ClickHouse存储层
ClickHouse从OLAP场景需求出发，定制开发了一套全新的高效列式存储引擎，并且实现了数据有序存储、主键索引、稀疏索引、数据Sharding、数据Partitioning、TTL、主备复制等丰富功能。以上功能共同为ClickHouse极速的分析性能奠定了基础。
列式存储
与行存将每一行的数据连续存储不同，列存将每一列的数据连续存储。示例图如下：
相比于行式存储，列式存储在分析场景下有着许多优良的特性。
1）如前所述，分析场景中往往需要读大量行但是少数几个列。在行存模式下，数据按行连续存储，所有列的数据都存储在一个block中，不参与计算的列在IO时也要全部读出，读取操作被严重放大。而列存模式下，只需要读取参与计算的列即可，极大的减低了IO cost，加速了查询。
2）同一列中的数据属于同一类型，压缩效果显著。列存往往有着高达十倍甚至更高的压缩比，节省了大量的存储空间，降低了存储成本。
3）更高的压缩比意味着更小的data size，从磁盘中读取相应数据耗时更短。
4）自由的压缩算法选择。不同列的数据具有不同的数据类型，适用的压缩算法也就不尽相同。可以针对不同列类型，选择最合适的压缩算法。
5）高压缩比，意味着同等大小的内存能够存放更多数据，系统cache效果更好。
官方数据显示，通过使用列存，在某些分析场景下，能够获得100倍甚至更高的加速效应。
数据有序存储
ClickHouse支持在建表时，指定将数据按照某些列进行sort by。
排序后，保证了相同sort key的数据在磁盘上连续存储，且有序摆放。在进行等值、范围查询时，where条件命中的数据都紧密存储在一个或若干个连续的Block中，而不是分散的存储在任意多个Block， 大幅减少需要IO的block数量。另外，连续IO也能够充分利用操作系统page cache的预取能力，减少page fault。
主键索引
ClickHouse支持主键索引，它将每列数据按照index granularity（默认8192行）进行划分，每个index granularity的开头第一行被称为一个mark行。主键索引存储该mark行对应的primary key的值。
对于where条件中含有primary key的查询，通过对主键索引进行二分查找，能够直接定位到对应的index granularity，避免了全表扫描从而加速查询。
但是值得注意的是：ClickHouse的主键索引与MySQL等数据库不同，它并不用于去重，即便primary key相同的行，也可以同时存在于数据库中。要想实现去重效果，需要结合具体的表引擎ReplacingMergeTree、CollapsingMergeTree、VersionedCollapsingMergeTree实现，我们会在未来的文章系列中再进行详细解读。
稀疏索引
ClickHouse支持对任意列创建任意数量的稀疏索引。其中被索引的value可以是任意的合法SQL Expression，并不仅仅局限于对column value本身进行索引。之所以叫稀疏索引，是因为它本质上是对一个完整index granularity（默认8192行）的统计信息，并不会具体记录每一行在文件中的位置。目前支持的稀疏索引类型包括：
- minmax: 以index granularity为单位，存储指定表达式计算后的min、max值；在等值和范围查询中能够帮助快速跳过不满足要求的块，减少IO。
- set(max_rows)：以index granularity为单位，存储指定表达式的distinct value集合，用于快速判断等值查询是否命中该块，减少IO。
- ngrambf_v1(n, size_of_bloom_filter_in_bytes, number_of_hash_functions, random_seed)：将string进行ngram分词后，构建bloom filter，能够优化等值、like、in等查询条件。
- tokenbf_v1(size_of_bloom_filter_in_bytes, number_of_hash_functions, random_seed)： 与ngrambf_v1类似，区别是不使用ngram进行分词，而是通过标点符号进行词语分割。
- bloom_filter([false_positive])：对指定列构建bloom filter，用于加速等值、like、in等查询条件的执行。
数据Sharding
ClickHouse支持单机模式，也支持分布式集群模式。在分布式模式下，ClickHouse会将数据分为多个分片，并且分布到不同节点上。不同的分片策略在应对不同的SQL Pattern时，各有优势。ClickHouse提供了丰富的sharding策略，让业务可以根据实际需求选用。
