一文了解ClickHouse

一 简介

1.1 ClickHouse 是什么？

ClickHouse是Yandex(俄罗斯最大的搜索引擎)开源的一个用于实时数据分析的基于列存储的数据库，其处理数据的速度比传统方法快100-1000倍。ClickHouse的性能超过了目前市场上可比的面向列的DBMS，每秒钟每台服务器每秒处理数亿至十亿多行和数十千兆字节的数据。

1.2 ClickHouse的一些特性:

1. 快速:ClickHouse会充分利用所有可用的硬件，以尽可能快地处理每个查询。单个查询的峰值处理性能超过每秒2 TB（解压缩后，仅使用的列）。在分布式设置中，读取是在健康副本之间自动平衡的，以避免增加延迟。
2. 容错:ClickHouse支持多主机异步复制，并且可以跨多个数据中心进行部署。所有节点都相等，这可以避免出现单点故障。单个节点或整个数据中心的停机时间不会影响系统的读写可用性。
3. 可伸缩:ClickHouse可以在垂直和水平方向上很好地缩放。ClickHouse易于调整以在具有数百或数千个节点的群集上或在单个服务器上，甚至在小型虚拟机上执行。当前，每个单节点安装的数据量超过数万亿行或数百兆兆字节。
4. 易用:ClickHouse简单易用，开箱即用。它简化了所有数据处理：将所有结构化数据吸收到系统中，并且立即可用于构建报告。SQL允许表达期望的结果，而无需涉及某些DBMS中可以找到的任何自定义非标准API。
5. 充分利用硬件:ClickHouse与具有相同的可用I/O吞吐量和CPU容量的传统的面向行的系统相比，其处理典型的分析查询要快两到三个数量级。列式存储格式允许在RAM中容纳更多热数据，从而缩短了响应时间。
6. 提高CPU效率:向量化查询执行涉及相关的SIMD处理器指令和运行时代码生成。处理列中的数据会提高CPU行缓存的命中率。
7. 优化磁盘访问:ClickHouse可以最大程度地减少范围查询的次数，从而提高了使用旋转磁盘驱动器的效率，因为它可以保持连续存储数据。
8. 最小化数据传输:ClickHouse使公司无需使用专门针对高性能计算的专用网络即可管理其数据。

何时使用ClickHouse: 　　用于分析结构良好且不可变的事件或日志流，建议将每个此类流放入具有预连接维度的单个宽表中。

何时不使用ClickHouse: 　　不适合事务性工作负载（OLTP）、高价值的键值请求、Blob或文档存储。

1.3 为什么ClickHouse 速度这么快？

首先我们了解一下OLAP场景的特点:

1. 读多于写。
2. 大宽表，读大量行但是少量列，结果集较小。
3. 数据批量写入，且数据不更新或少更新。

针对分析类查询，通常只需要读取表的一小部分列。在列式数据库中你可以只读取你需要的数据。例如，如果只需要读取100列中的5列，这将帮助你最少减少20倍的I/O消耗。

由于数据总是打包成批量读取的，所以压缩是非常容易的。同时数据按列分别存储这也更容易压缩。这进一步降低了I/O的体积。由于I/O的降低，这将帮助更多的数据被系统缓存。

例如，查询«统计每个广告平台的记录数量»需要读取«广告平台ID»这一列，它在未压缩的情况下需要1个字节进行存储。如果大部分流量不是来自广告平台，那么这一列至少可以以十倍的压缩率被压缩。当采用快速压缩算法，它的解压速度最少在十亿字节(未压缩数据)每秒。换句话说，这个查询可以在单个服务器上以每秒大约几十亿行的速度进行处理。这实际上是当前实现的速度。

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

column-oriented 图片来源见水印

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。

二 安装实践

2.1 安装

sudo yum install yum-utils
sudo rpm --import https://repo.clickhouse.tech/CLICKHOUSE-KEY.GPG
sudo yum-config-manager --add-repo https://repo.clickhouse.tech/rpm/stable/x86_64
sudo yum install clickhouse-server clickhouse-client

