè)成為新挑戰(zhàn)。因此，探索性數(shù)據(jù)分析成為大數(shù)據(jù)分析中不可缺少的一步并且走向前臺(tái)。

超大數(shù)據(jù)集，統(tǒng)計(jì)分析秒級(jí)響應(yīng)：萬(wàn)億數(shù)據(jù)量級(jí)，千級(jí)維度（非稀疏）的統(tǒng)計(jì)分析秒級(jí)響應(yīng)。

目前大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢方案大概可以分為：Hbase系、Dremel系、預(yù)聚合系、Lucene系，筆者就自身的使用經(jīng)驗(yàn)說(shuō)說(shuō)這幾個(gè)系的優(yōu)缺點(diǎn)，如有紕漏，歡迎一起探討。

數(shù)據(jù)查詢包括大體可以分為兩步，首先根據(jù)某一個(gè)或幾個(gè)字段篩選出符合條件的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)關(guān)聯(lián)填充其他所需字段信息或者聚合其他字段信息，本文中提到的大數(shù)據(jù)技術(shù)，都將圍繞這兩方面。

一、Hbase系

筆者認(rèn)為Hbase系的解決方案（例如Opentsdb和Kylin）適合相對(duì)固定的業(yè)務(wù)報(bào)表類需求，只需要統(tǒng)計(jì)少量維度即可滿足業(yè)務(wù)報(bào)表需求，對(duì)于單值查詢有優(yōu)勢(shì)，但很難滿足靈活聚合數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。

Hbase的表包含的的概念有rowkey、列簇、列限定符、版本(timestamp)和值，對(duì)應(yīng)實(shí)際Hdfs的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可以用下圖做一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)：

Hbase表中的每一個(gè)列簇會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)際的文件，某種層面來(lái)說(shuō)，Hbase并非真正意義的列式存儲(chǔ)方案，只是列簇存儲(chǔ)。每個(gè)文件有若干個(gè)DataBlock(數(shù)據(jù)塊默認(rèn)64k)，DataBlock是HBase中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最小單元，DataBlock中以KeyValue的方式存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)（KeyValue后面有timestamp，圖中未標(biāo)注），其他信息主要包含索引、元數(shù)據(jù)等信息，在此不做深入探討。每個(gè)KeyValue都由4個(gè)部分構(gòu)成，分別為key length，value length，key和value。其中key的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，包括rowkey、列、KeyType等信息，而value值對(duì)應(yīng)具體列值的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。為了便于查詢，對(duì)key做了一個(gè)簡(jiǎn)單的倒排索引，直接使用了java的ConcurrentSkipListMap。

Hbase管理的核心思想是分級(jí)分塊，存儲(chǔ)時(shí)根據(jù)Rowkey的范圍不同，分散到不同的Region，Region又按照列簇分為不同的Store，每個(gè)Store實(shí)際上又包括StoreFile(對(duì)應(yīng)Hfile)和MemStore，然后由RegionServer管理不同的Region，RegionServer即對(duì)應(yīng)具體的進(jìn)程，分散不同的機(jī)器，提供分布式的存儲(chǔ)和查詢。查詢時(shí)，首先獲取meta表（一種特殊的Region）所在的RegionServer，通過(guò)meta表查找表rowkey相對(duì)應(yīng)的Region和RegionServer信息，最后連接數(shù)據(jù)所在的RegionServer，查找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

Hbase的這種結(jié)構(gòu)，特別適合根據(jù)rowkey做單值查詢，不適合scan的場(chǎng)景，因?yàn)榇蟛糠諷can的情況基本上需要掃描所有數(shù)據(jù)，性能會(huì)非常差。雖然也有擴(kuò)展的Hbase二級(jí)索引方案，但基本上都是通過(guò)協(xié)處理器，需要另外建立一份rowkey的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Scan的時(shí)候先通過(guò)二級(jí)索引查找rowkey，然后在根據(jù)rowkey查找相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