1） random随机分片：写入数据会被随机分发到分布式集群中的某个节点上。
2） constant固定分片：写入数据会被分发到固定一个节点上。
3）column value分片：按照某一列的值进行hash分片。
4）自定义表达式分片：指定任意合法表达式，根据表达式被计算后的值进行hash分片。
数据分片，让ClickHouse可以充分利用整个集群的大规模并行计算能力，快速返回查询结果。
更重要的是，多样化的分片功能，为业务优化打开了想象空间。比如在hash sharding的情况下，JOIN计算能够避免数据shuffle，直接在本地进行local join； 支持自定义sharding，可以为不同业务和SQL Pattern定制最适合的分片策略；利用自定义sharding功能，通过设置合理的sharding expression可以解决分片间数据倾斜问题等。
另外，sharding机制使得ClickHouse可以横向线性拓展，构建大规模分布式集群，从而具备处理海量数据的能力。
数据Partitioning
ClickHouse支持PARTITION BY子句，在建表时可以指定按照任意合法表达式进行数据分区操作，比如通过toYYYYMM()将数据按月进行分区、toMonday()将数据按照周几进行分区、对Enum类型的列直接每种取值作为一个分区等。
数据Partition在ClickHouse中主要有两方面应用：
- 在partition key上进行分区裁剪，只查询必要的数据。灵活的partition expression设置，使得可以根据SQL Pattern进行分区设置，最大化的贴合业务特点。
- 对partition进行TTL管理，淘汰过期的分区数据。
数据TTL
在分析场景中，数据的价值随着时间流逝而不断降低，多数业务出于成本考虑只会保留最近几个月的数据，ClickHouse通过TTL提供了数据生命周期管理的能力。
ClickHouse支持几种不同粒度的TTL：
1） 列级别TTL：当一列中的部分数据过期后，会被替换成默认值；当全列数据都过期后，会删除该列。
2）行级别TTL：当某一行过期后，会直接删除该行。
3）分区级别TTL：当分区过期后，会直接删除该分区。
高吞吐写入能力
ClickHouse采用类LSM Tree的结构，数据写入后定期在后台Compaction。通过类LSM tree的结构，ClickHouse在数据导入时全部是顺序append写，写入后数据段不可更改，在后台compaction时也是多个段merge sort后顺序写回磁盘。顺序写的特性，充分利用了磁盘的吞吐能力，即便在HDD上也有着优异的写入性能。
官方公开benchmark测试显示能够达到50MB-200MB/s的写入吞吐能力，按照每行100Byte估算，大约相当于50W-200W条/s的写入速度。
有限支持delete、update
在分析场景中，删除、更新操作并不是核心需求。ClickHouse没有直接支持delete、update操作，而是变相支持了mutation操作，语法为alter table delete where filter_expr,alter table update col=val where filter_expr。
目前主要限制为删除、更新操作为异步操作，需要后台compation之后才能生效。
主备同步
ClickHouse通过主备复制提供了高可用能力，主备架构下支持无缝升级等运维操作。而且相比于其他系统它的实现有着自己的特色：
1）默认配置下，任何副本都处于active模式，可以对外提供查询服务；
2）可以任意配置副本个数，副本数量可以从0个到任意多个；
3）不同shard可以配置不提供副本个数，用于解决单个shard的查询热点问题；
ClickHouse计算层
ClickHouse在计算层做了非常细致的工作，竭尽所能榨干硬件能力，提升查询速度。它实现了单机多核并行、分布式计算、向量化执行与SIMD指令、代码生成等多种重要技术。
多核并行
ClickHouse将数据划分为多个partition，每个partition再进一步划分为多个index granularity，然后通过多个CPU核心分别处理其中的一部分来实现并行数据处理。
在这种设计下，单条Query就能利用整机所有CPU。极致的并行处理能力，极大的降低了查询延时。
分布式计算
除了优秀的单机并行处理能力，ClickHouse还提供了可线性拓展的分布式计算能力。ClickHouse会自动将查询拆解为多个task下发到集群中，然后进行多机并行处理，最后把结果汇聚到一起。
在存在多副本的情况下，ClickHouse提供了多种query下发策略：
- 随机下发：在多个replica中随机选择一个；
