李阳：京东零售OLAP平台建设和场景实践
作者：互联网
导读： 今天和大家分享京东零售OLAP平台的建设和场景的实践，主要包括四大部分：
- 管控面建设
- 优化技巧
- 典型业务
- 大促备战
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01 管控面建设
1. 管控面介绍
管控面可以提供高可靠高效可持续运维保障、快速部署小时交付的能力，尤其是针对ClickHouse这种运维较弱但是性能很高的OLAP核心引擎，管控面就显示得尤其重要。
2. 架构设计
管控面的整体架构设计如上图所示，从开始请求、域名解析和分流规则，到达后端服务adminServer，adminServer有一层校验层，校验完成后会向队列中发送任务，worker会不断地消费队列中的任务，消费完成后会将任务的结果写到后端的存储。如果有大量的集群的部署、配额的更改，就会有一系列的任务在这里完成。完成之后，再到数据部门进行保存，这就是整体的架构设计。
3. 业务管理
在业务管理方面，管控面可以提供以下功能：
- 可以用于用户的集群账号的申请；
- 业务级别的登记；
- 用户可以进行配额查询，这些配额主要包括查询数、执行的并发以及超时等；
- 用户可以自定义监控告警，通过这些监控告警去实时探索自己的整体服务的可靠性和稳定性；
- 慢查询统计告警，可以通过管控面看到当前集群业务有多少慢查询以及错误的查询、查询的总数等。
4. 运维管理
在运维管理方面：
第一，可以进行新集群的部署，比如物理资源或者容器资源已经申请好之后，可以及时进行创建资源，并及时给用户使用；
第二，比如ClickHouse有节点故障时（例如硬件故障如CPU、内存或磁盘故障），要进行及时的节点上下线或者节点替换，否则就会影响整个集群，一是影响DDL，二是影响写入。
第三，可以做配额的管控，这一点在大促中非常有用，它可以用于限制用户的查询数、并发还有超时等，防止突增的流量，导致集群的不稳定。
第四，可以进行集群的巡检，集群巡检之后，可以查看每个集群的服务状态，比如它是否可以创建表、删除表、插入数据、查询数据是否都正常等，也有实时告警集群巡检的服务状态。
以上就是我们京东零售OLAP管控面核心功能，它在集群运维方面不仅提升集群交付的效率，还节约运维的成本。
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02 优化技巧
1. 场景难点
京东零售是以电商交易和用户流量为核心的场景，有以下两方面难点：
- 第一点是交易的业务比较复杂，需要关联多张表、sql中的逻辑多，另外就是数据会实时更新，比如交易的状态和金额的变化、组织架构的变化等；
- 第二点是流量数据，它有个特点，首先追加不修改，其次是量大，因为包含了用户的点击和浏览等各类行为的数据，以及衍生的各种指标，比如UV的计算。最后是它的数据质量也会经常变化。
针对以上场景难点，我们主要用到了实时的数据更新，还有物化视图、join的优化。接下来通过一些具体案例详细讲解。
2. 实时数据更新
首先看一下实时数据更新。我们创建了两张表，一张是本地表，还有一张是分布式表。
本地表主要采用ReplacingMergeTree去重的引擎，字段分别是create_time创建时间、ID、comment注释，还有数据的版本，分区是创建时间进行格式化得到的天分区，然后按照ID进行排序键去重。现在的需求是对相同的ID进行实时的数据更新。
我们在集群的两个分片中，比如分片1插入了三条数据，分片2插入了三条数据都是相同的ID（0），但是查询分布式表发现，数据并没有去重。
第一种解决方式是使用optmize去重。通过执行一个optmize去重之后，通过查询本地表就发现optmize在多分区间和分片间不能去重，只能在同一个分区中去重。
第二种方式是使用final去重。通过查询一个本地表的final，发现刚才的11日和12日的数据只保留了一条数据，这时再通过查询分布式表final去重，发现有两条12日的数据，所以我们的结论是final的方式在多个分区间可以去重，但是在多分片间不能去重。
因为我们的集群都是多分片的，所以还有第三种方式——使用argMax。我们通过argMax加了一个数据的版本，可以选择最大的一个版本号，然后通过去查询分布式表，发现argMax可以在多分片间去重，这也是我们推荐使用的一种方式。