這種方式一定程度上能加快數(shù)據(jù)掃描，但那對(duì)于一些識(shí)別度不高的列，如性別這樣的字段，對(duì)應(yīng)的rowkey相當(dāng)之多，這樣的字段在查找二級(jí)索引時(shí)的作用很小，另外二級(jí)索引所帶來(lái)的IO性能的開(kāi)銷都會(huì)隨之增加。而在需要聚合的場(chǎng)景，對(duì)于Hbase而言恰恰需要大量scan數(shù)據(jù)，會(huì)非常影響性能。Hbase只有一個(gè)簡(jiǎn)單rowkey的倒排索引，缺少列索引，所有的查詢和聚合只能依賴于rowkey，很難解決聚合的性能問(wèn)題。

隨著Hbase的發(fā)展，基于Hbase做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括Opentsdb和Kylin也隨之產(chǎn)生，例如Kylin也是一種預(yù)聚合方案，因其底層存儲(chǔ)使用Hbase，故筆者將其歸為Hbase系。在筆者看來(lái)，Opentsdb和Kylin的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)極其相似，都是將各種維度值組合，結(jié)合時(shí)間戳拼成rowkey，利用字典的原理將維度值標(biāo)簽化，達(dá)到壓縮的目的。如此，可以滿足快速查詢數(shù)據(jù)的需要，但同時(shí)也會(huì)受限于Hbase索引，聚合需要大量scan，并不能提升數(shù)據(jù)聚合的速度。

為了避免查詢數(shù)據(jù)時(shí)的聚合，Kylin可以通過(guò)cube的方式定制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)接入時(shí)通過(guò)指定metric來(lái)提前聚合數(shù)據(jù)。這樣雖然在一定程度上解決了數(shù)據(jù)聚合慢的情況，但這是一種典型的空間換時(shí)間的方案，組合在維度多、或者有高基數(shù)維度的情況，數(shù)據(jù)膨脹會(huì)非常嚴(yán)重，筆者曾遇到存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)大90倍的情況。另外，業(yè)務(wù)的變化會(huì)導(dǎo)致重建cube，難以靈活的滿足業(yè)務(wù)需要。

二、Dremel系

Parquet作為Dremel系的代表，相對(duì)Hbase的方案，Scan的性能更好，也避免了存儲(chǔ)索引和生成索引的開(kāi)銷。但對(duì)于數(shù)據(jù)還原和聚合，相對(duì)直接使用正向索引來(lái)說(shuō)成本會(huì)很高，而且以離線處理為主，很難提高數(shù)據(jù)寫(xiě)的實(shí)時(shí)性。

Google的Dremel，其最早用于網(wǎng)頁(yè)文檔數(shù)據(jù)分析，所以設(shè)計(jì)為嵌套的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)然它也可以用于扁平的二維表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。開(kāi)源技術(shù)中，Parquet算是Dremel系的代表，各種查詢引擎(Hive/Impala/Drill)、計(jì)算框架甚至一些序列化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)（如ProtoBuf）都對(duì)其進(jìn)行了支持，甚至Spark還專門針對(duì)Parquet的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了優(yōu)化，前途一片光明，本文主要結(jié)合Parquet來(lái)展開(kāi)論述。

可以用下圖簡(jiǎn)單表示Parquet的文件格式：

Parquet的數(shù)據(jù)水平切分為多個(gè)Row Group，Row Group為數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的緩存單元，每個(gè)Row Group包含各個(gè)的數(shù)據(jù)列(Column Chunk)，數(shù)據(jù)列有若干Page，Page是壓縮和編碼的單元，其相應(yīng)存儲(chǔ)的信息包括元數(shù)據(jù)信息(PageHeader)、重復(fù)深度(Repetition Levels)、定義深度(Definition Levels)和列值(Values)信息。

Page實(shí)際有三種類型：數(shù)據(jù)Page、字典Page和索引Page。數(shù)據(jù)Page用于存儲(chǔ)當(dāng)前行組中該列的值，字典Page存儲(chǔ)該列值的編碼字典，每一個(gè)列塊中最多包含一個(gè)字典Page，索引Page目前還不支持，未來(lái)可能會(huì)引入Bloom Filter，能夠判斷列值是否存在，更有利于判斷搜索條件，提升查詢速度。

