摘要：在2019大数据技术公开课第一季《技术人生专访》中，阿里巴巴云计算平台高级技术专家苑海胜为大家分享了《MaxCompute 与大数据查询引擎的技术和故事》，主要介绍了MaxCompute与MPP Database的异同点，分布式系统上Join的实现，且详细讲解了MaxCompute针对Join和聚合引入的Hash Clustering Table和Range Clustering Table的优化。
以下内容根据演讲视频以及PPT整理而成。
一、MaxCompute VS MPP Database
MaxCompute 与 MPP Database有非常大的不同，主要体现在性能（Performance）、成本（Cost）、可扩展性（Scalability）及灵活性（Flexibility）等度量纬度。
- 性能（Performance）：作为一个数据仓库，大家首先关心的指标是性能。MPP Database典型的产品有Greenplum，Vertica和Redshift等，它们主要针对的在线实时数据的分析，性能要求一般是毫秒级别。而MaxCompute多数场景应用在离线数据下，MaxCompute需要动态的拉起进程和数据封装，如果进行MapReduce还涉及数据落地，所以离线数据的分析会比较慢，这也导致MaxCompute无法适用于实时场景。但在大量数据场景下，MaxCompute会展示出优势，它可以动态调整Instance数量，保证有足够多的Instance处理数据。 而MPP Database一旦开启了固定的Cluster和Node之后，数据量较大时会受到集群计算资源的限制。
- 成本（Cost）：MaxCompute在cost层面占较大优势。首先，数据存储在阿里云上，计算部分也只需要为所付出的计算资源付费，不计算时只需为存储资源付费。而MPP Database一旦开启一定的资源，即使不使用也需要付费。
- 可扩展性（Scalability）：阿里云在起初也使用过MPP Database，MPP Database刚开始就设定了固定的cluster，但是由于阿里云内部的业务数据在不断的增加，导致计算资源严重不足。MaxCompute可以动态分配资源，根据计算的复杂度实时调整Instance数量，保证较高的可扩展性。
- 灵活性（Flexibility）：MaxCompute不仅可以处理SQL的查询，还可以处理MapReduce，以及能够查询Machine Learning节点。由于MaxCompute的高扩展性和灵活性，它可以支持阿里云内部95%的数据计算，承载的任务也非常多。
二、分布式系统上Join的实现
Query Plan Generation流程：首先用户会提交SQL给Parser，Parser将其编译成Relation节点，然后将Relation的节点交给优化器Optimizer，经过一系列的优化，其中包括根据物理转化和逻辑转化。Cost model从中选择代价最低的物理的执行计划。Transformer将最优的计划转成Physical Operator tree，并且将Physical Operator tree交给Manager。Manager启动实例，并交给RunTime执行此次query。这过程中，Cost model从Metadata中获取统计信息（如表的宽度和行数），来选择最优的计划，Apache Calcite被用来作用于Optimizer的框架。
Optimizer Core Components：逻辑运算符（Logical Operator）主要描述要做哪些事情，如LogicalInnerJoin做InnerJoin， LogicalScan做扫描，LogicalFilter做过滤。物理运算符（Physical Operator）主要描述怎么做，如HashJoin，MergeJoin及NLJoin代表不同的算法，IndexScan表示索引扫描，TableScan是全标扫描，PhysicalFilter是物理过滤器。逻辑运算符（Logical Operator）可以通过Logical Transformation Rules转化为新的逻辑运算符，还可以通过Logical Implementation Rules转化成物理运算符，如从InnerJoin转化成HashJoin。另外，物理运算符（Physical Operator）可以通过属性的强化（Physical Property Enforcement）产生新的物理运算符（Physical Operator），如通过Distribution满足分布的属性，通过Sort满足排序的属性。
下图展示了MaxCompute如何生成一个Join Plan。首先，Inner Join通过PartitionedJoinRule产生物理的plan，既Sort Merge Join，它存在盘古系统中，不满足分布的属性，所以MaxCompute需要进行Exchange。
