Что такое ClickHouse

ClickHouse - столбцовая система управления базами данных (СУБД) для онлайн обработки аналитических запросов (OLAP).

В обычной, "строковой" СУБД, данные хранятся в таком порядке:

СтрокаWatchIDJavaEnableTitleGoodEventEventTime
#053855214893543506621Investor Relations12016-05-18 05:19:20
#153855214903295099580Contact us12016-05-18 08:10:20
#253855214899537060541Mission12016-05-18 07:38:00
#N...............

То есть, значения, относящиеся к одной строке, физически хранятся рядом.

Примеры строковых СУБД: MySQL, Postgres, MS SQL Server.

В столбцовых СУБД, данные хранятся в таком порядке:

Строка:#0#1#2#N
WatchID:538552148935435066253855214903295099585385521489953706054...
JavaEnable:101...
Title:Investor RelationsContact usMission...
GoodEvent:111...
EventTime:2016-05-18 05:19:202016-05-18 08:10:202016-05-18 07:38:00...

В примерах изображён только порядок расположения данных. То есть, значения из разных столбцов хранятся отдельно, а данные одного столбца - вместе.

Примеры столбцовых СУБД: Vertica, Paraccel (Actian Matrix, Amazon Redshift), Sybase IQ, Exasol, Infobright, InfiniDB, MonetDB (VectorWise, Actian Vector), LucidDB, SAP HANA, Google Dremel, Google PowerDrill, Druid, kdb+.

Разный порядок хранения данных лучше подходит для разных сценариев работы. Сценарий работы с данными - это то, какие производятся запросы, как часто и в каком соотношении; сколько читается данных на запросы каждого вида - строк, столбцов, байт; как соотносятся чтения и обновления данных; какой рабочий размер данных и насколько локально он используется; используются ли транзакции и с какой изолированностью; какие требования к дублированию данных и логической целостности; требования к задержкам на выполнение и пропускной способности запросов каждого вида и т. п.

Чем больше нагрузка на систему, тем более важной становится специализация под сценарий работы, и тем более конкретной становится эта специализация. Не существует системы, одинаково хорошо подходящей под существенно различные сценарии работы. Если система подходит под широкое множество сценариев работы, то при достаточно большой нагрузке, система будет справляться со всеми сценариями работы плохо, или справляться хорошо только с одним из сценариев работы.

Ключевые особенности OLAP сценария работы

  • подавляющее большинство запросов - на чтение;
  • данные обновляются достаточно большими пачками (> 1000 строк), а не по одной строке, или не обновляются вообще;
  • данные добавляются в БД, но не изменяются;
  • при чтении, вынимается достаточно большое количество строк из БД, но только небольшое подмножество столбцов;
  • таблицы являются "широкими", то есть, содержат большое количество столбцов;
  • запросы идут сравнительно редко (обычно не более сотни в секунду на сервер);
  • при выполнении простых запросов, допустимы задержки в районе 50 мс;
  • значения в столбцах достаточно мелкие - числа и небольшие строки (пример - 60 байт на URL);
  • требуется высокая пропускная способность при обработке одного запроса (до миллиардов строк в секунду на один сервер);
  • транзакции отсутствуют;
  • низкие требования к консистентности данных;
  • в запросе одна большая таблица, все таблицы кроме одной маленькие;
  • результат выполнения запроса существенно меньше исходных данных - то есть, данные фильтруются или агрегируются; результат выполнения помещается в оперативку на одном сервере;

Легко видеть, что OLAP сценарий работы существенно отличается от других распространённых сценариев работы (например, OLTP или Key-Value сценариев работы). Таким образом, не имеет никакого смысла пытаться использовать OLTP или Key-Value БД для обработки аналитических запросов, если вы хотите получить приличную производительность ("выше плинтуса"). Например, если вы попытаетесь использовать для аналитики MongoDB или Redis - вы получите анекдотически низкую производительность по сравнению с OLAP-СУБД.

Причины, по которым столбцовые СУБД лучше подходят для OLAP сценария

Столбцовые СУБД лучше (от 100 раз по скорости обработки большинства запросов) подходят для OLAP сценария работы. Причины в деталях буду разъяснены ниже, а сам факт проще проще продемонстрировать визуально:

Строковые СУБД

Строковые

Столбцовые СУБД

Столбцовые

Видите разницу?