從Parquet的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)看，Parquet沒(méi)有嚴(yán)格意義上的索引，在查詢的過(guò)程中需要直接對(duì)Row Group的列數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，有兩方面來(lái)保證查詢優(yōu)化，一個(gè)是映射下推(Project PushDown)，另外一個(gè)是謂詞下推(Predicate PushDown)。

映射下推主要是利用列式存儲(chǔ)的優(yōu)勢(shì)，查詢數(shù)據(jù)時(shí)只需要掃描查詢中需要的列，由于每一列的所有值都是連續(xù)存儲(chǔ)的，所以分區(qū)取出每一列的所有值就可以實(shí)現(xiàn)TableScan算子，而避免掃描整個(gè)文件內(nèi)容。

謂詞下推在數(shù)據(jù)庫(kù)之類的查詢系統(tǒng)中最常用的優(yōu)化手段之一，通過(guò)將一些過(guò)濾條件盡可能的在最底層執(zhí)行，減少上層交互的數(shù)據(jù)量，從而提升性能。另外，針對(duì)謂詞下推Parquet做了更進(jìn)一步的優(yōu)化，優(yōu)化的方法是對(duì)每一個(gè)Row Group的每一個(gè)Column Chunk在存儲(chǔ)的時(shí)候都計(jì)算對(duì)應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信息，包括該Column Chunk的最大值、最小值和空值個(gè)數(shù)。通過(guò)這些統(tǒng)計(jì)值和該列的過(guò)濾條件可以判斷該Row Group是否需要掃描。未來(lái)還會(huì)增加諸如Bloom Filter和Index等優(yōu)化數(shù)據(jù)，更加有效的完成謂詞下推。

通過(guò)這兩方面的優(yōu)化，Parquet的查詢時(shí)掃描數(shù)據(jù)的性能能夠得到大幅度提升。那Parquet如果填充數(shù)據(jù)（不同的列拼成一行記錄）和聚合數(shù)據(jù)呢？

主要是使用了Striping/Assembly算法實(shí)現(xiàn)的，該算法的思想是將數(shù)據(jù)的值分為三部分：重復(fù)深度(Repetition Levels)、定義深度(Definition Levels)和列值(Values)。通過(guò)重復(fù)深度可以在讀取的時(shí)候結(jié)合Schema的定義可以知道需要在哪一層創(chuàng)建一個(gè)新的repeated節(jié)點(diǎn)（如第一層的的為0，表示是新記錄，否則則表示repeat的數(shù)據(jù)），然后通過(guò)定義深度知道該值的路徑上第幾層開(kāi)始是未定義，從而還原出數(shù)據(jù)的嵌套結(jié)構(gòu)，如此便能清楚的把一行數(shù)據(jù)還原出來(lái)。由于缺少行號(hào)對(duì)應(yīng)的列正向索引，沒(méi)有辦法直接尋址，單純的依賴于Striping/Assembly算法還原數(shù)據(jù)或者聚合處理，相對(duì)來(lái)說(shuō)成本會(huì)高很多。

另外，Parquet的實(shí)時(shí)寫(xiě)方面是硬傷，基于Parquet的方案基本上都是批量寫(xiě)。一般情況，都是定期生成Parquet文件，所以數(shù)據(jù)延遲比較嚴(yán)重。為了提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，還需要其他解決方案來(lái)解決數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的查詢，Parquet只能作為歷史數(shù)據(jù)查詢的補(bǔ)充。

Parquet存儲(chǔ)是相對(duì)索引的存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，是一種折中處理，沒(méi)有倒排索引，而是通過(guò)Row Group水平分割數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)Column垂直分割，保證數(shù)據(jù)IO不高，直接Scan數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，相對(duì)Hbase的方案，Scan的性能更好。這種方式，避免了存儲(chǔ)索引和生成索引的開(kāi)銷，隨著索引Page的完善，相信查詢性能值得信賴。而對(duì)于數(shù)據(jù)還原和聚合也沒(méi)有利用正向索引，而是通過(guò)Striping/Assembly算法來(lái)解決，這種方式更好能夠很取巧的解決數(shù)據(jù)嵌套填充的問(wèn)題， 但是相對(duì)直接使用正向索引來(lái)說(shuō)成本會(huì)很高。