- 最近hostname原则：选择与当前下发机器最相近的hostname节点，进行query下发。在特定的网络拓扑下，可以降低网络延时。而且能够确保query下发到固定的replica机器，充分利用系统cache。
- in order：按照特定顺序逐个尝试下发，当前一个replica不可用时，顺延到下一个replica。
- first or random：在In Order模式下，当第一个replica不可用时，所有workload都会积压到第二个Replica，导致负载不均衡。first or random解决了这个问题：当第一个replica不可用时，随机选择一个其他replica，从而保证其余replica间负载均衡。另外在跨region复制场景下，通过设置第一个replica为本region内的副本，可以显著降低网络延时。
向量化执行与SIMD
ClickHouse不仅将数据按列存储，而且按列进行计算。传统OLTP数据库通常采用按行计算，原因是事务处理中以点查为主，SQL计算量小，实现这些技术的收益不够明显。但是在分析场景下，单个SQL所涉及计算量可能极大，将每行作为一个基本单元进行处理会带来严重的性能损耗：
1）对每一行数据都要调用相应的函数，函数调用开销占比高；
2）存储层按列存储数据，在内存中也按列组织，但是计算层按行处理，无法充分利用CPU cache的预读能力，造成CPU Cache miss严重；
3）按行处理，无法利用高效的SIMD指令；
ClickHouse实现了向量执行引擎（Vectorized execution engine），对内存中的列式数据，一个batch调用一次SIMD指令（而非每一行调用一次），不仅减少了函数调用次数、降低了cache miss，而且可以充分发挥SIMD指令的并行能力，大幅缩短了计算耗时。向量执行引擎，通常能够带来数倍的性能提升。
动态代码生成Runtime Codegen
在经典的数据库实现中，通常对表达式计算采用火山模型，也即将查询转换成一个个operator，比如HashJoin、Scan、IndexScan、Aggregation等。为了连接不同算子，operator之间采用统一的接口，比如open/next/close。在每个算子内部都实现了父类的这些虚函数，在分析场景中单条SQL要处理数据通常高达数亿行，虚函数的调用开销不再可以忽略不计。另外，在每个算子内部都要考虑多种变量，比如列类型、列的size、列的个数等，存在着大量的if-else分支判断导致CPU分支预测失效。
ClickHouse实现了Expression级别的runtime codegen，动态地根据当前SQL直接生成代码，然后编译执行。如下图例子所示，对于Expression直接生成代码，不仅消除了大量的虚函数调用（即图中多个function pointer的调用），而且由于在运行时表达式的参数类型、个数等都是已知的，也消除了不必要的if-else分支判断。
近似计算
近似计算以损失一定结果精度为代价，极大地提升查询性能。在海量数据处理中，近似计算价值更加明显。
ClickHouse实现了多种近似计算功能：
- 近似估算distinct values、中位数，分位数等多种聚合函数；
- 建表DDL支持SAMPLE BY子句，支持对于数据进行抽样处理；
复杂数据类型支持
ClickHouse还提供了array、json、tuple、set等复合数据类型，支持业务schema的灵活变更。
结语
近年来ClickHouse发展趋势迅猛，社区和大厂都纷纷跟进使用。本文尝试从OLAP场景的需求出发，介绍了ClickHouse存储层、计算层的主要设计。ClickHouse实现了大多数当前主流的数据分析技术，具有明显的技术优势：
- 提供了极致的查询性能：开源公开benchmark显示比传统方法快100~1000倍，提供50MB~200MB/s的高吞吐实时导入能力）
- 以极低的成本存储海量数据： 借助于精心设计的列存、高效的数据压缩算法，提供高达10倍的压缩比，大幅提升单机数据存储和计算能力，大幅降低使用成本，是构建海量数据仓库的绝佳方案。
- 简单灵活又不失强大：提供完善SQL支持，上手十分简单；提供json、map、array等灵活数据类型适配业务快速变化；同时支持近似计算、概率数据结构等应对海量数据处理。
相比于开源社区的其他几项分析型技术，如Druid、Presto、Impala、Kylin、ElasticSearch等，ClickHouse更是一整套完善的解决方案，它自包含了存储和计算能力（无需额外依赖其他存储组件），完全自主实现了高可用，而且支持完整的SQL语法包括JOIN等，技术上有着明显优势。相比于hadoop体系，以数据库的方式来做大数据处理更加简单易用，学习成本低且灵活度高。当前社区仍旧在迅猛发展中，相信后续会有越来越多好用的功能出现。