伴鱼事件分析平台设计

背景

在伴鱼，服务器每天收集的用户行为日志达到上亿条，我们希望能够充分利用这些日志，了解用户行为模式，回答以下问题：

• 最近三个月，来自哪个渠道的用户注册量最高？
• 最近一周，北京地区的，发生过绘本浏览行为的用户，按照年龄段分布的情况如何？
• 最近一周，注册过伴鱼绘本的用户，7 日留存率如何？有什么变化趋势？
• 最近一周，用户下单的转化路径上，各环节的转化率如何？

为了回答这些问题，事件分析平台应运而生。本文将首先介绍平台的功能，随后讨论平台在架构上的一些思考。

功能

总的来说，为了回答各种商业分析问题，事件分析平台支持基于事件的指标统计、属性分组、条件筛选等功能的查询。其中，事件指用户行为，例如登录、浏览伴鱼绘本、购买付费绘本等。更具体一些，事件分析平台支持三类分析：「事件分析」，「漏斗分析」，和「留存分析」。

事件分析

事件分析是指，用户指定一系列条件，查询目的指标，用于回答一个具体的分析问题。这些条件包括：

• 事件类型：指用户行为，采集自埋点数据；例如登录伴鱼绘本，购买付费绘本
• 指标：指标分为两类，基础指标和自定义指标基础指标：总次数（pv），总用户数（uv），人均次数（pv/uv）自定义指标：事件属性 + 计算类型，例如 「用户下单金额」的「总和/均值/最大值」
• 过滤条件：用于筛选查询所关心的用户群体
• 维度分组：基于分组，可以进行分组之间的对比
• 时间范围：指定事件发生的时间范围

让我们举个具体的例子。我们希望回答「最近一周，在北京地区，不同年龄段的用户在下单一对一课程时，下单金额的平均数对比」这个问题。这个问题可以很直观地拆解为下图所示的事件分析，其中：

• 事件类型 = 下单一对一课程
• 指标 = 下单金额的平均数
• 过滤条件 = 北京地区
• 维度分组 = 按照年龄段分组
• 时间范围 = 最近一周

图注：事件分析创建流程

图注：事件分析界面

漏斗分析

漏斗分析用于分析多步骤过程中，每一步的转化与流失情况。

例如，伴鱼绘本用户的完整购买流程可能包含以下步骤：登录 app -> 浏览绘本 -> 购买付费绘本。我们可以将这个流程设置为一个漏斗，分析整体以及每一步转化情况。

此外，漏斗分析还需要定义「窗口期」，整个流程必须发生在窗口期内，才算一次成功转化。和事件分析类似，漏斗分析也支持选择维度分组和时间范围。

图注：漏斗分析创建流程

图注：漏斗分析界面

留存分析

在留存分析中，用户定义初始事件和后续事件，并计算在发生初始事件后的第 N 天，发生后续事件的比率。这个比率能很好地衡量伴鱼用户的粘性高低。

在下图的例子中，我们希望了解伴鱼绘本 app 是否足够吸引用户，因此我们设置初始事件为登录 app，后续事件为浏览绘本，留存周期为 7 天，进行留存分析。

图注：留存分析创建流程

图注：留存分析界面

架构

在架构上，事件分析平台分为两个模块，如下图所示：

• 数据写入：埋点日志从客户端或者服务端被上报后，经过 Kafka 消息队列，由 Flink 完成 ETL，然后写入 ClickHouse。
• 分析查询：用户通过前端页面，进行事件、条件、维度的勾选，后端将它们拼接为 SQL 语句，从 ClickHouse 中查询数据，展示给前端页面。

图注：总架构图

不难看出，ClickHouse 是构成事件分析平台的核心组件。我们为了确保平台的性能，围绕 ClickHouse 的使用进行了细致的调研，回答了以下三个问题：

• 如何使用 ClickHouse 存储事件数据？
• 如何高效写入 ClickHouse?
• 如何高效查询 ClickHouse？

如何使用 ClickHouse 存储事件数据?

