ClickHouse 是一个开源的列式数据库管理系统,以其极高的查询性能著称。为了理解 ClickHouse 查询为什么快,我们需要从以下几个方面进行深入探讨,包括其架构设计、存储引擎、索引结构、并行化策略以及内存管理等底层原理。

1. 列式存储(Columnar Storage)

        ClickHouse 是一个列式数据库,这意味着它将每一列的数据单独存储,而不是按行存储。这种设计在大规模数据分析的查询场景中具有显著优势,尤其是在处理涉及少量列的查询时。

  • 按列存储的好处
    • 节省I/O:只读取查询涉及的列,避免不必要的数据读取。
    • 更好的压缩效果:同一列中的数据类型相同,具有相似的特征,压缩比更高。
    • 更快的数据处理:由于列内数据类型一致,CPU 可以更高效地对其进行向量化处理(见下文)。

        例如,假设你有 100 列的表,但只查询 3 列。行式存储系统会读取整个行,而列式存储系统只需要读取查询相关的 3 列数据。

2. 向量化执行(Vectorized Execution)

ClickHouse 采用了向量化执行的查询引擎,这是提高 CPU 使用效率的关键。

  • 向量化处理意味着数据库引擎在执行查询时不会逐行处理数据,而是将数据分成批次(例如每次处理 1024 个值),并对这些批次进行批量操作。CPU 能够充分利用现代处理器的 SIMD(单指令多数据)指令集来并行处理多个数据。

  • 通过向量化执行,ClickHouse 能够将数据处理转换为批量运算,大幅减少 CPU 指令的开销。

3. 压缩技术(Data Compression)

ClickHouse 对列存储进行了高度压缩,减少了磁盘空间使用,同时提高了 I/O 性能。不同列的数据类型可以使用不同的压缩算法,例如:

  • Delta 编码:适用于排序好的数值列,存储的是相邻值之间的差值
  • LZ4 和 ZSTD 压缩:这些是常用的通用压缩算法,ClickHouse 默认使用 LZ4,但可以选择 ZSTD 来进一步压缩。
  • Bitmap 编码:对布尔值、稀疏数据等情况进行优化。

        通过压缩,ClickHouse 在处理大数据集时能够显著减少磁盘 I/O,同时还保留了良好的解压缩速度。

4. 数据分区与分块(Data Partitioning and Granularity)

        ClickHouse 将数据分为 块(blocks) 和 粒度单元(granules)。这种分块处理方式有助于提高查询效率。

  • 粒度单元(granules) 是 ClickHouse 中的最小数据单位,一个粒度单元包含固定数量的行(默认大约 8192 行)。这些粒度单元支持快速跳过无关的数据,从而避免不必要的磁盘读取。

  • 数据分区(partitioning) 可以基于时间戳或其他字段划分数据。这使得查询可以快速缩小到相关分区,进一步减少需要扫描的数据量。

        通过这种分块和分区策略,ClickHouse 在面对大规模数据集时能够高效地跳过不相关的数据块,大大加快查询速度。

5. 稀疏索引(Sparse Indexes)

ClickHouse 使用一种称为 稀疏索引 的索引结构来加速查询,而不是传统的 B 树或哈希索引。

  • 稀疏索引 只记录每个数据块的第一条记录的键值或分区的边界。这样,查询时可以快速找到相关的块,而不必对整个数据进行全表扫描。

  • ClickHouse 的索引结构相对较轻量,避免了过多的写入开销(索引的维护成本较低)。这种设计在查询非常大的数据集时具有显著优势,能够快速定位需要读取的数据块,而不是对每个行逐个索引。

6. 并行化查询执行(Parallel Query Execution)

        ClickHouse 在查询执行过程中充分利用了现代多核、多线程的处理器架构。它通过多种并行化策略来提高查询速度:

  • 数据分区并行处理:每个分区的数据可以独立处理,因此分区之间可以并行执行查询。

  • 跨核并行化:即使在同一个分区内,数据也会被分块,并在多个 CPU 核心之间分配任务。这种方式确保了查询过程能充分利用多核 CPU 的计算能力。

  • I/O 和计算分离:ClickHouse 能够将 I/O 操作和 CPU 计算分离,在数据加载的同时处理数据,从而减少等待时间,提高整体的吞吐量。

7. 主从复制与分布式架构(Replication and Distributed Queries)

        ClickHouse 支持 主从复制(replication) 和 分布式查询(distributed queries)。其分布式架构使得它可以在多台服务器之间分发查询负载,并行处理海量数据。

