第01期：一文了解 ClickHouse

一、简介

1.1 ClickHouse 是什么？

ClickHouse 是 Yandex（俄罗斯最大的搜索引擎）开源的一个用于实时数据分析的基于列存储的数据库，其处理数据的速度比传统方法快 100-1000 倍。ClickHouse 的性能超过了目前市场上可比的面向列的 DBMS，每秒钟每台服务器每秒处理数亿至十亿多行和数十千兆字节的数据。

1.2 ClickHouse的一些特性：

1. 快速：ClickHouse 会充分利用所有可用的硬件，以尽可能快地处理每个查询。单个查询的峰值处理性能超过每秒 2 TB（解压缩后，仅使用的列）。在分布式设置中，读取是在健康副本之间自动平衡的，以避免增加延迟。
2. 容错：ClickHouse 支持多主机异步复制，并且可以跨多个数据中心进行部署。所有节点都相等，这可以避免出现单点故障。单个节点或整个数据中心的停机时间不会影响系统的读写可用性。
3. 可伸缩：ClickHouse 可以在垂直和水平方向上很好地缩放。ClickHouse 易于调整以在具有数百或数千个节点的群集上或在单个服务器上，甚至在小型虚拟机上执行。当前，每个单节点安装的数据量超过数万亿行或数百兆兆字节。
4. 易用：ClickHouse 简单易用，开箱即用。它简化了所有数据处理：将所有结构化数据吸收到系统中，并且立即可用于构建报告。SQL 允许表达期望的结果，而无需涉及某些 DBMS 中可以找到的任何自定义非标准 API。
5. 充分利用硬件：ClickHouse 与具有相同的可用 I/O 吞吐量和 CPU 容量的传统的面向行的系统相比，其处理典型的分析查询要快两到三个数量级。列式存储格式允许在 RAM 中容纳更多热数据，从而缩短了响应时间。
6. 提高 CPU 效率：向量化查询执行涉及相关的 SIMD 处理器指令和运行时代码生成。处理列中的数据会提高 CPU 行缓存的命中率。
7. 优化磁盘访问：ClickHouse 可以最大程度地减少范围查询的次数，从而提高了使用旋转磁盘驱动器的效率，因为它可以保持连续存储数据。
8. 最小化数据传输：ClickHouse 使公司无需使用专门针对高性能计算的专用网络即可管理其数据。

何时使用 ClickHouse：
用于分析结构良好且不可变的事件或日志流，建议将每个此类流放入具有预连接维度的单个宽表中。
何时不使用 ClickHouse：
不适合事务性工作负载（OLTP）、高价值的键值请求、Blob 或文档存储。

1.3 为什么 ClickHouse 速度这么快？

首先我们了解一下 OLAP 场景的特点：

1. 读多于写。
2. 大宽表，读大量行但是少量列，结果集较小。
3. 数据批量写入，且数据不更新或少更新。

针对分析类查询，通常只需要读取表的一小部分列。在列式数据库中你可以只读取你需要的数据。例如，如果只需要读取 100 列中的 5 列，这将帮助你最少减少 20 倍的 I/O 消耗。

由于数据总是打包成批量读取的，所以压缩是非常容易的。同时数据按列分别存储这也更容易压缩。这进一步降低了 I/O 的体积。由于 I/O 的降低，这将帮助更多的数据被系统缓存。

例如，查询《统计每个广告平台的记录数量》需要读取《广告平台 ID》这一列，它在未压缩的情况下需要 1 个字节进行存储。如果大部分流量不是来自广告平台，那么这一列至少可以以十倍的压缩率被压缩。当采用快速压缩算法，它的解压速度最少在十亿字节（未压缩数据）每秒。换句话说，这个查询可以在单个服务器上以每秒大约几十亿行的速度进行处理。这实际上是当前实现的速度。

ClickHouse 从 OLAP 场景需求出发，定制开发了一套全新的高效列式存储引擎

column-oriented 图片来源见水印相比于行式存储，列式存储在分析场景下有着许多优良的特性。

1. 如前所述，分析场景中往往需要读大量行但是少数几个列。在行存模式下，数据按行连续存储，所有列的数据都存储在一个 block 中，不参与计算的列在 IO 时也要全部读出，读取操作被严重放大。而列存模式下，只需要读取参与计算的列即可，极大的减低了 IO cost，加速了查询。
2. 同一列中的数据属于同一类型，压缩效果显著。列存往往有着高达十倍甚至更高的压缩比，节省了大量的存储空间，降低了存储成本。
3. 更高的压缩比意味着更小的 data size，从磁盘中读取相应数据耗时更短。
4. 自由的压缩算法选择。不同列的数据具有不同的数据类型，适用的压缩算法也就不尽相同。可以针对不同列类型，选择最合适的压缩算法。
5. 高压缩比，意味着同等大小的内存能够存放更多数据，系统 cache 效果更好。

