MaxCompute Hash Clustering介绍

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背景
在MaxCompute查询中，Join是很常见的场景。例如以下Query，就是一个简单的Inner Join把t1表和t2表通过id连接起来：

SELECT t1.a, t2.b FROM t1 JOIN t2 ON t1.id = t2.id;

Join在MaxCompute内部主要有三种实现方法：

Broadcast Hash Join - 当Join存在一个很小的表时，我们会采用这种方式，即把小表广播传递到所有的Join Task Instance上面，然后直接和大表做Hash Join。

Shuffle Hash Join - 如果Join表比较大，我们就不能直接广播了。这时候，我么可以把两个表按照Join Key做Hash Shuffle，由于相同的键值Hash结果也是一样的，这就保证了相同的Key的记录会收集到同一个Join Task Instance上面。然后，每个Instance对数据量小的一路建Hash表，数据量大的顺序读取Join。

Sort Merge Join - 如果Join的表更大一些，#2的方法也用不了，因为内存已经不足以容纳建立一个Hash Table。这时我们的实现方法是，先按照Join Key做Hash Shuffle，然后再按照Join Key做排序，最后我们对Join双方做一个归并，具体流程如下图所示：

实际上对于MaxCompute今天的数据量和规模，我们绝大多数情况下都是使用的Sort Merge Join，但这其实是非常昂贵的操作。从上图可以看到，Shuffle的时候需要一次计算，并且中间结果需要落盘，后续Reducer读取的时候，又需要读取和排序的过程。对于M个Mapper和R个Reducer的场景，我们将产生M x R次的IO读取。对应的Fuxi物理执行计划如下所示，需要两个Mapper Stage，一个Join Stage，其中红色部分为Shuffle和Sort操作：

与此同时，我们观察到，有些Join是可能反复发生的，比如上面的Query改成了：
SELECT t1.c, t2.d FROM t1 JOIN t2 ON t1.id = t2.id;

虽然，我们选择的列不一样了，但是底下的Join是完全一样的，整个Shuffle和Sort的过程也是完全一样的。
又或者：
SELECT t1.c, t3.d FROM t1 JOIN t3 ON t1.id = t3.id;

这个时候是t1和t3来Join，但实际上对于t1而言，整个Shuffle和Sort过程还是完全一样。

于是，我们考虑，如果我们初始表数据生成时，按照Hash Shuffle和Sort的方式存储，那么后续查询中将避免对数据的再次Shuffle和Sort。这样做的好处是，虽然建表时付出了一次性的代价，却节省了将来可能产生的反复的Shuffle和Join。这时Join的Fuxi物理执行计划变成了如下所示，不仅节省了Shuffle和Sort的操作，并且查询从3个Stage变成了1个Stage完成：

所以，总结来说，Hash Clustering通过允许用户在建表时设置表的Shuffle和Sort属性，进而MaxCompute根据数据已有的存储特性，优化执行计划，提高效率，节省资源消耗。

功能描述
目前Hash Clustering功能已经上线，缺省条件下即打开支持。

创建Hash Clustering Table
用户可以使用以下语句创建Hash Clustering表。用户需要指定Cluster Key（即Hash Key），以及Hash分片（我们称之为Bucket）的数目。Sort是可以选项，但在大多数情况下，建议和Cluster Key一致，以便取得最佳的优化效果。

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] table_name

[(col_name data_type [comment col_comment], ...)]

[comment table_comment]

[PARTITIONED BY (col_name data_type [comment col_comment], ...)]
[CLUSTERED BY (col_name [, col_name, ...]) [SORTED BY (col_name [ASC | DESC] [, col_name [ASC | DESC] ...])] INTO number_of_buckets BUCKETS]

[AS select_statement]

举个例子如下：

CREATE TABLE T1 (a string, b string, c bigint) CLUSTERED BY (c) SORTED by (c) INTO 1024 BUCKETS;

如果是分区表，则可以用这样的语句创建：
CREATE TABLE T1 (a string, b string, c bigint) PARTITIONED BY (dt string) CLUSTERED BY (c) SORTED by (c) INTO 1024 BUCKETS;

CLUSTERED BY

CLUSTERED BY指定Hash Key，MaxCompute将对指定列进行Hash运算，按照Hash值分散到各个Bucket里面。为避免数据倾斜，避免热点，取得较好的并行执行效果，CLUSTERED BY列适宜选择取值范围大，重复键值少的列。此外，为了达到Join优化的目的，也应该考虑选取常用的Join/Aggregation Key，即类似于传统数据库中的主键。

SORTED BY

SORTED BY子句用于指定在Bucket内字段的排序方式，建议Sorted By和Clustered By一致，以取得较好的性能。此外，当SORTED BY子句指定之后，MaxCompute将自动生成索引，并且在查询的时候利用索引来加快执行。

INTO number_of_buckets BUCKETS

INTO ... BUCKETS 指定了哈希桶的数目，这个数字必须提供，但用户应该由数据量大小来决定。Bucket越多并发度越大，Job整体运行时间越短，但同时如果Bucket太多的话，可能导致小文件太多，另外并发度过高也会造成CPU时间的增加。目前推荐设置让每个Bucket数据大小在500MB - 1GB之间，如果是特别大的表，这个数值可以再大点。

目前，MaxCompute只能在Bucket Number完全一致的情况下去掉Shuffle步骤，我们下一个发布，会支持Bucket的对齐，也就是说存在Bucket倍数关系的表，也可以做Shuffle Remove。为了将来可以较好的利用这个功能，我们建议Bucket Number选用2的N次方，如512，1024，2048，最大不超过4096，否则影响性能以及资源使用。

