ClickHouse

Тезисы

• ClickHouse — колоночная аналитическая база данных, разработанная Яндексом для высоконагруженных систем.
• Отличается высокой производительностью, компрессией данных и развитым набором аналитических функций.
• Оптимизирована для пакетной обработки данных, с поддержкой распределенной архитектуры.
• Основной движок — MergeTree, работающий с разреженными индексами и поддерживающий репликацию.
• Основные недостатки: отсутствие транзакций, низкая скорость точечного чтения, ограниченная поддержка SQL.
• Рекомендуется минимизировать частоту вставок данных, предпочтительно использовать крупные пачки.

ClickHouse — это колоночная база данных, разработанная Яндексом для работы с большими объемами данных. Она используется в таких сервисах, как Яндекс.Метрика и Яндекс.Музыка, а также в логировании. База данных отличается высокой производительностью, развитым набором аналитических функций и возможностью масштабирования. Однако для её эффективного использования важно понимать архитектурные особенности и ограничения.

ClickHouse хранит данные в формате колонок, что делает её особенно подходящей для аналитических задач. Такой подход позволяет значительно сократить объем хранимых данных за счет эффективной компрессии и обеспечивает высокую скорость обработки запросов, читающих большое количество строк, но небольшой набор столбцов.

Основные характеристики

• Колоночная база данных, оптимизированная для аналитических задач.
• Написана на C++ в Яндексе, используется в таких сервисах как Яндекс.Метрика, Яндекс.Музыка и для логирования.
• Распределенность “из коробки”: поддержка кластерной архитектуры.
• Особенности архитектуры: акцент на производительность (Partition, Tolerance, Availability).

Встроенные функции:

• Векторная обработка данных.
• Компрессия данных с возможностью настройки кодеков.
• Частичная поддержка геоданных и машинного обучения.
• Аналитические функции высокого уровня.

Недостатки

• Отсутствие транзакций: нет поддержки ACID.
• Ограничения на изменения данных: данные нельзя обновлять, только перезаписывать.
• Нет полноценного оптимизатора запросов.
• Низкая производительность точечного чтения: система рассчитана на чтение больших объемов данных.
• Ограниченная консистентность: реплики не всегда согласованы в режиме реального времени.
• Частичная поддержка SQL: не все возможности SQL реализованы.

Основной движок: MergeTree

База данных строится вокруг движка MergeTree, который оптимизирован для пакетной обработки данных. Для каждой таблицы создаётся директория на диске, где данные организованы следующим образом:

• Партиции: каждая партиция таблицы сохраняется в отдельной папке.
• Колонки: каждая колонка хранится в своём файле (*.bin).
• Индексы: разреженные индексы записываются в файл primary.idx. Индекс содержит каждое N-ое значение (по умолчанию index_granularity = 8192). Это значение это минимальное количество данных, которое за раз вычитывает ClickHouse, поэтому и не рекомендуется искать данные по одиночке.
• Файлы засечек: данные для быстрого доступа к определённым диапазонам значений сохраняются в файлах *.mrk2.

На базе MergeTree разработаны несколько модификаций, каждая из которых добавляет специфическое поведение при обработке данных:

• ReplacingMergeTree:
  • Позволяет во время слияния удалять дублирующиеся строки в рамках одной партиции.
  • Полезен для работы с данными, где возможны повторения, но требует осторожности при партиционировании по времени, так как схлопывание происходит только в рамках одной партиции.
• SummingMergeTree:
  • Может суммировать значения колонок во время слияния.
  • Подходит для задач агрегации, например, при работе с метриками.
• AggregatingMergeTree:
  • Специализирован для агрегаций, позволяя хранить предварительно агрегированные данные.
  • Используется в сценариях, где требуется обработка заранее рассчитанных метрик.
• CollapsingMergeTree:
  • Использует специальное поле sign (значения 1 или -1), чтобы схлопывать данные с одинаковым ключом.
  • Подходит для реализации обновлений через логическую отмену. Например, строка с sign = -1 удаляет соответствующую строку с sign = 1.
  • Схлопывание происходит в процессе слияния данных, оставляя только актуальные строки (последние добавленные с признаком 1).

Работа с данными

Вставка данных:

• Каждая операция вставки создаёт новую папку с данными (парт).
• В фоновом режиме ClickHouse объединяет парты в рамках одной партиции, чтобы минимизировать количество мелких файлов. При этом старые версии данных помечаются неактивными и удаляются (по умолчанию через 8 минут).
• Если при создании таблицы не заданы партиции, все данные будут сохраняться в одну папку, что может снизить производительность при большом количестве вставок.

Сортировка и индексация:

• Данные сортируются по полю, указанному в ORDER BY. Это определяет физическую организацию данных на диске.
• Порядок сортировки не может быть изменён после создания таблицы.

Компрессия данных:

• Каждая колонка может использовать собственный кодек для сжатия, который можно менять без пересоздания таблицы. Новые вставки начнут использовать новый кодек.
• При слиянии партов данные распаковываются и сжимаются заново. Это практически не влияет на скорость операций.

Репликация

Особенности репликации:

• Доступна только для движков семейства MergeTree.
• Репликация выполняется на уровне таблиц, можно выбрать нужные таблицы и реплицировать только их.
• Репликация происходит на уровне сжатых данных для операций INSERT и ALTER.
• Для координации используется ZooKeeper:
  • При недоступности ZooKeeper реплики переходят в режим read-only.
  • ZooKeeper управляет мержами реплик и предотвращает расхождения данных.
  • Обеспечивается асинхронная репликация с возможностью настройки количества реплик, ожидающих подтверждения.
• Репликация master-master: управление мержами реплик через ZooKeeper.
• Атомарная запись блоков с дедупликацией: для последних 100 вставок хранится хеш-сумма, реализуя идемпотентные операции.

Рекомендации

Чтобы использовать ClickHouse максимально эффективно, придерживайтесь следующих рекомендаций:

Оптимизация вставок

• Избегайте одиночных вставок. Они создают множество мелких партов, что приводит к снижению производительности.
• Используйте пакетные вставки с помощью инструментов:
  • KittenHouse — внешний инструмент на Go (разработан в VK).
  • ClickHouse-bulk — утилита для обработки массовых вставок.
  • Buffer Table — встроенный механизм для накопления данных.

Мета информация

Область:: 00 Разработка
Родитель::
Источник::
Создана:: 2024-11-26
Автор::

Дополнительные материалы

Дочерние заметки