也就是按照T1.a和T2.b进行Shuffle，Shuffle之后进行Sort Merge。有相同T1.a的值和T2.b的值会分在同一个bucket中。不同的bucket启动多个Instance，每个Instance处理每个bucket，从而进行分布式计算。其中在Shuffle时占用了较多的资源，它不仅有数据的读写，还包括排序。如何尽量减少排序从而加快数据处理速度是优化的关键。
假设T1或T2较小，那么可以将T2的全表广播到T1进行Hash Join，好处是T1不需要多次Shuffle，T2也不需要进行Hash计算和排序。这时Join Plan只包含两个stage，M2 stage对T2进行扫描，之后广播到T1。T1不需要进行Shuffle，使用T2全表的数据建Hash表，再通过T1部分数据进行Hash Build，最后得到Hash Join的结果。
三、MaxCompute针对Join和聚合引入的Hash Clustering Table和Range Clustering的优化
1.Hash Clustering Table
分布式系统上Join的实现会涉及非常多次的Shuffle，为此MaxCompute创建了Hash Clustering Table来实现优化。Hash Clustering Table对选择的column进行Hash，将不同的数据分配到不同的bucket里面，这也就说明在创建Hash Clustering Table时，已经进行了Shuffle和排序。基本语法如下图，clustered by 表明按照column进行Shuffle，sorted by 是按照column进行排序，number of buckets 推荐设置成2的n次方，方便与其它表进行Join。同时也推荐将clustered by和sorted by中的column设置为一样或者clustered by中的column包含sorted by中的column。因为Hash Clustering Table通常被用来做Join和Shuffle Remove，可以利用它已有的属性从而去除掉多余的Shuffle和排序，实现优化的目的。
详细步骤如下图，Merge Join对T1发送请求，拉取T1的属性。假设T1为Hash Clustering Table，T1反馈是按照T1.a进行Hash，Hash到100个bucket，同时按照T1.a进行排序。T2同理。这时产生的Join Plan就满足了M1，M2和R3的排序，最后所有的operator只需一个stage（M1），不需要多余的Shuffle。
与之相反，T2的反馈如果是None，Merge Join会发送请求，使T2按照T2.b进行Hash和排序，设置100个bucket。这时产生的Join Plan包含M1和M2两个stage，T2需要Shuffle，T1则不需要Shuffle，消除了一个stage的Shuffle。
假如T2的反馈是按照T2.b进行Hash，Hash到100个bucket，但排序不是T2.b。那么Merge Join 依然请求T2按照T2.b排序。这时Join Plan还是仅仅会有M1一个stage，其中只是多了Sort Operator，但没有多余的Shuffle。
如果T2设置了200个bucket，T1的100个bucket会被读两遍，进行过滤，T1的1个bucket会对应T2的2个bucket。这时依然没有Shuffle。
Hash Clustering Table的限制：Hash Clustering Table在Data Skew方面有明显的限制。当数据量非常大，将这些数据Hash到一个bucket中导致的后果便是拖慢整个cluster的计算速度。Hash Clustering Table只支持等值的bucket pruning，如果按照a分配bucket，a=5，对5获取Hash值，同时对Hash桶进行取模，那么Hash Clustering Table可以定位出a=5具体在哪个bucket中。但如果不等值，Hash Clustering Table便无法支持。Hash Clustering Table 要求所有的clustering key出现聚合key或者Join key中。在CLUSTERED BY C1， C2; GROUP BY C1情况下，Hash Clustering Table无法实现优化。同样，CLUSTERED BY C1， C2; … Join .. ON a.C1 == b.C1 也无法实现优化，Hash Clustering Table 要求Join key 包含C1和C2。
2.Range Clustering Table
Range Clustering Table 顾名思义，按照Range进行排序。MaxCompute自动的决定每个bucket的范围。
