作者 | 胡一博（上唐）
来源 | 阿里开发者公众号
导读：Hologres（原交互式分析）是阿里云自研的一站式实时数仓，这个云原生系统融合了实时服务和分析大数据的场景，全面兼容PostgreSQL协议并与大数据生态无缝打通，能用同一套数据架构同时支持实时写入实时查询以及实时离线联邦分析。它的出现简化了业务的架构，为业务提供实时决策的能力，让大数据发挥出更大的商业价值。在本文中，我们将会介绍数据实时入仓所面临的挑战，以及Hologres为了应对这些挑战在技术原理上的创新和演进，支撑实时数仓的高吞吐实时写入与更新，加速业务数据探索。
作者：胡一博（上唐），阿里云实时数仓Hologres资深研发。
数据实时入仓所面临的挑战：高性能、可更新、大规模
大数据场景下，实时数据如何写入实时数仓永远是一个比较大的话题，根据业务场景需求，常见的写入类型有：
1、Append only：传统日志类数据（日志、埋点等）中，记录（Record）和记录之间没有关联性，因此新来的记录只需要append到系统中就好了。这是传统大数据系统最擅长的一种类型。
2、Insert or Replace：根据设置的主键（Primary Key, PK）进行检查，如果系统中不存在此PK，就把这行记录append进系统; 如果存在，就把系统中旧的记录用新的记录整行覆盖。典型的使用场景有：
a.上游数据库通过Binlog实时同步，这种写入就是Insert or Replace。
b.Flink的结果实时写出。Flink持续刷新结果，需要Insert or Replace的写目标表。
c.Lambda架构下的离线回刷。Lambda架构下离线链路T+1回刷实时结果表中昨天的记录。
3、Insert or Update：通常使用在多个应用更新同一行数据的不同字段，实现多个数据源的JOIN。如果这行记录存在，各个应用直接根据PK去update各自的字段；但如果这行记录不存在，那么第一个要写入这行记录的应用就需要INSERT这行记录。典型的使用场景：
a.画像类应用。这类应用在实时风控、实时广告投放等非常常见。上游多个Flink Job实时计算画像的不同维度，并实时写入到同一行记录的不同字段中。
b.实时离线数据整合。在需要同时用到实时和离线计算的场合，把同一个PK的实时和离线结果放在同一行记录的不同字段中，就可以方便的同时取到实时和离线的计算结果。
下文中，我们把Insert or Replace和Insert or Update统称为Upsert。
而要保持非常高效的写入性能，实时数仓技术都面临着非常大的挑战，典型的挑战有以下几个方面：
挑战一：Merge on Read还是Merge on Write?
Upsert模式下，新旧数据的合并发生在什么时候，如果希望查询性能好，那么肯定希望合并发生在写入时（Merge on Write）。这样，在系统中任何时刻任一主键都只有一条记录；而如果希望写入性能好，那么就是写入不做合并，查询时再做合并（Merge on Read）。这对于查询是非常不友好的，极大限制查询性能。
Merge on Read原理示例：
Merge on Write原理示例：
挑战二：是否支持主键（Primary Key）模型？
实时数仓在数据模型上是不是支持主键对于Upsert的实时写入是至关重要的。如果没有主键，在写入侧数据的更新就很容易退化成全表更新，性能非常差，在查询侧，Merge On Read也无从做起。
挑战三：是否保证写入的Exactly Once？
如果上游因为failover等因素导致写入重复执行，能不能保证系统中只有一条记录（Merge on Write）或者查询时等效只有一条数据（Merge on Read）且是最新的数据？大数据系统复杂，上游系统failover是常态，不能因为上游failover，就导致实时数仓数据重复。
问题四：数据是否写入即可见？
数据写入的时效性也是实时数仓的重要能力之一。对于BI类等延迟不敏感的业务查询，如果写入时延几秒甚至几分钟可能是可以接受的。而对于很多生产系统，如实时风控、实时大屏等场景，要求数据写入即可见。如果写入出现延迟，就会查询不到最新的数据，严重影响线上业务决策。
挑战五：如何支持超大的数据量和超高的RPS实时写入（每秒记录数，Record Per Second）？
如果数据量小，写入RPS要求低，一个传统的数据库就能很好的解决这个问题。但是在大数据场景下，当RPS达到几十万几百万时，如何更好支持数据的实时写入？同时，如果目标表中已经有海量数量（十亿、百亿甚至更多）时，Upsert要求访问和订正已有数据，这时是否还能支持高性能的Upsert?