  • 分布式查询表:ClickHouse 可以在多台服务器上创建分布式表,并在多个节点之间分发查询任务。这种方式不仅提高了查询吞吐量,还提高了系统的可扩展性。

  • 数据的分片与分区:ClickHouse 支持数据的 sharding(分片),可以将数据分布到不同的节点上。查询时,系统会自动对数据进行并行化处理,并汇总最终结果。

8. 延迟物化(Late Materialization)

        ClickHouse 在查询过程中使用了延迟物化的技术,即在尽可能晚的阶段才将数据从磁盘加载到内存,并对其进行物化(转换为实际需要的值)。这样可以避免不必要的数据加载和物化操作,进一步减少 I/O 和内存占用,提高查询速度。

9. 内存与缓存优化

ClickHouse 对内存和缓存进行了大量优化:

  • 内存中的数据处理:ClickHouse 会尽可能多地在内存中处理数据,减少与磁盘的交互。数据处理的中间结果也会尽可能缓存在内存中。

  • 操作系统的页缓存:ClickHouse 借助操作系统的文件系统缓存,将热点数据保存在内存中,减少对磁盘的依赖。

  • 异步 I/O:ClickHouse 还通过异步 I/O 操作来减少 I/O 阻塞问题,进一步提高查询的响应速度。

10. 存储引擎优化

        ClickHouse 针对不同的查询场景提供了多种存储引擎(如 MergeTree 系列、Log 系列等)。最常用的 MergeTree 存储引擎具有如下特性:

  • 分层存储:数据按照写入时间进行分层存储,不同层的数据在后台逐步合并,以提高查询效率。
  • 多版本并发控制:即使在进行写入操作时,读取操作也不会受到阻塞,保证了高并发的读写性能。

11. 基于组的数据聚合(Group-based Aggregation)

ClickHouse 设计了基于组的聚合算法,能够在处理大规模数据时更加高效。

  • 本地聚合:当执行 GROUP BY 等聚合操作时,ClickHouse 会先对数据进行本地聚合,这样可以避免过多的中间数据传输和存储。

  • 多级聚合(Two-Level Aggregation):对于大规模的聚合查询,ClickHouse 采用了两级聚合的算法。首先在每个节点上进行本地聚合,然后将中间结果发送到最终的聚合节点。这种方式减少了数据传输量并提高了查询的并发性能。

12. 实时性与数据鲜活性(Real-time Data Freshness)

        ClickHouse 支持高效的数据写入与查询,并能够在处理实时数据时保持极低的延迟。这得益于以下几点:

  • 增量数据写入:ClickHouse 支持批量数据的快速写入,并通过后台线程异步合并数据,保持查询性能不受数据写入的影响。

  • 多版本并发控制(MVCC):ClickHouse 通过 MVCC(Multi-Version Concurrency Control)技术,在保证数据一致性的同时,允许并发的读写操作,读写互不干扰。

13. 管道化执行(Pipelined Execution)

        ClickHouse 的查询处理采用了 流水线(pipeline)执行 模式,每个查询操作都会被拆解为一个个子任务。这些子任务可以独立并行执行,并通过管道机制将中间结果依次传递给下一个阶段。

  • 无阻塞操作:在流水线模式下,ClickHouse 的查询执行几乎是无阻塞的,中间结果可以立即传递和处理,而无需等待其他操作完成。

  • 增量计算:管道化执行还允许 ClickHouse 对某些中间结果进行增量计算,进一步减少计算的重复性,提高查询效率。

14. 存储组织与合并优化(Merge Optimization)

ClickHouse 通过后台线程对数据进行定期合并,减少碎片化并优化查询的存储布局。

  • MergeTree 系列引擎(如 MergeTreeReplicatedMergeTree)会将小块的数据逐步合并成大块,这不仅减少了存储空间的浪费,还提高了查询的顺序读取效率。

  • 高效的数据排序:ClickHouse 在写入数据时,会根据指定的排序键对数据进行预排序。这样在查询时可以利用数据的有序性快速定位和检索,特别是在范围查询时优势明显。

15. 协程与异步执行(Coroutines and Asynchronous Execution)

ClickHouse 利用协程(coroutines)和异步 I/O 来优化查询执行和数据处理。

  • 协程的使用:ClickHouse 使用协程调度的方式来执行查询操作,这比传统的线程模型更高效,尤其在高并发场景下,协程避免了大量的线程上下文切换开销。

  • 异步 I/O:与传统的阻塞 I/O 不同,ClickHouse 利用异步 I/O 进行磁盘读取和网络请求,确保数据读取的过程中 CPU 仍然可以继续执行其他任务,最大化系统的资源利用率。