本案例安装的是单机版本。yum安装会自动创建clickhouse用户。

2.2 修改配置文件

yum安装完成之后，配置文件，数据文件日志目录设置如下

配置文件目录:/etc/clickhouse-server/
数据文件目录:/var/lib/clickhouse/
日志文件目录:/var/log/clickhouse-server/

clickhouse相关的各个目录可以在配置文件 /etc/clickhouse-serverconfig.xml 中进行修改。

启动

sudo /etc/init.d/clickhouse-server start

连接

clickhouse-client -m #默认以 default 用户登录

在 /etc/clickhouse-server/users.xml 中可以设置其他用户的访问权限等。

clickhouse-client [--user=xxx --password=xxx --host=xxx]

2.3 速度测试

localhost :) SELECT
:-]     C_CITY,
:-]     S_CITY,
:-]     toYear(LO_ORDERDATE) AS year,
:-]     sum(LO_REVENUE) AS revenue
:-] FROM lineorder_flat
:-] WHERE (C_CITY = 'UNITED KI1' OR C_CITY = 'UNITED KI5') AND (S_CITY = 'UNITED KI1' OR S_CITY = 'UNITED KI5') AND year >= 1992 AND year <= 1997
:-] GROUP BY
:-]     C_CITY,
:-]     S_CITY,
:-]     year
:-] ORDER BY
:-]     year ASC,
:-]     revenue DESC;

SELECT 
    C_CITY, 
    S_CITY, 
    toYear(LO_ORDERDATE) AS year, 
    sum(LO_REVENUE) AS revenue
FROM lineorder_flat
WHERE ((C_CITY = 'UNITED KI1') OR (C_CITY = 'UNITED KI5')) AND ((S_CITY = 'UNITED KI1') OR (S_CITY = 'UNITED KI5')) AND (year >= 1992) AND (year <= 1997)
GROUP BY 
    C_CITY, 
    S_CITY, 
    year
ORDER BY 
    year ASC, 
    revenue DESC

┌─C_CITY─────┬─S_CITY─────┬─year─┬────revenue─┐
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1992 │ 5776096629 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1992 │ 5555883901 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1992 │ 5348705805 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1992 │ 5326870427 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1993 │ 5892974670 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1993 │ 5490859451 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1993 │ 5468354303 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1993 │ 5089909647 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1994 │ 5437315108 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1994 │ 5348775917 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1994 │ 5310936695 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1994 │ 5237461110 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1995 │ 5737551920 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1995 │ 5657584590 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1995 │ 5260093556 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1995 │ 5213763257 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1996 │ 5522325005 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1996 │ 5451244409 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1996 │ 5231759057 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1996 │ 5203962897 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI1 │ 1997 │ 5340760807 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI1 │ 1997 │ 5295685214 │
│ UNITED KI1 │ UNITED KI5 │ 1997 │ 5188428156 │
│ UNITED KI5 │ UNITED KI5 │ 1997 │ 5024634475 │
└────────────┴────────────┴──────┴────────────┘

24 rows in set. Elapsed: 1.723 sec. Processed 546.67 million rows, 4.46 GB (317.28 million rows/s., 2.59 GB/s.) 

扫描1.7秒处理546w的数据量，每秒处理317w行数据，速度是相当快了。

三 和其他列式存储的对比

没有银弹，各种数据存储类型还是要结合具体的场景使用。

图片来自 新浪 高鹏的ppt

目前大量使用ClickHouse的互联网公司:

1 今日头条 内部用ClickHouse来做用户行为分析，内部一共几千个ClickHouse节点，单集群最大1200节点，总数据量几十PB，日增原始数据300TB左右。 2 腾讯内部用ClickHouse做游戏数据分析，并且为之建立了一整套监控运维体系。

3 携程内部从18年7月份开始接入试用，目前80%的业务都跑在ClickHouse上。每天数据增量十多亿，近百万次查询请求。 4 快手内部也在使用ClickHouse，存储总量大约10PB， 每天新增200TB， 90%查询小于3S。 5 在国外，Yandex内部有数百节点用于做用户点击行为分析，CloudFlare、Spotify等头部公司也在使用。

当然还有一些没有关注到的公司也在大量使用，有兴趣的朋友可以积极尝试。

四 小结

本文是浅出的介绍了Clickhouse的是什么，有哪些新特性。需要深入学习还是要看官方文档，纸上来得终觉浅，绝知此事要躬行。

参考文章

1. https://www.cnblogs.com/zhoujinyi/p/12625655.html
2. https://clickhouse.tech/docs/zh/
3. https://zhuanlan.zhihu.com/p/98877249
4. https://github.com/ClickHouse-China/ClickhouseMeetup