Range Clustering Table怎样确定bucket的范围？如下图，第一层是Mappers，中间是Job Manager，下一层是Reducers。首先在Stage1进行排序，之后从中抽取直方图，每个Worker将直方图发送给Job Manager。Job Manager合并直方图，根据数据量的大小决定合并成多少个bucket。Job Manager在将Bucket的范围再发送给Mappers，由Mappers决定每一条数据发送到具体哪个bucket。最后Reducers会得到具体的Aggregation Stage。
Range Clustering Table的优势非常明显，首先Range Clustering Table支持范围比较（Range Comparison）。 同时它可以支持在prefix keys上的聚合和Join，既在CLUSTERED BY C1， C2; GROUP BY C1 情况下，Range Clustering Table也可以支持优化。
Range Clustering Table如何实现Join：假设T1和T2的Range如下图，因为范围不同无法直接Join。这时需要进行范围的切分，将切分后的范围交给Join Workers，由它读取新的范围。如下图，w0读取T1的切分范围，将T2表的不必要范围剔除。
Range Clustering如何按照prefix keys进行Join：Join on prefix keys需要直方图和bucket的重新分配。假设按照a和b进行clustering，从直方图中可以知道a是从哪个地方切分的。对bucket重新分配之后可以更新bucket的范围，最后将新的bucket的范围发送给Join Worker
下图展示了在range表和normal表中TPCH的查询时间的对比。可以发现，速度总体上提升了60-70%，其中query 5, 17和21达到了数倍的速度的提升。
**3.Tips for Clustering Table **
如何选择正确的clustering keys，从而达到节省资源和降低速度的目的？下面有几点提示可以提供给大家。首先，如果有Join condition keys，Distinct values，Where condition keys（EQUAL/IN， GT/GE/LT/BETWEEN），那么可以针对这些已有的keys创建 Clustering Table。如果是Aggregate keys ，可以选择创建Range Clustering Table。对于 Window keys， 可以根据Partition keys和Order keys 创建clustering keys和sort keys。举例如下，SELECT row_number() OVER (PARTITION BY a ORDER BY b) FROM foo; 那么Optimizer执行Window时产生的plan是CLUSTERED BY a SORTED BY a，b INTO x BUCKETS，既按照a Shuffle，按照a和b进行排序。在一个bucket中a的值不可能都相同，与a不同的值可以认为是一个frame，在frame中还需要进行b排序，所以每个Instance是按照a和b进行排序。如此便省去了预先的计算，既不需要Shuffle也无需排序。
此外，需要注意即使两个Hash表是同样的分布，排序和bucket数量，但如果类型不同依然需要进行Shuffle，因为它们的binary表达方式不同，所以Hash的结果也会不同。另外，Clustering Table创建时耗费时间较长，假如创建Clustering Table之后并没有频繁查询，也会造成浪费。还需要注意Clustering Table尽量避免Data Skew。再一个，使用FULL OUTER Join增量更新时需要进行改写。
使用FULL OUTER Join进行增量更新： 如下图，分别是snapshot表和delta表，Join keys 是s.key和d.key，但在向新的partition插入表达式时无法判断新的SQL表达式是否满足数据的排序，所以还需要对数据进行再一次的Shuffle。下图中对SQL表达式进行了ANTI JOIN和 UNION ALL的改写，ANTI JOIN可以利用排序的属性，同时UNION ALL也是按照原来的key的分布和排序，如此就可以完全做到Shuffle Remove。
Clustering Table分区建议：创建Clustering Table时需要考虑分区的大小，太小的分区本身优化空间就不大反而可能引入小文件问题。假设设置1000个bucket就会生成1000个小文件，而这些小文件会对Mappers造成很大的压力。另外，分区读写比越高的表 cluster后可能得到的收益越大。由于创建Clustering Table耗时较多，那么读的频率较多就会有较大的优势。最后，字段利用率越高（列裁剪较少）的表，cluster后可能得到的收益越大。如果列裁剪之后使用到数据利用率较低，这表明浪费了较多的时间，所以cluster后的收益也不会很大。
本文作者：晋恒
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