所以实时数据更新方式一般有以上三种，但是各种方案更新的范围不同，我们可以根据自己的业务场景去使用不同的去重方式，optmize可以在分区范围内去重，final可以在本地表范围内驱动，而argMax可以在分布式表范围内去重。
3. 物化视图
接下来，我们看一下物化视图。使用物化视图的场景，比如：业务最近3小时看小时的数据，三天之前想看天粒度的数据，这时候物化视图，就是很好的选择。那么物化视图该如何使用？我们看一下这个案例，有一张明细表test，它大概有13亿行左右，直接实时的count聚合进行查询，发现它的耗时大概是2.1秒左右，怎样能让查询变得更快一些？
我们创建了一张物化视图，对原始表进行预聚合，物化视图选用了SummingMergeTree，这是聚合的一种引擎，大家也可以选择其他引擎去聚合。它会根据排序键进行二次聚合，也就是 Date 字段。还有一个select语句，它的作用是通过批次写入，把这个select语句写入到物化视图列表中。
我们创建物化视图之后，再去执行相同的语句，查询性能提升了大概113倍，耗时0.002秒左右，所以物化视图在比如量大而且可以预聚合的这种场景下非常好用。
那么物化视图就又是什么原理能够达到这样的效果?整体如图所示。
物化视图会创建一个隐藏的内表来保存视图里面的数据，然后物化视图会将写入原始表的数据，也就是通过select第一次聚合后的结果，写入物化视图的内表中列表，再根据排序键进行二次聚合，这样原始表的数据量会大量减少，查询就可以得到加速。
4. join优化
在正式介绍join优化前先补充一点基础知识：对本地表的查询我们称之为部分查询，以下划线L为结尾的表称为本地表。在做这种优化之前，先看一下整体的分布式表执行的流程。
首先分布式表会将查询拆分成对本地表的查询。比如city在精确去重之后，查询分布式表，通过路由下发到各个分片的本地表上面进行查询，然后第一个接收到的查询的节点，再将本地的查询部分的结果进行合并，返回给用户，这是整体分布式表执行的流程。
join的执行过程如上图所示。比如select id, name, score from student join score，首先展开分布式表，向每个分片分发请求，计算左表的每个本地表join的结果，第二步当分片收到1中的请求后，需要计算右表的结果，向每个分片再发送请求。这样假如集群有100个分片，就需要100×100的部分查询，每一次展开都要通过磁盘网卡，都会有耗时。
第一种优化是global join。在原始的查询中，会先计算右表结果，展开第一个分布式表，然后合并，成为一个临时表，假设命名为b_004，这是第一次展开。第二次展开时，它会将临时表b_004发送，所有的分片计算部分的join结果，就是第二次展开的分布式表，然后第三步，合并2中的结果，为最终的结果。这样整体的global join就是，假如我们有100个分片，就只需要2×100次的部分查询，大大减少了查询。
第二种优化方案就是本地join，将右表的分布式表改成本地表。这种方式的执行流程是，我们展开左表，只需要把左表的分布式表下发到各个分片上面，而右边它本身就是本地表，就直接进行合并计算，最后会合并整个部分结果即为最终的结果。假如总共有100个分片，只需要展开100次，下发每个分片，100次的查询就行了，这样就减少了带宽消耗，提升了性能。
可以优先使用本地join，其次是global join，最后要小表放在右边，这样就可以提升join的性能。
以上就是我们针对业务场景难点的一些优化技巧。
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03 典型业务
我们也希望实现高并发查询，有大吞吐的写入，但是ClickHouse在默认的配置下，不支持高并发的查询，而且写入也很慢，这是我们业务上的两大痛点。下面具体看一下两种场景。
1. 高并发查询
以广告实时跟单项目为例，它是用于实时产生广告效果，最终数据报表展示，帮助广告主执行营销计划落地。如图所示，可以看到每秒的QPS达到将近2000，这是618时候的一个截图。我们的集群整体的配置是7分片6副本1进程，硬件的配置是42台32C128G，900G*3的SSD的磁盘，整个集群的QPS可以达到2000。当然这个配置如果要达到2000的话，我们要进行一系列的技术优化。
