Apache Kylin 历险记

2022-11-11 00:00:00 查询 数据 算法 计算 维度

1. Kylin 概述

1.1 Kylin 定义

Apache Kylin(麒麟)是一个开源的分布式分析引擎，提供Hadoop/Spark之上的SQL查询接口及多维分析（OLAP）能力以支持超大规模数据，初由eBay Inc开发并贡献至开源社区。它能在亚秒内查询巨大的Hive表。

官网：https://kylin.apache.org/cn

1.2 Kylin特点

Kylin的主要特点包括支持SQL接口、支持超大规模数据集、亚秒级响应、可伸缩性、高吞吐率、BI工具集成等。

  1. 标准SQL接口：Kylin是以标准的SQL作为对外服务的接口。

  2. 支持超大数据集：Kylin对于大数据的支撑能力可能是目前所有技术中为领先的。早在2015年eBay的生产环境中就能支持百亿记录的秒级查询，之后在移动的应用场景中又有了千亿记录秒级查询的案例。

  3. 亚秒级响应：Kylin拥有优异的查询相应速度，这点得益于预计算，很多复杂的计算，比如连接、聚合，在离线的预计算过程中就已经完成，这大大降低了查询时刻所需的计算量，提高了响应速度。

  4. 可伸缩性和高吞吐率：单节点Kylin可实现每秒70个查询，还可以搭建Kylin的集群。

  5. BI工具集成，Kylin可以与现有的BI工具集成，具体包括如下内容。

  • ODBC：与Tableau、Excel、PowerBI等工具集成

  • JDBC：与Saiku、BIRT等Java工具集成

  • RestAPI：与JavaScript、Web网页集成

  • Kylin开发团队还贡献了Zepplin的插件，也可以使用Zepplin来访问Kylin服务。

1.3 预备知识

1.3.1 Data Warehouse(数据仓库)

数据仓库是一个各种数据 （包括历史数据和当前数据）的中心存储系统，是 BI (business intelligence ，商业智能) 的核心部件。

1.3.2 事实表 & 维表

在维度建模中，将度量称为“事实” ，将环境描述为“维度”。维度是用于分析事实所需要的多样环境。例如，在分析交易过程时，可以通过买家、卖家、商品和时间等维度描述交易发生的环境。事实则紧紧围绕着业务过程来设计，通过获取描述业务过程的度量来表达业务过程，包含了引用的维度和与业务过程有关的度量。例如订单作为交易行为的核心载体，直观反映了交易的状况。订单的流转会产生很多业务过程，而下单、支付和成功完结三个业务过程是整个订单的关键节点。获取这三个业务过程的笔数、金额以及转化率是日常数据统计分析的重点，事务事实表设计可以很好地满足这个需求。

1.3.3 维度

即观察数据的角度。比如员工数据，可以从性别角度来分析，也可以更加细化，从入职时间或者地区的维度来观察。维度是一组离散的值，比如说性别中的男和女，或者时间维度上的每一个独立的日期。因此在统计时可以将维度值相同的记录聚合在一起，然后应用聚合函数做累加、平均、大和小值等聚合计算。

1.3.4  度量

即被聚合（观察）的统计值，也就是聚合运算的结果。比如说员工数据中不同性别员工的人数，又或者说在同一年入职的员工有多少。

1.3.5 Business Intelligence (商业职能)

商业智能通常被理解为将企业中现有的数据 转化为知识，帮助企业做出明智的业务经营决策的工具。为了将数据转化为知识，需要利用数据仓库 、联机分析处理（ OLAP ）工具和数据挖掘等技术。

1.3.6  OLAP(online analytical processing)

OLAP是一种软件技术，它使分析人员能够迅速、一致、交互地 从各个方面观察信息 ，以达到深入理解数据的目的。从各方面观察信息，也就是从不同的维度分析数据，因此 OLAP 也成为 多维分析。

1.3.7 ROLAP & MOLAP

ROLAP : 基于关系型数据库，不需要预计算。
MOLAP：基于多维数据集(一个多维数据集称为一个OLAP Cube)，需要预计算。

1.3.8 Cube & Cubeid

有了维度跟度量后就有了根据维度和度量做预计算的Cube理论。给定一个数据模型，我们可以对其上的所有维度进行聚合，对于N个维度来说，组合的所有可能性共有2n种。对于每一种维度的组合，将度量值做聚合计算，然后将结果保存为一个物化视图，称为Cuboid。所有维度组合的Cuboid作为一个整体，称为Cube。

1.3.9  星型模型

当所有维表都直接连接到事实表上时，整个图解就像星星一样，故将该模型称为星型模型。该模型通过大量的冗余来提升查询效率，对OLAP场景较友好。

1.3.10  雪花模型

当有一个或多个维表没有直接连接到事实表上，而是通过其他维度表连接到事实表上时，其图解就像多个雪花连接在一起，故称雪花模型。该模型在MySQL、Oracle中常见。