事件分析平台的数据来源有两大类：来源于埋点日志的用户行为数据，和来源于「用户画像平台」的用户属性数据。本文只介绍埋点日志数据的存储，对「用户画像平台」感兴趣的同学，可以期待一下我们后续的技术文章。

在进行埋点日志的存储选型前，我们首先明确了几个核心需求：

• 支持海量数据的存储。当前，伴鱼每天产生的埋点日志在亿级别。
• 支持实时聚合查询。由于产品和运营同学会使用事件分析平台来探索多种用户行为模式，分析引擎必须能灵活且高效地完成各种聚合。

ClickHouse 在海量数据存储场景被广泛使用，高效支持各类聚合查询，配套有成熟和活跃的社区，促使我们最终选择 ClickHouse 作为存储引擎。

根据我们对真实埋点数据的测试，亿级数据的简单查询，例如 PV 和 UV，都能在 1 秒内返回结果；对于留存分析、漏斗分析这类的复杂查询，可以在 10 秒内返回结果。

「存在哪」的问题解决后，接下来回答「怎么存」的问题。ClickHouse 的列式存储结构非常适合存储大宽表，以支持高效查询。但是，在事件分析平台这个场景下，我们还需要支持「自定义属性」的存储，这时「大宽表」的存储方式就不尽理想。

所谓「自定义属性」，即埋点日志中一些事件所独有的属性，例如：「下单一对一课程」这一事件在上报时，会带上「订单金额」这个很多其它事件所没有的属性。如果为了支持「下单一对一课程」这个事件的存储，就需要改变 ClickHouse 的表结构，新增一列，这将使得表结构的维护成本极高，因为每个新事件都可能附带多个「自定义属性」。

为了解决这个问题，我们将频繁变动的自定义属性统一存储在一个 Map 中，将基本不变的公共属性存为列，使之兼具大宽表方案的高效性，和 Map 方案的灵活性。

如何高效写入 ClickHouse?

在设计 ClickHouse 的部署方案时，我们采用了业界常用的读写分离模式：写本地表，读分布式表。在写入侧，分为 3 个分片，每个分片都有双重备份。

由于事件分析的绝大多数查询，都是以用户为单位，为了提高查询效率，我们在写入时，将数据按照 user_id 均匀分片，写入到不同的本地表中。如下图所示：

图注：将埋点数据写入到 ClickHouse

之所以不写分布式表，是因为我们使用大量数据对分布式表进行写入测试时，遇到过几个问题：

1. Too many parts error：分布式表所在节点接收到数据后，需要按照 sharding_key 将数据拆分为多个 parts，再转发到其它节点，导致短期内 parts 过多，并且增加了 merge 的压力；
2. 写放大：分布式表所在节点，如果在短时间内被写入大量数据，会产生大量临时数据，导致写放大。

如何高效查询 ClickHouse?

我们可以使用 ClickHouse 的内置函数，轻松实现事件分析平台所需要提供的事件分析、漏斗分析和留存分析三个功能。

事件分析可以用最朴素的 SQL 语句实现。例如，最近一周，北京地区的，发生过绘本浏览行为的用户，按照年龄段的分布，可以表述为：

SELECT
    count(1) as cnt,
    toDate(toStartOfDay(toDateTime(event_ms))) as date,
    age
FROM event_analytics
WHERE
  event = "view_picture_book_home_page" AND
  city = "beijing" AND
  event_ms >= 1613923200000 AND event_ms <= 1614528000000
GROUP BY (date, age);

留存分析使用 ClickHouse 提供的 retention 函数。例如，注册伴鱼绘本后，计算浏览绘本的次日留存、7 日留存可以表述为：

SELECT
    sum(ret[1]) AS original,
    sum(ret[2]) AS next_day_ret,
    sum(ret[3]) AS seven_day_ret
FROM
(SELECT
  user_id,
  retention(
      event = "register_picture_book" AND toDate(event_ms) = toDate('2021-03-01'),
      event = "view_picture_book" AND toDate(event_ms) = toDate('2021-03-02'),
      event = "view_picture_book" AND toDate(event_ms) = toDate('2021-03-08')
      ) as ret
FROM event_analytics
WHERE  
    event_ms >= 1614528000000 AND event_ms <= 1615132800000
GROUP BY user_id);

漏斗分析使用 ClickHouse 提供的 windowFunnel 函数。例如，在 浏览绘本 -> 购买绘本，窗口期为 2 天的这个转化路径上，转化率的计算可以被表达为：

SELECT
array( sumIf(count, level >= 1), sumIf(count, level >= 2) ) AS funnel_uv,
FROM (
SELECT
level,
count() AS count
FROM (
SELECT
                uid,
                windowFunnel(172800000)(
                    event_ms, event = "view_picture_book" AND event_ms >= 1613923200000 AND event_ms <= 1614009600000, event = "buy_picture_book") AS level
FROM
                event_analytics
WHERE
                event_ms >= 1613923200000 AND event_ms <= 1614182400000
GROUP BY uid
        )
GROUP BY level
)