对于Join优化的场景，两个表的Join要去掉Shuffle和Sort步骤，要求哈希桶数目一致。如果按照上述原则计算两个表的哈希桶数不一致，怎么办呢？这时候建议统一使用数字大的Bucket Number，这样可以保证合理的并发度和执行效率。如果表的大小实在是相差太远，那么Bucket Number设置，可以采用倍数关系，比如1024和256，这样将来我们进一步支持哈希桶的自动分裂和合并时，也可以利用数据特性进行优化。

更改表属性
对于分区表，我们支持通过ALTER TABLE语句，来增加或者去除Hash Clustering属性：

ALTER TABLE table_name

[CLUSTERED BY (col_name [, col_name, ...]) [SORTED BY (col_name [ASC | DESC] [, col_name [ASC | DESC] ...])] INTO number_of_buckets BUCKETS
ALTER TABLE table_name NOT CLUSTERED;

关于ALTER TABLE，有几点需要注意：

alter table改变聚集属性，只对于分区表有效，非分区表一旦聚集属性建立就无法改变。
alter table只会影响分区表的新建分区（包括insert overwrite生成的），新分区将按新的聚集属性存储，老的数据分区保持不变。
由于alter table只影响新分区，所以该语句不可以再指定PARTITION
ALTER TABLE语句适用于存量表，在增加了新的聚集属性之后，新的分区将做hash cluster存储。

表属性显示验证
在创建Hash Clustering Table之后，可以通过：

DESC EXTENDED table_name;

来查看表属性，Clustering属性将显示在Extended Info里面，如下图所示：

对于分区表，除了可以使用以上命令查看Table属性之后，于是需要通过以下命令查看分区的属性：

DESC EXTENDED table_name partition(pt_spec);

例如：

Hash Clustering的其他优点
Bucket Pruning优化
考虑以下查询：

CREATE TABLE t1 (id bigint, a string, b string) CLUSTERED BY (id) SORTED BY (id) into 1000 BUCKETS;
...
SELECT t1.a, t1.b, t1.c FROM t1 WHERE t1.id=12345;

对于普通表，这个通常意味着全表扫描操作，如果表非常大的情况下，资源消耗量是非常可观的。但是，因为我们已经对id做Hash Shuffle，并且对id做排序，我们的查询可以大大简化：

通过查询值"12345"找到对应的Hash Bucket，这时候我们只需要在1个Bucket里面扫描，而不是全部1000个。我们称之为“Bucket Pruning”。

以下是安全部基于User ID查询场景的一个例子。下面这个logview是普通的表的查询操作，可以看到，由于数据量很大，一共起了1111个Mapper，读取了427亿条记录，最后找符合条件记录26条，总共耗时1分48秒：

同样的数据，同样的查询，用Hash Clustering表来做，我们可以直接定位到单个Bucket，并利用Index只读取包含查询数据的Page，可以看到这里只用了4个Mapper，读取了10000条记录，总共耗时只需要6秒，如果用service mode这个时间还会更短：

Aggregation优化
例如，对于以下查询：
SELECT department, SUM(salary) FROM employee GROUP BY (department);

在通常情况下，我们会对department进行Shuffle和Sort，然后做Stream Aggregate，统计每一个department group。但是如果表数据已经CLUSTERED BY (department) SORTED BY (department)，那么这个Shuffle和Sort的操作，也就相应节省掉了。

存储优化
即便我们不考虑以上所述的各种计算上的优化，单单是把表Shuffle并排序存储，都会对于存储空间节省上有很大帮助。因为MaxCompute底层使用列存储，通过排序，键值相同或相近的记录存放到一起，对于压缩，编码都会更加友好，从而使得压缩效率更高。在实际测试中，某些极端情况下，排序存储的表可以比无序表的存储空间节省50%。对于生命周期很长的表，使用Hash Clustering存储，是一个很值得考虑的优化。

以下是一个简单的实验，使用100G TPC-H lineitem表，包含了int，double，string等多种数据类型，在数据和压缩方式等完全一样的情况下，hash clustering的表空间节省了~10%。

测试数据及分析
对于Hash Clustering整体带来的性能收益，我们通过标准的TPC-H测试集进行衡量。测试使用1T数据，统一使用500 Buckets，除了nation和region两个极小的表以外，其余所有表均按照第一个列作为Cluster和Sort Key。

整体测试结果表明，在使用了Hash Clustering之后，总CPU时间减少17.3%，总的Job运行时间减少12.8%。

具体各个Query CPU时间对比如下：

Job运行时间对比如下：

需要注意到是TPC-H里并不是所有的Query都可以利用到Clustering属性，特别是两个耗时最长的Query没有办法利用上，所以从总体上的效率提升并不是非常惊人。但如果单看可以利用上Clustering属性的Query，收益还是非常明显的，比如Q4快了68%，Q12快了62%，Q10快了47%，等等。

以下是TPC-H Q4在普通表的Fuxi执行计划：

而下面则是使用Hash Clustering之后的执行计划，可以看到，这个DAG被大大的简化，这也是性能得到大幅提升的关键原因：

功能限制及将来计划
目前Hash Clustering的第一阶段开发工作完成，但还存在以下限制和不足：

不支持insert into，只能通过insert overwrite来添加数据。
不支持tunnel直接upload到range cluster表，因为tunnel上传数据是无序的。

MaxCompute Hash Clustering介绍

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原文地址：http://blog.51cto.com/14031893/2316443