首先第一点技术优化就要增加副本，因为增加副本可以提升整个集群的并发能力。第二是max_threads，减少每一个查询所用的线程数，ClickHouse如果不设置这个参数，会用物理内核的所有线程去进行查询，这样就会导致有些任务无法调度，所以要设置这个参数。第三就是要调整query_thread_log的存储，因为大量的QPS过来，会有很多的请求日志，如果我们不调整存储，很快就会将磁盘打满，造成集群的不可用。
上图展示了优化前后的最大稳定运行并发数。优化前，大概只能达到1000QPS，同样的集群下优化后可以稳地运行在2000QPS左右，可以满足业务需求。
2. 大吞吐写入
第二个典型业务是大吞吐的写入。以京东云监控项目为例，它负责京东云负载均衡访问日志的存储，日志量极其大，单集群写作的峰值可以达到6000亿条/天，还可以保持数据的强一致。可以看到集群日常大概是3G/秒，大促可达到6G/秒。我们的集群配置是60分片两副本1进程，硬件配置是120台64核的256G1T*1的SSD。
这样集群配置下，我们可以实现这6000亿条每天的写入。为支持这个写入量，我们也需要一系列的技术优化。
第一点就是引入了chproxy流量负载均衡，请求粒度细化至每条sql，这样每一个sql请求都会路由到不同的节。如果不引入chproxy，就会通过域名的方式直连客户端，直连集群，如果连接不及时释放，就会一直往节点里写，很容易就把集群单节点打爆了。引入了chproxy的流量负载平衡之后，sql就可以均衡地路由到各个节点。
第二点就是本地表的写入，可以提升整体的写入性能，大概是分布式表的两到三倍左右。
最后我们看一下优化前后，每天最大的写入量，优化前大概是1000亿每天，优化后可以达到6000亿每天，这样就实现了大吞吐的写入。
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04 大促备注
电商场景下，经常遇到大促备战，需要保证olap服务的稳定性。
大促备战的整体流程如图所示，我们在不同的时间段需要做不同的事情。一开始是启动备战制定备战方案，收集业务的资源需求，梳理业务等级，接下来是集群的扩容压测，还有故障演练优化等，最后迎来开门红，决战618。
我们的OLAP是如何保证业务的呢？
第一，业务资源收集以及等级确认。大促前，我们平台会向业务收集有资源的需求以及等级确认，并做合理的规划和分配，来保障大促的流量急增时有足够的资源支撑运转。比如资源需求，可能有新上线的业务、扩容的业务、迁移的业务，还有替换已有集群的业务，这些都是我们大促之前要进行梳理的，这样可以提前做好预案。
第二，业务方要及时的订阅监控和报警。比如监控有CH系统层的、服务层的，还有CH查询和写入层的监控。我们有两个告警系统：一个是服务层的，比如监控CH的一些重要的指标，ZK的一些监控告警，以及chproxy流量负载的一些监控报警等；另一个是系统层的MDC告警，例如CPU、内存、磁盘、连通性，这些主要是监控硬件是否有故障。右图就是报警和监控的样例，我们可以通过它们来及时修复集群故障，也需要业务方去订阅这些监控和报警，来一起监督整个集群的稳定性和可靠性。
大促集群是如何保障的呢？
第一点是压测。我们要进行高保真的一些压测，压测的结果，要设置合理的配额，比如我们共享集群的CPU一般是40%，独占集群是80%，我们通过这些目标值设置业务的合理的配额。如果压测有问题，我们可以及时的协助业务方进行优化，来满足他们的QPS和集群的稳定性。
第二点是故障演练。我们的故障演练有很多，其中第一就是双流切换。比如我们的零级业务就是非常核心的业务，要进行主备双流，在不同的机房分别部署了两个集群，如果同一个机房有问题，要及时切到备用集群去。另外就是故障的修复。故障发生后，我们要通过管控面进行及时下线或者替换，来保证集群的稳定性和业务的可用性。
第三点就是降级措施。我们的降级措施会针对不同的业务等级进行合理分配，尤其是大促的时候不参加压测的业务。如果不参加压测，我们就会在大促前期进行业务降级，防止他们的突增流量影响大促核心业务，以保证大促时整体的集群稳定性。
以上三点就是我们集群保障最核心的三个步骤，从一开始的高保真压测，到故障的演练，再到最后的降级措施，我们都会和业务方一起去完成，以保证整体稳定运行。