Hologres的实时写入模型与性能
Hologres是阿里自研的一站式大数据实时数仓，在设计之初就对实时写入场景进行了充分的考虑，主要有以下几个方面：
1、支持主键，可以高效利用主键更新、删除数据。
2、支持Upsert：完整支持高性能的Append Only、Insert or Replace、Insert or Update 3种能力，可根据业务场景选择写入模式。
3、对于列存表，自动使用Merge on Write方案。对于行存表，自动使用Merge on Read方案，原因如下：
a.对于列存表，主要是做复杂的OLAP分析，因此查询性能最重要。
b.对于行存表来说，查询主要是点查，此时Merge on Read单行的开销足够小，因此重点考虑写入性能。在阿里很多点查场景，写入要求非常高的RPS。
4、支持Exactly Once。通过单行SQL事务和主键PK自动去重来实现。无论是批量数据写入（一次更新几亿条记录），还是逐条记录实时写入，Hologres都是保证单条SQL的原子性（ACID）。而对于上游Flink等failover造成的SQL重发，Hologres通过目标表的主键，实现自动覆盖或者忽略（对于Upsert是自动覆盖；对于append，是自动忽略Insert or Ignore）。因此，目标表是幂等的。
5、写入即可见。Hologres没有类似ElasticSearch的build过程，也没有类似ClickHouse或者Greenplum的攒批过程，数据通过SQL写入时，SQL返回即表示写入完成，数据即可查询。因此通过Flink等实时写入（背后也是SQL写入）能满足写入即可见，无延迟。
这5个设计选取也是传统数据库的选择。经验证明，这对于用户来说是最自然、最友好的使用方式。Hologres的创新在于把这个方案成功的应用于大数据领域（超高RPS写入和超大存储量）。
下图为Hologres 128C实例下，10个并发实时写入20列的列存表的测试结果。其中竖轴表示每秒写入记录数，4个场景分别为：
- case1：写入无主键表；
- case2：写入有主键表(Insert or Replace)，并且每次INSERT的主键和表已有数据都不冲突；
- case3：写入有主键表(Insert or Replace)，并且每次INSERT的主键和表已有数据均冲突，表中数据量为2亿。
- case4：写入有主键表(Insert or Replace)，并且每次INSERT的主键和表已有数据均冲突，表中数据量为20亿。
结果解读：
- 对比case1和case2，可以看到Hologres判断主键是否存在性能损失较小；
- 对比case2，case3，case4，可以看到主键冲突时，hologres定位数据所在文件并标记DELETE基本不随数据规模上涨而上涨，可以应对海量数据下的高速Upsert。
与常见产品对比
Merge on Write模式下 实时写入与更新的常见原理
一个典型的Upsert（Insert or Replace）场景如下，一张用户表，通过INSERT INTO ON CONFLICT执行插入新用户/更新老用户操作：
CREATE TABLE users (
id int not null,
name text not null,
age int,
primary key(id)
);
INSERT INTO users VALUES (?,?,?)