星型模型 VS 雪花模型

2 Kylin架构

2.1 核心架构

Kylin官方架构图
2.1.1 REST Server

REST Server是一套面向应用程序开发的入口点，旨在实现针对Kylin平台的应用开发工作。此类应用程序可以提供查询、获取结果、触发Cube构建任务、获取元数据以及获取用户权限等等。另外可以通过Restful接口实现SQL查询。

2.1.2 查询引擎（Query Engine）

当Cube准备就绪后，查询引擎就能够获取并解析用户查询。它随后会与系统中的其它组件进行交互，从而向用户返回对应的结果。查询SQL转化为底层任务， 数据存储到HBase。

2.1.3 Routing

负责将解析的SQL生成的执行计划转换成Cube缓存的查询，Cube是通过预计算缓存在hbase中，这部分查询可以在秒级设置毫秒级完成，而且还有一些操作使用过的查询原始数据（存储在Hadoop的HDFS中通过Hive查询）。这部分查询延迟较高(为避免查询原始数据，默认关闭)。

2.1.4 元数据管理工具（Metadata）

Kylin是一款元数据驱动型应用程序。元数据管理工具是一大关键性组件，用于对保存在Kylin当中的所有元数据进行管理，其中包括为重要的Cube元数据。其它全部组件的正常运作都需以元数据管理工具为基础。Kylin的元数据存储在Hbase中。

2.1.5  任务引擎（Cube Build Engine）

这套引擎的设计目的在于处理所有离线任务，其中包括Shell脚本、Java API以及Map Reduce任务等等。任务引擎对Kylin当中的全部任务加以管理与协调，从而确保每一项任务都能得到切实执行并解决其间出现的故障。

2.2 核心算法

2.2.1 工作原理

Kylin的工作原理就是对数据模型做Cube预计算，并利用计算的结果加速查询：

  1. 指定数据模型，定义维度和度量；

  2. 预计算Cube，计算所有Cuboid并保存为物化视图，预计算过程是Kylin从Hive中读取原始数据，按照我们选定的维度进行计算，并将结果集保存到Hbase中，默认的计算引擎为MapReduce，可以选择Spark作为计算引擎。一次build的结果，我们称为一个Segment。构建过程中会涉及多个Cuboid的创建，具体创建过程由kylin.Cube.algorithm参数决定，参数值可选 auto，layer 和 inmem， 默认值为 auto，即 Kylin 会通过采集数据动态地选择一个算法 (layer or inmem)，如果用户很了解 Kylin 和自身的数据、集群，可以直接设置喜欢的算法。

  3. 执行查询，读取Cuboid，运行，产生查询结果。

2.2.2 构建方法

主要有逐层构建算法、快速构建算法 两种。

2.2.2.1 逐层构建算法(layer)

一个N维的Cube，是由1个N维子立方体、N个(N-1)维子立方体、N*(N-1)/2个(N-2)维子立方体、……、N个1维子立方体和1个0维子立方体构成，总共有2^N个子立方体组成，在逐层算法中，按维度数逐层减少来计算，每个层级的计算（除了层，它是从原始数据聚合而来），是基于它上一层级的结果来计算的。比如，[Group by A, B]的结果，可以基于[Group by A, B, C]的结果，通过去掉C后聚合得来的；这样可以减少重复计算；当 0维度Cuboid计算出来的时候，整个Cube的计算也就完成了。

每一轮的计算都是一个MapReduce任务，且串行执行；一个N维的Cube，至少需要N+1次MapReduce Job。

算法优点：

  1. 此算法充分利用了MapReduce的能力，处理了中间复杂的排序和洗牌工作，故而算法代码清晰简单，易于维护；

  2. 受益于Hadoop的日趋成熟，此算法对集群要求低，运行稳定；在内部维护Kylin的过程中，很少遇到在这几步出错的情况；即便是在Hadoop集群比较繁忙的时候，任务也能完成。

算法缺点：

  1. 当Cube有比较多维度的时候，所需要的MapReduce任务也相应增加；由于Hadoop的任务调度需要耗费额外资源，特别是集群较庞大的时候，反复递交任务造成的额外开销会相当可观；

  2. 此算法会对Hadoop MapReduce输出较多数据; 虽然已经使用了Combiner来减少从Mapper端到Reducer端的数据传输，所有数据依然需要通过Hadoop MapReduce来排序和组合才能被聚合，无形之中增加了集群的压力;

  3. 对HDFS的读写操作较多：由于每一层计算的输出会用做下一层计算的输入，这些Key-Value需要写到HDFS上；当所有计算都完成后，Kylin还需要额外的一轮任务将这些文件转成HBase的HFile格式，以导入到HBase中去；总体而言，该算法的效率较低，尤其是当Cube维度数较大的时候。