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05 精彩问答
Q：请问老师您在这个话题中遇到的最大的挑战是什么？
A：我遇到的最大挑战就是解决高并发的问题，因为高并发瞬间QPS能达到2000以上，而我们的ClickHouse默认就是100个并发。我们在高并发方面做出了很多技术调优，可以让业务达到高并发的场景。高并发的场景，遇到过很多问题，我们首先增加了多副本（一般默认情况下就是三副本或者两副本来保证数据的安全），因为每增加一台副本，就可以提升整体的一个分片的查询能力。我们还进行了一些参数调优，比如如果高并发过来，有很多的队列，这些线程我们都要去控制好，不然很容易就无法调度了。另外，高并发场景会很容易把集群的一些日志给打满，因为我们的每一条查询都会记录一条日志，我们要把日志的表的存储周期设置小一点。还要加快它的merge，因为如果不加快merge，删除数据就很慢，也很容易将磁盘打满，这是查询日志的方面。第三点就是高并发很容易触发我们的一些配额的限制，我们要对它进行一些放大。我们要进行内存的一些限制，如果不进行这些限制，或者是不放大这些限制都会引发QPS达不到，造成整体的稳定性和可用性不够。
还有一个难点是join的优化，效能优化里面其中有一个是本地join，本地join我们也做了很多的测试。比如和字典表做对比，我们发现字典表在100万以下的数据量，就是使用字典表做join性能较好，100万以上我们发现用本地join就非常好，我们通过一系列的测试实验才得到这个结论。一开始我们都是用字典表去进行黄金眼刷，但是我们最后发现在一定的性能之上，字典表还不如本地表的join。大量的POC才得到了这个结论。所以大家在字典表和本地join，也可以自己做一下全面的性能测试。
以上就是我们的两点挑战。
Q：OLAP是什么？主要用哪些引擎？
A：OLAP是在线的多维高性能实时分析服务，专业术语就是在线联机查，和mysql OLTP在线事务查询是两种不同的类型。OLAP主要面向海量数据。
我们京东零售主要用clickhouse为主、doris为辅的两个引擎。现在最流行的就是ClickHouse，其次是doris和druid这两个引擎，但是现在很多大厂，包括腾讯阿里字节都在往ClickHouse上面转，当然京东零售也应用ClickHouse两三年了。我们也进行了一系列的内核的研发，解决一些zookeeper的性能，还有在线弹性伸缩系统的一些东西，因为ClickHouse在弹性伸缩系统方面不太好，所以我们也在做这方面的工作。
Q：看到有一个业务场景中使用了120台高配置的机器，那么如果申请到这么多的资源进行业务支持，怎么考虑投入产出？
A：我们投入了120台，产出就是可以把整个京东云的所有的负载均衡。第一，我们为什么要用120台，为什么要用SSD的机型？还有为什么这么高配的机器？因为它的写入量很大，平均每天大概6000亿，算出每秒大概有1000万的数据量在往集群里写，如果不用这么高配的机器，磁盘已经是SSD了，它的性能永远达不到这个效果。第二点就是投入产出比，我们可以通过这个集群监控整个京东云的日志，还有负载均衡的效果。比如京东云，一是对外，二是对内，监控和负载均衡都是非常重要的，所以用了我们的京东零售的OLAP来实监控京东云的一个整体效果，还有整体稳定性，这样产出比就非常大。
Q：主备库切换时数据有延迟吗，如何做到让用户感知最小？
A：主备库切换，我们采用的是双写的流程，我们核心的业务都是双写的，就算在日常也都是双写，然后分流去查询，不会造成主备储备的集群的空闲。大促的时候，会采用一个百分比，比如说或者100%在主机型另一个集群就是当做备用，或者是会按照一定的比例80%-20%左右采用双写。业务方切换的时候基本上没有任何延迟，只是将域名切换了一下，数据都是在实时写入，两个集群，基本上没有延迟。这是我们准备切换的一个功能。
Q：想问一下咱们的调优过程是怎么样的？
A：我们的调优过程先是结合自己的经验，去优化一些参数，业务再进行压测。因为想达到这么大的QPS和这么高的大吞吐的写入，要时常进行压测，压测时如果遇到问题，会进行内核源码的分析，然后再进行一系列参数调优或者内核优化。
本文首发于微信公众号“DataFunTalk”。
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