ON CONFLICT(id) DO UPDATE
SET name = EXCLUDED.name, sex = EXCLUDED.sex, age = EXCLUDED.age;性能最高的实现方式是写入时APPEND ONLY不断写入新文件，在查询时进行数据逻辑合并（Merge on Read）。但这种对查询的性能打击是致命的，每次查询要多个版本的数据join过才能获取到一行最新的值。
实时数仓在写时合并（Merge on Write）方案下，Upsert的实现一般分为三步：
- 定位旧数据所在文件。
- 处理旧数据
- 写入新数据
要实现高RPS的实时Upsert，本质就是要把这3个步骤都做快。
1、定位旧数据所在文件
快速定位旧数据文件，有如下几种做法：
1）bloom过滤器
bloom过滤器原理上是为每个key生成若干个hash值，通过hash碰撞来判断是否存在相同的key。为每个文件生成一个bloom过滤器，可以明确排除不存在该key的文件。Bloom过滤器可以以很高的精度（99%甚至更高）确定一个Key不在一个文件中。
2）范围过滤器
范围过滤器就是记录文件内列的最大最小值，是一个代价非常小的过滤方式，当key基本处于一个递增态势是可以得到一个非常好的过滤效果。
3）外部索引
Hudi支持HBase索引，在HBase中保存PK->file_id的映射。HBase LSM-tree的存储结构对于key-value的查询非常高效，Hudi通过这种方式也不再需要去猜测哪些文件可能包含了这个PK。但是这里有两个问题：
- HBase状态和Hudi表状态的一致性，因为HBase和Hudi是独立的两套系统，一方如果发生故障可能导致索引失效。
- 性能上限是HBase的PK点查性能。要取得更好的写入性能是困难的。
2、处理旧数据+写入新数据
常见的是两种处理方法：
1）刷新数据文件
定位到数据所在文件后，将文件和新数据合并后生成一个新的数据文件覆盖旧文件。（Copy on Write）。Iceberg支持这种模式。这会导致非常严重的写放大。
2）引入delta文件
定位到数据所在文件后：
- 在数据文件对应的delta文件中标记该行旧数据为删除状态。
- 在delta中追加新数据的信息。
这种方式没有写放大，但是在查询时需要将数据文件和对应的delta文件做join操作。
Hologres 基于Memtable的写入原理
Hologres的实时写入与更新基本遵循Merge on Write的原理。对于实时数仓场景下的record级别的更新/插入，Hologres采用强主键的方式来让单行更新/插入足够轻量化，采用memtable + wal log的方式，支持高频次的写入操作。
1、文件模型
Hologres每张列存表底层会保存三种文件：
- 第一种是主键索引文件，采用行存结构存储，提供高速的key-value服务，索引文件的key为表的主键，value为unique_id和聚簇索引。unique_id每次Upsert自动生成，单调递增。主键索引文件实现高效的主键冲突判定并辅助数据文件定位；
- 第二种是数据文件，采用列存结构存储，文件内按照聚簇索引+unique_id生成稀疏索引，并对unique_id生成范围过滤器；
- 第三种是delete bitmap文件，每个file id对应一个bitmap，bitmap中第N位为1表示file id中的第N行标记为删除。delete bitmap在列存模型下，相当于是表的一列数据。Update时只刷新bitmap信息既保留了Merge on Write对查询性能几乎零破坏的优点，又极大降低了IO的开销。
三类文件都是先写入memtable，memtable达到特定大小后转为不可变的memtable对象，并生成新的memtable供后续写入使用。不可变的memtable对象由异步的flush线程将其持久化为磁盘上的文件。
2、Upsert流程
通过这个流程图可以看到：
- 如果主键没有发生冲突，那么一次Upsert的的开销= 一次索引查询 + 两次内存写入操作；
- 如果主键发生了冲突，那么一次Upsert的开销=一次索引查询 + 一次文件及行号定位 +三次内存写入操作。
3、Upsert示例
下面通过示例来展示一次Upsert的过程。假设pk为id，cluserting key为name，数据列为age。(deleted信息物理上存储于delete bitmap中，但逻辑上等同与表的一列，下文将合并在数据文件中一同描述）
CREATE TABLE users (
id text not null,
name text not null,
age int,
primary key(id)
);
表初始数据如下：
此时执行如下SQL：
INSERT INTO users VALUES ('u1','新李四',12)
ON CONFLICT(id) DO UPDATE
SET name = EXCLUDED.name
, age = EXCLUDED.age;
更新过程如下：
更新完成后表数据如下：
Hologres写入全链路优化，雕琢细节
Hologres在接口上完全兼容PostgreSQL（包括语法、语义、协议等），所以可以直接使用PostgreSQL的JDBC Driver连接Hologres进行数据读写。除了写入原理上的创新性外，Hologres也针对写入进行了全链路的优化，以达到更高性能的吞吐。
1、Fixed Plan：降低、避免SQL解析与优化器的开销