2.2.2.2 快速构建算法(inmem)

快速构建算法也被称作“逐段”(By Segment) 或“逐块”(By Split) 算法，从1.5.x开始引入该算法，利用Mapper端计算先完成大部分聚合，再将聚合后的结果交给Reducer，从而降低对网络瓶颈的压力。该算法的主要思想是，对Mapper所分配的数据块，将它计算成一个完整的小Cube 段（包含所有Cuboid）；每个Mapper将计算完的Cube段输出给Reducer做合并，生成大Cube，也就是终结果；如图所示解释了此流程。

快速Cube算法

与旧算法相比，快速算法主要有两点不同。

  1. Mapper会利用内存做预聚合，算出所有组合；Mapper输出的每个Key都是不同的，这样会减少输出到Hadoop MapReduce的数据量；

  2. 一轮MapReduce便会完成所有层次的计算，减少Hadoop任务的调配，所以如果机器性能不错推荐用此种方法。

2.2.3 Cube存储原理

假设维度字典表具体信息如下。

字典表信息

加入我们选择了 address、catogory、date为维度进行Cube聚合。我们需要知道Cube底层是如何预聚合后把数据存储到HBase中的。
Cube存储

系统会按照所有的维度选跟不选做01映射，然后每个维度选了后也有对应的维度值做映射。此时 key = Cubeid + 纬度值， value = 对应预聚合结果。

2.3 Kylin 入手

2.3.1 Kylin 安装

Kylin 是依赖于Hadoop、HBase、Zookeeper、Spark的，所以安装时需确保所有的前置依赖是OK的。至于安装细节，找个百度教程即可。

2.3.2 数据准备

在Kylin安装完毕后，需要构建数据源、创建Model、创建Cube等操作，都是一些常规操作，没啥说的。创建模型时整体有点类似PowerBI，需要选择表Join的方式跟字段，选择事实表跟维度的指标跟维度。

2.4 注意事项

因为Routing默认关闭，为了保证OLAP查询的性能稳定，不会出现忽快忽慢的场景，有如下个约束条件。

2.4.1 只能按照构建 Model的连接条件来写 SQL

创建时候如果是A join B，则查询时也只能这样查询。

2.4.2 只能按照构建 Cube时选择的维度字段分组统计

如果我们选择了4个维度，则在进行OLAP查询时候也只能选择这个四个维度进行groupBy。

2.4.3 只能统计构建 Cube时选择的度量值字段

如果在构建Cube时，只添加两个指标，则查询时候也只能查询这俩。别的都不能查询。

3. Cube 构建优化

3.1 使用衍生维度

衍生维度用于在有效维度内将维度表上的非主键维度排除掉，并使用维度表的主键（其
实是事实表上相应的外键）来替代它们。Kylin 会在底层记录维度表主键与维度表其他维度之间的映射关系，以便在查询时能够动态地将维度表的主键“翻译”成这些非主键维度，并进行实时聚合，(一般不建议开，可能会导致查询耗时变大)。

衍生维度

3.2 使用聚合组(Aggregation Group)

聚合组就是一个强大的剪枝工具，通过指定不同的剪枝策略可以缩小维度组合个数。

3.2.1 强制维度

强制维度

强制维度（Mandatory），如果一个维度被定义为强制维度，分组后的维度组合结果一定要包含该维度，但是强制维度不能自己出现。

3.2.2 层级维度

层级维度

如果指定了维度直接的依赖关系，比如 维度A(年) -> 维度B(月)。维度B不能单独出现，必须B想出现的话必须有A。

3.2.3 联合维度

联合维度

每个联合中包含两个或更多个维度，如果某些列形成一个联合，那么在该分组产生的任何Cuboid中，这些联合维度要么一起出现，要么都不出现。

3.3 Row Key 优化

Kylin 会把所有的维度按照顺序组合成一个完整的Rowkey，并且按照这个Rowkey 升序
排列Cuboid 中所有的行。设计良好的Rowkey 将更有效地完成数据的查询过滤和定位，减少IO 次数，提高查询速度，维度在rowkey 中的次序，对查询性能有显著的影响。

3.3.1 被过滤的维度放在前面

如果A的枚举值是1、2、3、4。B的枚举值a、b、c、d。

过滤

3.3.2 基数打的维度放在基数小的维度前面

如下，想生成AB的结果，则可从ABC、ABD中出结果(ABD结果行数更少)，因为kylin系统默认选择cubeid小的，所以基数打的维度尽量前调。

由三个维度生成两个维度

4. 参考

Kylin : https://www.bilibili.com/video/BV1QU4y1F7QH?p=19


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