16. 代码生成(Code Generation)

ClickHouse 对查询中的部分操作会进行即时编译(JIT),通过动态生成高效的机器代码来加速执行。这种技术主要应用于查询计划生成阶段。

  • LLVM 动态代码生成:ClickHouse 借助 LLVM 动态生成并优化某些计算密集型操作的代码,这样可以使得关键路径的执行性能接近手写的机器代码速度。

  • 编译期优化:在生成的代码中,ClickHouse 还会进行针对性优化,例如将常量表达式提前计算、简化循环结构等,以减少执行时的计算负担。

17. 数据跳过与索引过滤(Data Skipping and Index Filtering)

ClickHouse 的数据块内置了元信息和轻量级索引,使得在查询时能够高效地跳过不相关的数据。

  • 数据跳过索引:ClickHouse 的稀疏索引允许引擎在不扫描整个表的情况下,快速确定相关的数据块。通过记录每个数据块的最大值和最小值,ClickHouse 能够在范围查询中迅速跳过不符合条件的块。

  • 其他索引类型:ClickHouse 还支持多种高级索引类型,如 minmaxbloom filterprimary key 索引等,这些索引可以进一步加速特定场景下的查询。

18. 预计算物化视图(Materialized Views)

ClickHouse 支持 物化视图(Materialized Views),允许预先计算一些复杂的聚合查询或统计结果,查询时直接读取预先计算的结果,避免重复计算。

  • 自动增量更新:物化视图会自动随着底层表数据的更新而更新,保持视图中的数据与原始数据的同步。这对于一些高频聚合查询场景非常有用。

  • 查询加速:通过使用物化视图,ClickHouse 可以避免在每次查询时都执行复杂的计算,直接从预计算的结果中获取数据,极大地提高了查询响应速度。

19. 高效的网络协议与分布式查询优化

ClickHouse 通过自定义的网络协议对分布式查询进行了优化,减少了节点间的数据传输开销。

  • 高效的协议:ClickHouse 使用了一种轻量的二进制协议,用于不同节点之间的通信。这种协议比传统的基于文本的协议(如 HTTP 或 JSON)更加高效,能够减少数据序列化和反序列化的开销。

  • 分布式查询优化:ClickHouse 在执行分布式查询时,会将计算任务尽量下推到数据所在的节点进行本地计算,减少中间数据的传输。然后将计算的中间结果汇总到主节点上进行最终聚合和处理。

20. Adaptive Join Strategy(自适应连接策略)

ClickHouse 针对不同的连接(JOIN)操作,采取了多种策略,来优化连接性能。

  • Hash Join:ClickHouse 使用哈希连接(Hash Join)来处理小表与大表的连接操作。小表会被加载到内存中,以哈希表的形式存在,之后对大表的每一行执行快速查找。

  • 分布式 Join:在分布式场景中,ClickHouse 会根据表的分片情况选择不同的连接策略。例如,分片后的表可以在每个节点上局部连接,而不需要传输完整的数据表。

21. 时间序列数据的优化(Time Series Optimization)

ClickHouse 对时间序列数据进行了特别优化,使得在处理时间序列数据时具有更高的性能。

  • 排序与分区优化:时间序列数据通常根据时间进行分区和排序,ClickHouse 可以通过这种顺序快速进行范围查询(如查询某一段时间的数据),不需要扫描整个数据集。

  • 特殊的压缩算法:对于时间序列数据,ClickHouse 支持使用特殊的压缩算法(如 Delta 编码、Gorilla 编码),这些算法可以极大地压缩时间序列数据的存储空间,同时保持高效的读取性能。

总结

        ClickHouse 查询速度快不仅仅依赖列式存储这一核心技术,还涉及到多个底层架构和算法的协同工作。通过向量化执行、压缩技术、并行化查询、延迟物化、代码生成、异步 I/O 等优化策略,ClickHouse 极大地减少了 I/O 和计算开销,提升了 CPU 和内存的利用率。此外,ClickHouse 的分布式架构与特殊的索引设计,使得它能够在处理海量数据时依旧保持优异的查询性能。

        这些技术创新和优化让 ClickHouse 成为大规模数据分析领域中的领先解决方案,尤其适用于对查询速度要求极高的 OLAP(在线分析处理)场景。

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