二、安装实践

2.1 安装

sudo yum install yum-utils
sudo rpm --import https://repo.clickhouse.tech/CLICKHOUSE-KEY.GPG
sudo yum-config-manager --add-repo https://repo.clickhouse.tech/rpm/stable/x86_64
sudo yum install clickhouse-server clickhouse-client

本案例安装的是单机版本。yum 安装会自动创建 clickhouse 用户。

2.2 修改配置文件

yum 安装完成之后，配置文件，数据文件日志目录设置如下：

配置文件目录:/etc/clickhouse-server/
数据文件目录:/var/lib/clickhouse/
日志文件目录:/var/log/clickhouse-server/

clickhouse 相关的各个目录可以在配置文件 /etc/clickhouse-serverconfig.xml 中进行修改。

启动

sudo /etc/init.d/clickhouse-server start

连接

clickhouse-client -m #默认以 default 用户登录

在 /etc/clickhouse-server/users.xml 中可以设置其他用户的访问权限等。

clickhouse-client [--user=xxx --password=xxx --host=xxx]

2.3 速度测试

localhost :) SELECT
:-]     C_CITY,
:-]     S_CITY,
:-]     toYear(LO_ORDERDATE) AS year,
:-]     sum(LO_REVENUE) AS revenue
:-] FROM lineorder_flat
:-] WHERE (C_CITY = 'UNITED KI1' OR C_CITY = 'UNITED KI5') AND (S_CITY = 'UNITED KI1' OR S_CITY = 'UNITED KI5') AND year >= 1992 AND year <= 1997
:-] GROUP BY
:-]     C_CITY,
:-]     S_CITY,
:-]     year
:-] ORDER BY
:-]     year ASC,
:-]     revenue DESC;

SELECT 
    C_CITY, 
    S_CITY, 
    toYear(LO_ORDERDATE) AS year, 
    sum(LO_REVENUE) AS revenue
FROM lineorder_flat
WHERE ((C_CITY = 'UNITED KI1') OR (C_CITY = 'UNITED KI5')) AND ((S_CITY = 'UNITED KI1') OR (S_CITY = 'UNITED KI5')) AND (year >= 1992) AND (year <= 1997)
GROUP BY 
    C_CITY, 
    S_CITY, 
    year
ORDER BY 
    year ASC, 
    revenue DESC

┌─C_CITY─────┬─S_CITY─────┬─year─┬────revenue─┐
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1992 │ 5776096629 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1992 │ 5555883901 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1992 │ 5348705805 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1992 │ 5326870427 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1993 │ 5892974670 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1993 │ 5490859451 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1993 │ 5468354303 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1993 │ 5089909647 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1994 │ 5437315108 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1994 │ 5348775917 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1994 │ 5310936695 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1994 │ 5237461110 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1995 │ 5737551920 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1995 │ 5657584590 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1995 │ 5260093556 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1995 │ 5213763257 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1996 │ 5522325005 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1996 │ 5451244409 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1996 │ 5231759057 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1996 │ 5203962897 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1997 │ 5340760807 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1997 │ 5295685214 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1997 │ 5188428156 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1997 │ 5024634475 │
└────────────┴────────────┴──────┴────────────┘

24 rows in set. Elapsed: 1.723 sec. Processed 546.67 million rows, 4.46 GB (317.28 million rows/s., 2.59 GB/s.) 

扫描 1.7 秒处理 546w 的数据量，每秒处理 317w 行数据，速度是相当快了。

三、和其他列式存储的对比

没有银弹，各种数据存储类型还是要结合具体的场景使用。

图片来自 新浪 高鹏的 ppt 目前大量使用 ClickHouse 的互联网公司：
1. 今日头条内部用 ClickHouse 来做用户行为分析，内部一共几千个 ClickHouse 节点，单集群最大 1200 节点，总数据量几十 PB，日增原始数据 300TB 左右。
2. 腾讯内部用 ClickHouse 做游戏数据分析，并且为之建立了一整套监控运维体系。
3. 携程内部从 18 年 7 月份开始接入试用，目前 80% 的业务都跑在 ClickHouse 上。每天数据增量十多亿，近百万次查询请求。
4. 快手内部也在使用 ClickHouse，存储总量大约 10PB， 每天新增 200TB， 90% 查询小于 3S。
5. 在国外，Yandex 内部有数百节点用于做用户点击行为分析，CloudFlare、Spotify 等头部公司也在使用。当然还有一些没有关注到的公司也在大量使用，有兴趣的朋友可以积极尝试。

四、小结

本文是浅出的介绍了 Clickhouse 的是什么，有哪些新特性。需要深入学习还是要看官方文档，纸上来得终觉浅，绝知此事要躬行。

参考文章

1. https://www.cnblogs.com/zhoujinyi/p/12625655.html
2. https://clickhouse.tech/docs/zh/
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/98877249
4. https://github.com/ClickHouse-China/ClickhouseMeetup

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