ClickHouse和他的朋友们（15）Group By 为什么这么快

在揭秘 ClickHouse Group By 之前，先聊聊数据库的性能对比测试问题。在虎哥看来，一个“讲武德”的性能对比测试应该提供什么信息呢？

首先要尊重客观事实，在什么场景下，x 比 y 快？
其次是为什么 x 会比 y 快？

如果以上两条都做到了，还有一点也比较重要：x 的优势可以支撑多久？是架构等带来的长期优势，还是一袋烟的优化所得，是否能持续跟上自己的灵魂。如果只是贴几个妖艳的数字，算不上是 benchmark，而是 benchmarket。

好了，回到 Group By 正题。

相信很多同学已经体验到 ClickHouse Group By 的出色性能，本篇就来分析下快的原因。首先安慰一下，ClickHouse 的 Group By 并没有使用高大上的黑科技，只是摸索了一条相对较优的方案。

一条 SQL

SELECT sum(number) FROM numbers(10) GROUP BY number % 3

我们就以这条简单的 SQL 作为线索，看看 ClickHouse 怎么实现 Group By 聚合。

1. 生成 AST

EXPLAIN ASTSELECT sum(number)FROM numbers(10)GROUP BY number % 3┌─explain─────────────────────────────────────┐│ SelectWithUnionQuery (children 1)           ││  ExpressionList (children 1)                ││   SelectQuery (children 3)                  ││    ExpressionList (children 1)              ││     Function sum (children 1)               │  // sum 聚合│      ExpressionList (children 1)            ││       Identifier number                     ││    TablesInSelectQuery (children 1)         ││     TablesInSelectQueryElement (children 1) ││      TableExpression (children 1)           ││       Function numbers (children 1)         ││        ExpressionList (children 1)          ││         Literal UInt64_10                   ││    ExpressionList (children 1)              ││     Function modulo (children 1)            │  // number % 3 函数│      ExpressionList (children 2)            ││       Identifier number                     ││       Literal UInt64_3                      │└─────────────────────────────────────────────┘

2. 生成 Query Plan

EXPLAINSELECT sum(number)FROM numbers(10)GROUP BY number % 3┌─explain───────────────────────────────────────────────────────────────────────┐│ Expression ((Projection + Before ORDER BY))                                   │ │   Aggregating                                                                 │ // sum 聚合│     Expression (Before GROUP BY)                                              │ // number % 3│       SettingQuotaAndLimits (Set limits and quota after reading from storage) ││         ReadFromStorage (SystemNumbers)                                       │└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘

代码主要在 InterpreterSelectQuery::executeImpl@Interpreters/InterpreterSelectQuery.cpp (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/Interpreters/InterpreterSelectQuery.cpp#L1063)

3. 生成 Pipeline

EXPLAIN PIPELINESELECT sum(number)FROM numbers(10)GROUP BY number % 3┌─explain───────────────────────┐│ (Expression)                  ││ ExpressionTransform           ││   (Aggregating)               ││   AggregatingTransform        │  // sum 计算│     (Expression)              ││     ExpressionTransform       │  // number % 3 计算│       (SettingQuotaAndLimits) ││         (ReadFromStorage)     │└───────────────────────────────┘

4. 执行 Pipeline

Pipeline 是从底部往上逐一执行。

4.1 ReadFromStorage

首先从 ReadFromStorage 执行，生成一个 block1，数据如下:

┌─number─┐│      0 ││      1 ││      2 ││      3 ││      4 ││      5 ││      6 ││      7 ││      8 ││      9 │└────────┘number类型为 UInt64

4.2 ExpressionTransform

ExpressionTransform 包含了 2 个 action:

名字为 number，type 为 INPUT
名字为 modulo(number, 3)， type 为 FUNCTION

经过 ExpressionTransform 运行处理后生成一个新的 block2，数据如下:

┌─number─┬─modulo(number, 3)─┐│      0 │                 0 ││      1 │                 1 ││      2 │                 2 ││      3 │                 0 ││      4 │                 1 ││      5 │                 2 ││      6 │                 0 ││      7 │                 1 ││      8 │                 2 ││      9 │                 0 │└────────┴───────────────────┘number 类型为 UInt64modulo(number, 3) 类型为 UInt8

代码主要在 ExpressionActions::execute@Interpreters/ExpressionActions.cpp (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/Interpreters/ExpressionActions.cpp#L416)

4.3 AggregatingTransform

AggregatingTransform 是 Group By 高性能的核心所在。

本示例中的 modulo(number, 3) 类型为 UInt8，在做优化上，ClickHouse 会选择使用数组代替 hashtable作为分组，区分逻辑见 Interpreters/Aggregator.cpp (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/Interpreters/Aggregator.cpp#L526)