По вводу-выводу

  1. Для выполнения аналитического запроса, требуется прочитать небольшое количество столбцов таблицы. В столбцовой БД для этого можно читать только нужные данные. Например, если вам требуется только 5 столбцов из 100, то следует рассчитывать на 20-кратное уменьшение ввода-вывода.
  2. Так как данные читаются пачками, то их проще сжимать. Данные, лежащие по столбцам также лучше сжимаются. За счёт этого, дополнительно уменьшается объём ввода-вывода.
  3. За счёт уменьшения ввода-вывода, больше данных влезает в системный кэш.

Для примера, для запроса "посчитать количество записей для каждой рекламной системы", требуется прочитать один столбец "идентификатор рекламной системы", который занимает 1 байт в несжатом виде. Если большинство переходов было не с рекламных систем, то можно рассчитывать хотя бы на десятикратное сжатие этого столбца. При использовании быстрого алгоритма сжатия, возможно разжатие данных со скоростью более нескольких гигабайт несжатых данных в секунду. То есть, такой запрос может выполняться со скоростью около нескольких миллиардов строк в секунду на одном сервере. На практике, такая скорость действительно достигается.

Пример

$ clickhouse-client
ClickHouse client version 0.0.52053.
Connecting to localhost:9000.
Connected to ClickHouse server version 0.0.52053.

:) SELECT CounterID, count() FROM hits GROUP BY CounterID ORDER BY count() DESC LIMIT 20

SELECT CounterID, count() FROM hits GROUP BY CounterID ORDER BY count() DESC LIMIT 20

┌─CounterID─┬──count()─┐ │ 114208 │ 56057344 │ │ 115080 │ 51619590 │ │ 3228 │ 44658301 │ │ 38230 │ 42045932 │ │ 145263 │ 42042158 │ │ 91244 │ 38297270 │ │ 154139 │ 26647572 │ │ 150748 │ 24112755 │ │ 242232 │ 21302571 │ │ 338158 │ 13507087 │ │ 62180 │ 12229491 │ │ 82264 │ 12187441 │ │ 232261 │ 12148031 │ │ 146272 │ 11438516 │ │ 168777 │ 11403636 │ │ 4120072 │ 11227824 │ │ 10938808 │ 10519739 │ │ 74088 │ 9047015 │ │ 115079 │ 8837972 │ │ 337234 │ 8205961 │ └───────────┴──────────┘

20 rows in set. Elapsed: 0.153 sec. Processed 1.00 billion rows, 4.00 GB (6.53 billion rows/s., 26.10 GB/s.)

:)

По вычислениям

Так как для выполнения запроса надо обработать достаточно большое количество строк, становится актуальным диспетчеризовывать все операции не для отдельных строк, а для целых векторов, или реализовать движок выполнения запроса так, чтобы издержки на диспетчеризацию были примерно нулевыми. Если этого не делать, то при любой не слишком плохой дисковой подсистеме, интерпретатор запроса неизбежно упрётся в CPU. Имеет смысл не только хранить данные по столбцам, но и обрабатывать их, по возможности, тоже по столбцам.

Есть два способа это сделать:

  1. Векторный движок. Все операции пишутся не для отдельных значений, а для векторов. То есть, вызывать операции надо достаточно редко, и издержки на диспетчеризацию становятся пренебрежимо маленькими. Код операции содержит в себе хорошо оптимизированный внутренний цикл.

  2. Кодогенерация. Для запроса генерируется код, в котором подставлены все косвенные вызовы.

В "обычных" БД этого не делается, так как не имеет смысла при выполнении простых запросов. Хотя есть исключения. Например, в MemSQL кодогенерация используется для уменьшения latency при выполнении SQL запросов. (Для сравнения - в аналитических СУБД, требуется оптимизация throughput, а не latency).

Стоит заметить, что для эффективности по CPU требуется, чтобы язык запросов был декларативным (SQL, MDX) или хотя бы векторным (J, K). То есть, чтобы запрос содержал циклы только в неявном виде, открывая возможности для оптимизации.