另外，由于是基于Row Group為讀寫(xiě)的基本單元，屬于粗粒度的數(shù)據(jù)寫(xiě)入，數(shù)據(jù)生成應(yīng)該還是以離線處理為主，很難提高數(shù)據(jù)寫(xiě)的實(shí)時(shí)性，而引入其他的解決方案又會(huì)帶來(lái)存儲(chǔ)架構(gòu)的復(fù)雜性，維護(hù)成本都會(huì)相應(yīng)增加。

三、預(yù)聚合系

最近幾年，隨著OLAP場(chǎng)景的需要，預(yù)聚合的解決方案越來(lái)越多。其中比較典型的有Kylin、Druid和Pinot。預(yù)聚合的方案，筆者不想做過(guò)多介紹，其本身只是單純的為了滿足OLAP查詢的場(chǎng)景，需要指定預(yù)聚合的指標(biāo)，在數(shù)據(jù)接入的時(shí)候根據(jù)指定的指標(biāo)進(jìn)行聚合運(yùn)算，數(shù)據(jù)在聚合的過(guò)程中會(huì)丟失metric對(duì)應(yīng)的列值信息。

筆者認(rèn)為，這種方式需要以有損數(shù)據(jù)為代價(jià)，雖然能夠滿足短期的OLAP需求，但是對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是非常不利的，會(huì)丟掉數(shù)據(jù)本身存在的潛在價(jià)值。另外，查詢的指標(biāo)也相對(duì)固定，沒(méi)有辦法靈活的自由定義所需的指標(biāo)，只能查詢提前聚合好的指標(biāo)。

四、Lucene系

Lucene算是java中最先進(jìn)的開(kāi)源全文檢索工具，基于它有兩個(gè)很不錯(cuò)的全文檢索產(chǎn)品ElasticSearch和Solr。Lucene經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，整個(gè)索引體系已經(jīng)非常完善，能夠滿足的的查詢場(chǎng)景遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，這都?xì)w功于其強(qiáng)大的索引。但對(duì)于日志、行為類時(shí)序數(shù)據(jù)，所有的搜索請(qǐng)求都也必須搜索所有的分片，另外，對(duì)于聚合分析場(chǎng)景的支持也是軟肋。

Lucene中把一條數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)為一個(gè)Document，數(shù)據(jù)中的字段對(duì)應(yīng)Lucene的Field，Field的信息可以拆分為多個(gè)Term，同時(shí)Term中會(huì)包含其所屬的Field信息，在Lucene中每一個(gè)Document都會(huì)分配一個(gè)行號(hào)。然后在數(shù)據(jù)接入時(shí)建立Term和行號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能夠根據(jù)字段的信息快速的搜索出相應(yīng)的行號(hào)，而Term與行號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系我們稱之為字典。大部分時(shí)候查詢是多個(gè)條件的組合，于是Lucene引入了跳表的思想，來(lái)加快行號(hào)的求交和求并。字典和跳表就共同組成了Lucene的倒排索引。Lucene從4開(kāi)始使用了FST的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即得到了很高的字典壓縮率，又加快了字典的檢索。

為了快速的還原數(shù)據(jù)信息和聚合數(shù)據(jù)，Lucene還引入了列正向索引和行正向索引。列正向索引主要是行號(hào)和Term的對(duì)應(yīng)關(guān)系，行正向主要是行號(hào)和Document的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這兩種索引都是可以根據(jù)需要配置使用，例如只有單純的查詢，只是用行正向索引就可以，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聚合則必須列正向索引。

有了這些索引后，就可以通過(guò)Term來(lái)查詢出行號(hào)，利用正向索引根據(jù)行號(hào)還原數(shù)據(jù)信息，或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合。

另外，為了滿足全文檢索的需求，Lucene還引入了分詞、詞向量、高亮以及打分的機(jī)制等等。總的來(lái)看，Lucene的整個(gè)索引體系比較臃腫，其設(shè)計(jì)的根本還是搜索引擎的思想，滿足全文檢索的需求。

Lucene本身是單機(jī)版的，沒(méi)有辦法分布式，也就以為著其能處理的還是小數(shù)據(jù)量。ElasticSearch提供了Lucene的分布式處理的解決方案，其核心思想是將Lucene的索引分片。