在计算 sum 的时候，首先会生成一个数组 [1024]，然后做了一个编译展开(代码 addBatchLookupTable8@AggregateFunctions/IAggregateFunction.h) (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/AggregateFunctions/IAggregateFunction.h#L412-L487):

        static constexpr size_t UNROLL_COUNT = 4;        std::unique_ptr<Data[]> places{new Data[256 * UNROLL_COUNT]};        bool has_data[256 * UNROLL_COUNT]{}; /// Separate flags array to avoid heavy initialization.        size_t i = 0;        /// Aggregate data into different lookup tables.        size_t batch_size_unrolled = batch_size / UNROLL_COUNT * UNROLL_COUNT;        for (; i < batch_size_unrolled; i += UNROLL_COUNT)        {            for (size_t j = 0; j < UNROLL_COUNT; ++j)            {                size_t idx = j * 256 + key[i + j];                if (unlikely(!has_data[idx]))                {                    new (&places[idx]) Data;                    has_data[idx] = true;                }                func.add(reinterpret_cast<char *>(&places[idx]), columns, i + j, nullptr);            }        }

sum(number) ... GROUP BY number % 3 计算方式：

array[0] = 0 + 3 + 6 + 9 = 18array[1] = 1 + 4 + 7 = 12array[2] = 2 + 5 + 8 = 15

这里只是针对 UInt8 做的一个优化分支，那么对于其他类型怎么优化处理呢？

ClickHouse 针对不同的类型分别提供了不同的 hashtable，声势比较浩大（代码见 Aggregator.h） (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/Interpreters/Aggregator.h#L68-L103)：

using AggregatedDataWithUInt8Key = FixedImplicitZeroHashMapWithCalculatedSize<UInt8, AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithUInt16Key = FixedImplicitZeroHashMap<UInt16, AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithUInt32Key = HashMap<UInt32, AggregateDataPtr, HashCRC32<UInt32>>;using AggregatedDataWithUInt64Key = HashMap<UInt64, AggregateDataPtr, HashCRC32<UInt64>>;using AggregatedDataWithShortStringKey = StringHashMap<AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithStringKey = HashMapWithSavedHash<StringRef, AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithKeys128 = HashMap<UInt128, AggregateDataPtr, UInt128HashCRC32>;using AggregatedDataWithKeys256 = HashMap<DummyUInt256, AggregateDataPtr, UInt256HashCRC32>;using AggregatedDataWithUInt32KeyTwoLevel = TwoLevelHashMap<UInt32, AggregateDataPtr, HashCRC32<UInt32>>;using AggregatedDataWithUInt64KeyTwoLevel = TwoLevelHashMap<UInt64, AggregateDataPtr, HashCRC32<UInt64>>;using AggregatedDataWithShortStringKeyTwoLevel = TwoLevelStringHashMap<AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithStringKeyTwoLevel = TwoLevelHashMapWithSavedHash<StringRef, AggregateDataPtr>;using AggregatedDataWithKeys128TwoLevel = TwoLevelHashMap<UInt128, AggregateDataPtr, UInt128HashCRC32>;using AggregatedDataWithKeys256TwoLevel = TwoLevelHashMap<DummyUInt256, AggregateDataPtr, UInt256HashCRC32>;using AggregatedDataWithUInt64KeyHash64 = HashMap<UInt64, AggregateDataPtr, DefaultHash<UInt64>>;using AggregatedDataWithStringKeyHash64 = HashMapWithSavedHash<StringRef, AggregateDataPtr, StringRefHash64>;using AggregatedDataWithKeys128Hash64 = HashMap<UInt128, AggregateDataPtr, UInt128Hash>;using AggregatedDataWithKeys256Hash64 = HashMap<DummyUInt256, AggregateDataPtr, UInt256Hash>;

如果我们改成 GROUP BY number*100000 后，它会选择 AggregatedDataWithUInt64Key 的 hashtable 作为分组。

而且 ClickHouse 提供了一种 Two Level 方式，用于应对有大量分组 key 的情况，Level1 先分大组，Level2 小组可以并行计算。

针对 String 类型，根据不同的长度，hashtable 也做了很多优化，代码见 HashTable/StringHashMap.h (https://github.com/ClickHouse/ClickHouse/blob/27ddf78ba572b893cb5351541f566d1080d8a9c6/src/Common/HashTable/StringHashMap.h#L78-L82)