ClickHouse和他的朋友们(4)Pipeline处理器和调度器

Stella981
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原文出处:https://bohutang.me/2020/06/11/clickhouse-and-friends-processor/

本文谈下 ClickHouse 核心科技:处理器 Processor 和有向无环调度器 DAG Scheduler。

这些概念并不是 ClickHouse 首创,感兴趣的同学可以关注下 materialize的 timely-dataflow,虎哥用golang 也写过一个原型。

拼的是实现细节,正是这些模块的精良设计,才有了 ClickHous e整体的高性能。

Pipeline问题

在传统数据库系统中,一个 Query 处理流程大体是:ClickHouse和他的朋友们(4)Pipeline处理器和调度器

其中在Plan阶段,往往会增加一个 Pipeline 组装(一个 transformer 代表一次数据处理):

ClickHouse和他的朋友们(4)Pipeline处理器和调度器

所有 transformer 被编排成一个流水线(pipeline),然后交给 executor 串行式执行,每执行一个 transformer 数据集就会被加工并输出,一直到下游的 sinker。可以看到,这种模型的优点是简单,缺点是性能低,无法发挥 CPU 的并行能力,通常叫火山模型(_volcano_-style),对于 OLTP 低延迟来说足够,对于计算密集的 OLAP 来说是远远不够的,CPU 不到 100% 就是犯罪!

对于上面的例子,如果 transformer1 和 transformer2 没有交集,那么它们就可以并行处理:

ClickHouse和他的朋友们(4)Pipeline处理器和调度器

这样就涉及到一些比较灵魂的问题:

  1. 如何实现 transformer 的灵活编排?

  2. 如何实现 transformer 间的数据同步?

  3. 如何实现 transformer 间的并行调度?

Processor 和 DAG Scheduler

1. Transformer 编排

ClickHouse 实现了一系列基础 transformer 模块,见 src/Processors/Transforms,比如:

  • FilterTransform -- WHERE 条件过滤

  • SortingTransform -- ORDER BY 排序

  • LimitByTransform -- LIMIT 裁剪

当我们执行:

SELECT * FROM t1 WHERE id=1 ORDER BY time DESC LIMIT 10

对于 ClickHouse 的 QueryPipeline 来说,它会按照以下方式进行编排组装:

QueryPipeline::addSimpleTransform(Source)QueryPipeline::addSimpleTransform(FilterTransform)QueryPipeline::addSimpleTransform(SortingTransform)QueryPipeline::addSimpleTransform(LimitByTransform)QueryPipeline::addSimpleTransform(Sinker)

这样就实现了 Transformer 的编排,但是执行时数据如何进行同步呢?

2. Transformer 数据同步

当 QueryPipeline 进行 transformer 编排时,我们还需要进行更加底层的 DAG 连通构建。

connect(Source.OutPort, FilterTransform.InPort)connect(FilterTransform.OutPort, SortingTransform.InPort)connect(SortingTransform.OutPort, LimitByTransform.InPort)connect(LimitByTransform.OutPort, Sinker.InPort)

这样就实现了数据的流向关系,一个 transformer 的 OutPort 对接另外一个的 InPort,就像我们现实中的水管管道一样,接口有 3 通甚至多通。

3. Transformer 执行调度

现在管道组装起来了,那么管道内的水如何进行处理和给压流动呢?

ClickHouse 定义了一套 transform 状态,processor 根据这些状态来实现调度。

    enum class Status    {        NeedData  // 等待数据流进入        PortFull, // 管道流出端阻塞        Finished, // 完成状态,退出        Ready,    // 切换到 work 函数,进行逻辑处理        Async,    // 切换到 schedule 函数,进行异步处理        Wait,     // 等待异步处理        ExpandPipeline,      // Pipeline 需要裂变    };

当 source 生成数据后,它的状态会设置为 PortFull,意思是等着流入其他 transformer 的 InPort,processor 会开始调度 FilterTransformer(NeedData) 的 Prepare,进行 PullData,然后它的状态设置为 Ready,等待 processor 调度 Work 方法进行数据Filter处理,大家就这样靠状态让 processor 去感知,来调度和做状态迁移,直到 Finished 状态。

这里值得一提的是 ExpandPipeline 状态,它会根据 transformer 的实现,可以把一个 transformer 裂变出更多个 transformer 并行执行,达到一个爆炸效果。

Example

SELECT number + 1 FROM t1;

为了更加深入理解 ClickHouse 的 processor 和 scheduler 机制,我们来一个原生态的 example:

  1. 一个 Source:{0,1,2,3,4}

  2. AdderTransformer 对每个数字做加1操作

  3. 一个 Sinker,输出结果

1. Source

class MySource : public ISource{public:    String getName() const override { return "MySource"; }    MySource(UInt64 end_)        : ISource(Block({ColumnWithTypeAndName{ColumnUInt64::create(), std::make_shared<DataTypeUInt64>(), "number"}})), end(end_)    {    }private:    UInt64 end;    bool done = false;    Chunk generate() override    {        if (done)        {            return Chunk();        }        MutableColumns columns;        columns.emplace_back(ColumnUInt64::create());        for (auto i = 0U; i < end; i++)            columns[0]->insert(i);        done = true;        return Chunk(std::move(columns), end);    }};

2. MyAddTransform

class MyAddTransformer : public IProcessor{public:    String getName() const override { return "MyAddTransformer"; }    MyAddTransformer()        : IProcessor(            {Block({ColumnWithTypeAndName{ColumnUInt64::create(), std::make_shared<DataTypeUInt64>(), "number"}})},            {Block({ColumnWithTypeAndName{ColumnUInt64::create(), std::make_shared<DataTypeUInt64>(), "number"}})})        , input(inputs.front())        , output(outputs.front())    {    }    Status prepare() override    {        if (output.isFinished())        {            input.close();            return Status::Finished;        }        if (!output.canPush())        {            input.setNotNeeded();            return Status::PortFull;        }        if (has_process_data)        {            output.push(std::move(current_chunk));            has_process_data = false;        }        if (input.isFinished())        {            output.finish();            return Status::Finished;        }        if (!input.hasData())        {            input.setNeeded();            return Status::NeedData;        }        current_chunk = input.pull(false);        return Status::Ready;    }    void work() override    {        auto num_rows = current_chunk.getNumRows();        auto result_columns = current_chunk.cloneEmptyColumns();        auto columns = current_chunk.detachColumns();        for (auto i = 0U; i < num_rows; i++)        {            auto val = columns[0]->getUInt(i);            result_columns[0]->insert(val+1);        }        current_chunk.setColumns(std::move(result_columns), num_rows);        has_process_data = true;    }    InputPort & getInputPort() { return input; }    OutputPort & getOutputPort() { return output; }protected:    bool has_input = false;    bool has_process_data = false;    Chunk current_chunk;    InputPort & input;    OutputPort & output;};

3. MySink

class MySink : public ISink{public:    String getName() const override { return "MySinker"; }    MySink() : ISink(Block({ColumnWithTypeAndName{ColumnUInt64::create(), std::make_shared<DataTypeUInt64>(), "number"}})) { }private:    WriteBufferFromFileDescriptor out{STDOUT_FILENO};    FormatSettings settings;    void consume(Chunk chunk) override    {        size_t rows = chunk.getNumRows();        size_t columns = chunk.getNumColumns();        for (size_t row_num = 0; row_num < rows; ++row_num)        {            writeString("prefix-", out);            for (size_t column_num = 0; column_num < columns; ++column_num)            {                if (column_num != 0)                    writeChar('\t', out);                getPort()                    .getHeader()                    .getByPosition(column_num)                    .type->serializeAsText(*chunk.getColumns()[column_num], row_num, out, settings);            }            writeChar('\n', out);        }        out.next();    }};

4. DAG Scheduler

int main(int, char **){    auto source0 = std::make_shared<MySource>(5);    auto add0 = std::make_shared<MyAddTransformer>();    auto sinker0 = std::make_shared<MySink>();    /// Connect.    connect(source0->getPort(), add0->getInputPort());    connect(add0->getOutputPort(), sinker0->getPort());    std::vector<ProcessorPtr> processors = {source0, add0, sinker0};    PipelineExecutor executor(processors);    executor.execute(1);}

总结

从开发者角度看还是比较复杂,状态迁移还需要开发者自己控制,不过 upstream 已经做了大量的基础工作,比如对 source的封装 ISource,对 sink 的封装 ISink,还有一个基础的 ISimpleTransform,让开发者在上层使用 processor 时更加容易,可以积木式搭建出自己想要的 pipeline。

ClickHouse 的 transformer 数据单元是 Chunk,transformer 对上游 OutPort 流过来的 Chunk 进行加工,然后输出给下游的 InPort,图连通式的流水线并行工作,让 CPU 尽量满负荷工作。

当一个 SQL 被解析成 AST 后,ClickHouse 根据 AST 构建 Query Plan,然后根据 QueryPlan 构建出 pipeline,最后由 processor 负责调度和执行。目前,ClickHouse 新版本已经默认开启 QueryPipeline,同时这块代码也在不停的迭代。

文内链接

延伸阅读

全文完。

Enjoy ClickHouse :)

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ClickHouse和他的朋友们(4)Pipeline处理器和调度器

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