在寫(xiě)入場(chǎng)景中，對(duì)于同一個(gè)index的數(shù)據(jù)，會(huì)按照設(shè)定的分片數(shù)分別建立分片索引，這些分片索引可能位于同一臺(tái)服務(wù)器，也可能不同。同時(shí)，各分片索引還需要為自己對(duì)應(yīng)的副本進(jìn)行同步，直到副本寫(xiě)入成功，一次寫(xiě)入才算完整的完成。當(dāng)然，單個(gè)文檔的寫(xiě)入請(qǐng)求只會(huì)涉及到一個(gè)分片的寫(xiě)入。搜索場(chǎng)景則大致是逆過(guò)程，接受請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求分發(fā)至所有承擔(dān)該分片查詢請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)，然后匯總查詢請(qǐng)求。這里值得注意的是，任意一個(gè)搜索請(qǐng)求均需要在該index的所有分片上執(zhí)行。

由于ElasticSearch是一個(gè)搜索框架，對(duì)于所有的搜索請(qǐng)求，都必須搜索所有的分片。對(duì)于一個(gè)針對(duì)內(nèi)容的搜索應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這顯然沒(méi)有什么問(wèn)題，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的內(nèi)容會(huì)被存儲(chǔ)到哪一個(gè)分片往往是不可知的。然而對(duì)于日志、行為類數(shù)據(jù)則不然，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候我們關(guān)注的是某一個(gè)特定時(shí)間段的數(shù)據(jù)，這時(shí)如果我們可以針對(duì)性的搜索這一部分?jǐn)?shù)據(jù)，那么搜索性能顯然會(huì)得到明顯的提升。

同時(shí)，這類數(shù)據(jù)往往具有另一個(gè)非常重要的特征，即時(shí)效性。很多時(shí)候我們的需求往往是這樣的：對(duì)于最近一段時(shí)間的熱數(shù)據(jù)，其查詢頻率往往要比失去時(shí)效的冷數(shù)據(jù)高得多，而ElasticSearch這樣不加區(qū)分的分片方式顯然不足以支持這樣的需求。

而另外一方面，ElasticSearch對(duì)于聚合分析場(chǎng)景的支持也是軟肋，典型的問(wèn)題是，使用Hyperloglog這類求基數(shù)的聚合函數(shù)時(shí)，非常容易發(fā)生oom。這固然跟這類聚合算法的內(nèi)存消耗相對(duì)高有關(guān)（事實(shí)上，hll在基數(shù)估計(jì)領(lǐng)域是以內(nèi)存消耗低著稱的，高是相對(duì)count，sum這類簡(jiǎn)單聚合而言）。

五、Tindex

數(shù)果智能根據(jù)開(kāi)源的方案自研了一套數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的解決方案，該方案的索引層通過(guò)改造Lucene實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)查詢和索引寫(xiě)入框架通過(guò)擴(kuò)展Druid實(shí)現(xiàn)。既保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和指標(biāo)自由定義的問(wèn)題，又能滿足大數(shù)據(jù)量秒級(jí)查詢的需求，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖，基本實(shí)現(xiàn)了文章開(kāi)頭提出的幾個(gè)目標(biāo)。

Tindex主要涉及的幾個(gè)組件

Tindex-Segment,負(fù)責(zé)文件存儲(chǔ)格式，包括數(shù)據(jù)的索引和存儲(chǔ)，查詢優(yōu)化，以及段內(nèi)數(shù)據(jù)搜索與實(shí)時(shí)聚合等。Tindex是基于Lucene的思想重構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，由于Lucene索引內(nèi)容過(guò)于復(fù)雜，但是其索引的性能在開(kāi)源方案中比較完善，在數(shù)據(jù)的壓縮和性能之間做了很好的平衡。我們通過(guò)改造，主要保留了其必要的索引信息，比原有的Lucene節(jié)省了更多的存儲(chǔ)空間，同時(shí)也加快了查詢速度。主要改進(jìn)有以下幾點(diǎn)：

