单机顶集群的大数据技术来了

大数据时代的分布式数仓(如 MPP)是个热门技术,甚至到了提到数据仓库言必称分布式的地步。
但是,分布式数仓真有必要吗?毕竟这些分布式数仓产品都不便宜,无论是采购成本还是运维成本都很高。是不是有低成本轻量级的方案呢?

其实,结构化数据计算任务(数据仓库的主要目标)涉及的数据量通常并不会非常大。比如一个有数千万帐户的银行,一年的交易量也就是数亿条,大概也就是几 G 到几十 G 的规模;有个几百万帐户的电商系统能积累的数据也还是这种规模。即便是少数有巨大数据量的头部企业,也还是会有大量任务只涉及少量数据。单个计算任务的数据规模上百 G 并不多,很难积累到很多大数据厂商宣称的 PB 级。
从另一个方面也可以看出来,大多数分布式数仓的节点数也不是很多,经常在十个左右或更少。个别头部企业的计算中心可能会有数千甚至上万个节点,但单个任务也只会用到其中几个到十几个节点。比如 SnowFlake 销售数量较多的 Medium 型数仓,也只有 4 个节点而已。这才是分布式数仓的主流规模。一个 PB 级数据量的任务,一个节点处理 1T(通常也需要数小时),也需要 1000 个节点,这显然不是常态。

按说单体数据库就能轻松处理几十 G 规模的数据,但实际上并不是,跑批动不动几小时,查询一次几分钟也是家常便饭。于是,用户就会琢磨着上分布式了。
这又是为什么?
这有两方面原因。一方面是这些计算任务的数据量虽然不大,但却有相当的复杂度,经常会涉及多次关联。另一方面是数据库采用的 SQL 语法不能方便地描述这些复杂的运算,勉强写出来的代码不会被数据库优化,导致计算量过大。换句话说,SQL 数据库无法充分利用硬件资源,只能寄希望于分布式扩容。

esProc SPL 可以。
esProc SPL 是开源的轻量级计算引擎,在这里:https://github.com/SPLWare/esProc 。作为纯 Java 开发的程序,可以直接无缝嵌入到 Java 应用中,无须数据库也能获得高性能计算的体验。

esProc SPL 常常能跑出远超 MPP 的性能,单机顶集群。
国家天文台的星体聚类任务,数据规模仅约 5000 万行,某分布式数据库动用 100CPU 跑 500 万行也要 3.8 小时,跑完 5000 万行估算要 15 天(平方级复杂度)。esProc SPL 在 16CPU 单机上跑全量 5000 万数据不到 3 小时。
某银行的贷款业务跑批,HIVE 集群 10 节点,1300 行 SQL 跑 4300 秒;esProc SPL 用 34 行代码在单机上跑 1700 秒。
某银行的反洗钱准备,11 节点的 Vertica 跑出 1.5 小时,esProc SPL 单机 26 秒,竟然把跑批任务跑成了查询!
某电商漏斗运算,SnowFlake 的 Medium 型集群(4 节点)3 分钟跑不出结果,用户放弃。esProc SPL 在单机上 10 秒完成。
某时空碰撞任务,ClickHouse 集群 5 节点 1800 秒,被 esProc SPL 优化成单机 350 秒。
…….
这些实例还可以进一步说明,大量的实际任务的集群节点数并不多,这类场景几乎都可以被 esProc 用单机解决。

esProc SPL 如何做到这一点?
在工程方面,esProc 也采用了压缩、列存、索引以及向量式计算等 MPP 常用的提速技术;更重要的,esProc 没有再基于 SQL,而是采用了自有的程序语言 SPL,其中有不少 SQL 理论基础下无法实现的高性能存储机制和算法类库:
clipboardpng

有了这些基础,就容易编写出更低计算复杂度的代码,有效地避免 SQL 代码计算量过大的问题,充分利用硬件资源,做到单机顶集群。
关于 esProc 的性能优势,在 快出数量级的性能是怎样炼成的 有通俗的解释 写着简单跑得又快的数据库语言 SPL 中深入解释为什么 SQL 无法写出高性能代码。
上图中列出了部分 SPL 的高性能技术,可以看到 esProc 也支持集群计算。但由于 esProc 的高性能,在实践任务中都仅用单机就实现原有集群的能力。结果,除了部分为了应对高并发和热备的简单集群场景外,esProc 的集群计算能力一直没有机会被深度历练,甚至一定程度可以说还不够成熟。

看个具体的例子,前述那个时空碰撞问题,总数据量约 250 亿行,SQL 看起来并不算很复杂:

WITH DT AS ( SELECT DISTINCT id, ROUND(tm/900)+1 as tn, loc FROM T WHERE tm<3*86400)
SELECT * FROM (
    SELECT B.id id, COUNT( DISINCT B.tn ) cnt
    FROM DT AS A JOIN DT AS B ON A.loc=B.loc AND A.tn=B.tn
    WHERE A.id=a AND B.id<>a
GROUP BY id )
ORDER BY cnt DESC
LIMIT 20

传统数据库跑得太慢,用户转而求助于 ClickHouse,结果用了 5 节点的集群环境下也跑了 30 分钟多,达不到期望。同样数据量,SPL 代码只用一个节点不到 6 分钟即可完成计算,超出了用户期望。考虑到硬件资源的差距,SPL 相当于比 ClickHouse 快了 25 倍以上。


A

1

=now()

2

>NL=100000,NT=3*96

3

=file("T.ctx").open()

4

=A3.cursor(tm,loc;id==a).fetch().align(NL*NT,(loc-1)*NT+tm\900+1)

5

=A3.cursor@mv(;id!=a && A4((loc-1)*NT+tm\900+1))

6

=A5.group@s(id;icount@o(tm\900):cnt).total(top(-20;cnt))

7

=interval@ms(A1,now())

(SPL 代码写在格子里,这和普通程序语言很不像,参考这里 写在格子里的程序语言
SQL 中的 DISTINCT 计算会涉及 HASH 和比对,数据量很大时计算量也会很大,然后还有自关联以及进一步的 COUNT(DISTINCT),都会严重拖累性能,而 SPL 可以充分利用 SQL 没有的有序分组和序号定位,有效避免复杂度很高的自关联和 DISTINCT 运算。虽然在存储效率上比 ClickHouse 并没有优势,Java 也会略慢于 C++,但仍然获得了数量级的性能提升。

跑出 300 公里时速不见得总要高铁(分布式 MPP),家用小轿车(esProc SPL) 也可以。