- Query Optimizer进行shortcut
对于符合pattern的Upsert sql，Hologres的Query Optimizer进行了相应的short cut，Upsert Query并不会进入Opimizer的完整流程。Query进入FrontEnd后它会交由Fixed Planner进行处理，并由其生成对于的Fixed Plan（Upsert的物理Plan），Fixed Planner非常轻，无需经过任何的等价变换、逻辑优化、物理优化等步骤，仅仅是基于AST树进行了一些简单的分析并构建出对应的Fixed Plan，从而尽量规避掉优化器的开销。
- Prepared Statement
尽管Query Optimizer对Upsert Query进行了short cut，但是Query进入到FrontEnd后的解析开销依然存在、Query Optimizer的开销也没有完全避免。
Hologres兼容Postgres，Postgres的前、后端通信协议有extended协议与simple协议两种：
1） simple协议：是一次性交互的协议，Client每次会直接发送待执行的SQL给Server，Server收到SQL后直接进行解析、执行，并将结果返回给Client。simple协议里Server无可避免的至少需要对收到的SQL进行解析才能理解其语义。
2）extended协议：Client与Server的交互分多阶段完成，整体大致可以分成两大阶段。
- 第一阶段：Client在Server端定义了一个带名字的Statement，并且生成了该Statement所对应的generic plan(不与特定的参数绑定的通用plan)。
- 第二阶段：用户通过发送具体的参数来执行第一阶段中定义的Statement。第二阶段可以重复执行多次，每次通过带上第一阶段中所定义的Statement名字，以及执行所需要的参数，使用第一阶段生成的generic plan进行执行。由于第二阶段可以通过Statement名字和附带的参数来反复执行第一个阶段所准备好的generic plan，因此第二个段在Frontend的开销几乎等同于0。
为此Hologres基于Postgres的extended协议，支持了Prepared Statement，做到了Upsert Query在Frontend上的开销接近于0。
2、高性能的内部通信
- Reactor模型、全程无锁的异步操作
内部通信原理类似reactor模型，每个目标shard对应一个eventloop，以“死循环”的方式处理该shard上的请求。由于HOS（Hologres Operation System）对调度执行单元的抽象，即使是shard很多的情况下，这种工作方式的基础消耗也足够低。
- 高效的数据交换协议binary row
通过自定义一套内部的数据通信协议binary row来减少整个交互链路上的内存的分配与拷贝。
- 反压与凑批
BHClient可以感知后端的压力，进行自适应的反压与凑批，在不影响原有Latency的情况下提升系统吞吐。
3、稳定可靠的后端实现
- 基于C++纯异步的开发
Hologres采用C++进行开发，相较于Java，native语言使得我们能够追求到更极致的性能。同时基于HOS提供的异步接口进行纯异步开发，HOS通过抽象ExecutionContext来自我管理CPU的调度执行，能够最大化的利用硬件资源、达到吞吐最大化。
- IO优化与丰富的Cache机制
Hologres实现了非常丰富的Cache机制row cache、block cache、iterator cache、meta cache等，来加速热数据的查找、减少IO访问、避免新内存分配。当无可避免的需要发生IO时，Hologres会对并发IO进行合并、通过wait/notice机制确保只访问一次IO，减少IO处理量。通过生成文件级别的词典及压缩，减少文件物理存储成本及IO访问。
总结
Hologres是阿里巴巴自主研发的一站式实时数仓引擎，支持海量数据实时写入、实时更新、实时分析，支持标准SQL（兼容PostgreSQL协议），支持PB级数据多维分析（OLAP）与即席分析（Ad Hoc），支持高并发低延迟的在线数据服务（Serving），并在阿里巴巴双11等大促核心场景上，Hologres写入峰值达11亿条+/秒，经过大规模数据生产验证。
常见的数据仓库产品，大多都会牺牲读性能或者牺牲写性能，并且它们往往文件作为访问介质，这天然约束了数据更新的频率。Hologres 通过memtable使数据可以高频更新，通过delete map让读操作避免了join操作保持了良好的读性能，通过主键模型解决了写操作时的效率问题，做到了读写性能的兼顾。同时Hologres同Flink、Spark等计算框架原生集成，通过内置Connector，支持高通量数据实时写入与更新，支持源表、结果表、维度表多种场景，支持多流合并等复杂操作。
从阿里集团诞生到云上商业化，随着业务的发展和技术的演进，Hologres也在持续不断优化核心技术竞争力，为了让大家更加了解Hologres，我们计划持续推出Hologres底层技术原理揭秘系列，从高性能存储引擎到高效率查询引擎，高吞吐写入到高QPS查询等，全方位解读Hologres，请大家持续关注！
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