1、高效壓縮存儲(chǔ)格式

對(duì)于海量行為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)容量無(wú)疑是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。對(duì)于使用索引的方案來(lái)說(shuō)，索引后的數(shù)據(jù)容量通常相對(duì)原有數(shù)據(jù)會(huì)有一定程度的膨脹。針對(duì)這類情況，Tindex針對(duì)索引的不同部分，分別使用了不同形式的壓縮技術(shù)，保障了能夠支持高效查詢的同時(shí)僅僅需要較少的容量。對(duì)于數(shù)據(jù)內(nèi)容部分，使用字典的方式編碼存儲(chǔ)，每條記錄僅僅存儲(chǔ)文檔編號(hào)。對(duì)于字典本身的存儲(chǔ)，使用了前綴壓縮的方式，從而降低高基數(shù)維度的空間消耗。實(shí)際情況下，使用 Tindex 壓縮后的數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)容量?jī)H僅為原始數(shù)據(jù)的1/5左右。

2、列式倒排和正向索引的存儲(chǔ)

由于實(shí)際使用中，往往需要同時(shí)支持搜索和聚合兩種場(chǎng)景，而這兩種方式對(duì)于索引結(jié)構(gòu)的需求是完全相反的。針對(duì)這兩種情況，Tindex結(jié)合了倒排索引和列正向索引這兩種不同類型的索引。對(duì)于倒排索引部分，使用字典和跳表等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速檢索，而對(duì)于正向部分，則通過(guò)高效的壓縮技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于海量行下指定列的快速讀取。同時(shí)，根據(jù)不同的情況，可以選擇性的只建立其中一種索引（默認(rèn)情況對(duì)于每一列均會(huì)同時(shí)建兩種索引），從而節(jié)省大約一般的存儲(chǔ)空間和索引時(shí)間。

Tindex-Druid，負(fù)責(zé)分布式查詢引擎、指標(biāo)定義引擎、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)導(dǎo)入、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)緩存。之所以選擇Druid是因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn)其框架擴(kuò)展性、查詢引擎設(shè)計(jì)的非常好，很多性能細(xì)節(jié)都考慮在內(nèi)。例如：

• 堆外內(nèi)存的復(fù)用，避免GC問(wèn)題；

• 根據(jù)查詢數(shù)據(jù)的粒度，以Sequence的方式構(gòu)建小批量的數(shù)據(jù)，內(nèi)存利用率更高；

• 查詢有bySegment級(jí)別的緩存，可以做到大范圍固定模式的查詢；

• 多種query，最大化提升查詢性能，例如topN、timeSeries等查詢等等。

框架可靈活的擴(kuò)展，也是我們考慮的一個(gè)很重要的元素，在我們重寫(xiě)了索引后，Druid社區(qū)針對(duì)高基數(shù)維度的查詢上線了groupByV2，我們很快就完成了groupByV2也可見(jiàn)其框架非常靈活。

在我們看來(lái)，Druid的查詢引擎很強(qiáng)大，但是索引層還是針對(duì)OLAP查詢的場(chǎng)景，這就是我們選擇Druid框架進(jìn)行索引擴(kuò)展的根本原因。 另外其充分考慮分布式的穩(wěn)定性，HA策略，針對(duì)不同的機(jī)器設(shè)備情況和應(yīng)用場(chǎng)景，靈活的配置最大化利用硬件性能來(lái)滿足場(chǎng)景需要也是我們所看重的。

在開(kāi)源的Druid版本上自研，繼承了Druid所有優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)查詢部分代碼全部重新實(shí)現(xiàn)，從而在以下幾個(gè)方面做了較大改進(jìn)：

1、去掉指標(biāo)預(yù)聚合，指標(biāo)可以在查詢時(shí)自由定義：

對(duì)于數(shù)據(jù)接入來(lái)說(shuō)，不必區(qū)分維度和指標(biāo)，只需要定義數(shù)據(jù)類型即可，數(shù)據(jù)使用原始數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)。當(dāng)需要聚合時(shí)，在查詢時(shí)定義指標(biāo)即可。假設(shè)我們要接入一條包含數(shù)字的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在只需要定義一個(gè)float類型的普通維度。

2、支持多種類型：

不同于原生的Druid只支持string類型維度的情況，我們改進(jìn)后的版本可以支持string, int, long, float、時(shí)間等多種維度類型。在原生的Druid中，如果我們需要一個(gè)數(shù)值型的維度，那么我們只能通過(guò)string來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣會(huì)帶來(lái)一個(gè)很大的問(wèn)題，即基于范圍的過(guò)濾不能利用有序的倒排表，只能通過(guò)逐個(gè)比較來(lái)實(shí)現(xiàn)（因?yàn)槲覀儾荒馨炎址笮‘?dāng)成數(shù)值大小，這樣會(huì)導(dǎo)致這樣的結(jié)果‘12’ < ’2’），從而性能會(huì)非常差，因?yàn)閿?shù)值類型維度很容易出現(xiàn)高基維。對(duì)于改進(jìn)后的版本，這樣的問(wèn)題就簡(jiǎn)單多了，將維度定義為對(duì)應(yīng)的類型即可。

3、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載：

原有的Druid線上的數(shù)據(jù)，需要在啟動(dòng)時(shí)，全部加載才可以提供查詢服務(wù)。我們通過(guò)改造，實(shí)現(xiàn)了LRU策略，啟動(dòng)的時(shí)候只需要加載段的元數(shù)據(jù)信息和少量的段信息即可。一方面提升了服務(wù)的啟動(dòng)時(shí)間，另外一方面，由于索引文件的讀取基本都是MMap，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)段需要加載，在內(nèi)存不足的情況，會(huì)直接使用磁盤(pán)swap Cache換頁(yè)，嚴(yán)重影響查詢性能。數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載的很好的避免了使用磁盤(pán)swap Cache換頁(yè)，查詢都盡量使用內(nèi)存，可以通過(guò)配置，最大限度的通過(guò)硬件環(huán)境提供最好的查詢環(huán)境。

HDFS，大數(shù)據(jù)發(fā)展這么多年，HDFS已經(jīng)成為PB級(jí)、ZB級(jí)甚至更多數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，很成熟了，所以數(shù)果也選用HDFS，不必重新造輪子。Tindex與HDFS可以完美結(jié)合，可以作為一個(gè)高壓縮、自帶索引的文件格式，兼容Hive，Spark的所有操作。

Kafka/MetaQ,消息隊(duì)列，目前Tindex支持kafka、MetaQ等消息隊(duì)列，由于Tindex對(duì)外擴(kuò)展接口都是基于SPI機(jī)制實(shí)現(xiàn)，所以如有需要也可以擴(kuò)展支持更多的消息隊(duì)列。

Ecosystem Tools,負(fù)責(zé)Tindex的生態(tài)工具支持，目前主要支持Spark、Hive，計(jì)劃擴(kuò)展支持Impala、Drill等大數(shù)據(jù)查詢引擎。

支持冷數(shù)據(jù)下線，通過(guò)離線方式（spark/Hive）查詢，對(duì)于時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)普遍存在的一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)于失去時(shí)效性的數(shù)據(jù)，我們往往不希望它們繼續(xù)占據(jù)寶貴的查詢資源。然后我們往往需要在某些時(shí)候?qū)λ麄儾樵儭?duì)于Tindex而言，可以通過(guò)將超過(guò)一定時(shí)間的數(shù)據(jù)定義為冷數(shù)據(jù)，這樣對(duì)應(yīng)的索引數(shù)據(jù)會(huì)從查詢節(jié)點(diǎn)下線。當(dāng)我們需要再次查詢時(shí)，只需要調(diào)用對(duì)應(yīng)的離線接口進(jìn)行查詢即可。

SQL Engine,負(fù)責(zé)SQL語(yǔ)義轉(zhuǎn)換及表達(dá)式定義。

Zookeeper,負(fù)責(zé)集群狀態(tài)管理。

未來(lái)還會(huì)持續(xù)優(yōu)化改造后的Lucene索引，來(lái)得到更高的查詢性能。優(yōu)化指標(biāo)聚合方式，包括：小批量的處理數(shù)據(jù)，充分利用CPU向量化并行計(jì)算的能力；利用code compile避免聚合虛函數(shù)頻繁調(diào)用；與大數(shù)據(jù)生態(tài)對(duì)接的持續(xù)完善等等。

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/davidwang456/articles/9981526.html

總結(jié)

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