作者：耿宏宇

1 表引擎简述

1.1 官方描述

MergeTree 系列的引擎被设计用于插入极大量的数据到一张表当中。数据可以以数据片段的形式一个接着一个的快速写入，数据片段在后台按照一定的规则进行合并。相比在插入时不断修改（重写）已存储的数据，这种策略会高效很多。

ReplacingMergeTree 引擎和 MergeTree 的不同之处在于它会删除排序键值相同的重复项。
数据的去重只会在数据合并期间进行。合并会在后台一个不确定的时间进行，因此你无法预先作出计划。有一些数据可能仍未被处理。尽管你可以调用 OPTIMIZE 语句发起计划外的合并，但请不要依靠它，因为 OPTIMIZE 语句会引发对数据的大量读写。

1.2 本地表语法

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
...
) ENGINE = ReplacingMergeTree([ver])
[PARTITION BY expr]
[PRIMARY KEY expr]
[ORDER BY expr]
[SAMPLE BY expr]
[TTL expr [DELETE|TO DISK 'xxx'|TO VOLUME 'xxx'], ...]
[SETTINGS name=value, ...]

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree )

参数介绍

ver — 版本列。类型为 UInt*, Date 或 DateTime。可选参数。
在数据合并的时候，ReplacingMergeTree 从所有具有相同排序键的行中选择一行留下：
1.如果 ver 列未指定，保留最后一条。
2.如果 ver 列已指定，保留 ver 值最大的版本。
PRIMARY KEY expr 主键。如果要选择与排序键不同的主键，在这里指定，可选项。
默认情况下主键跟排序键（由 ORDER BY 子句指定）相同。因此，大部分情况下不需要再专门指定一个 PRIMARY KEY 子句。
SAMPLE BY EXPR 用于抽样的表达式，可选项
PARTITION BY expr 分区键
ORDER BY expr 排序键

1.3 分区表语法

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
...
) ENGINE = Distributed(cluster, database, table[, sharding_key[, policy_name]])
[SETTINGS name=value, ...]

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree )

参数介绍

cluster 集群名
table 远程数据表名
sharding_key 分片规则
policy_name 规则名，它会被用作存储临时文件以便异步发送数据

2 键的概念

Clickhouse的部署，分为单机模式和集群模式，还可以开启副本。两种模式，数据表在创建语法、创建步骤和后续的使用方式上，存在一定的差异。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

在定义表结构时，需要指定不同的键，作用如下。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分片：所有分片节点的权重加和得到S，可以理解为sharing动作取模的依据，权重X=W/S。分片键 Mod S 得到的值，与哪个分片节点匹配，则会写入哪个分片。不同分片可能存在于不同的集群节点，即便不同分片在同一节点，但ck在merge时，维度是同一分区+同一分片，这是物理文件的合并范围。
如果我们权重分别设置为1,2,3 那么总权重是6,那么总区间就是[0,6),排在shard配置第一位的node01,权重占比为1/6,所以属于区间[0,1),排在shard配置第二位的node02,占比2/6,所以区间为[1,3),至于最后的node03就是[3,6).所以如果rand()产生的数字除以6取余落在哪个区间,数据就会分发到哪个shard,通过权重配置,可以实现数据按照想要的比重分配.

3 分片的作用

3.1 分片规则

在分布式模式下，ClickHouse会将数据分为多个分片，并且分布到不同节点上。不同的分片策略在应对不同的SQL Pattern时，各有优势。ClickHouse提供了丰富的- - - sharding策略，让业务可以根据实际需求选用。

random随机分片：写入数据会被随机分发到分布式集群中的某个节点上。
constant固定分片：写入数据会被分发到固定一个节点上。
column value分片：按照某一列的值进行hash分片。
自定义表达式分片：指定任意合法表达式，根据表达式被计算后的值进行hash分片。

3.2 类比

以MySQL的分库分表场景为例：

2个库，1个表分4个子表，采用一主一从模式。
db01包含tab-1和tab-2，db-2包含tab-3和tab-4；
在配置sharding规则时，需要设置分库规则、分表规则；
一条记录写入时，会计算它要写入哪个表、哪个库，写入的记录会被从节点复制。

这个MySQL的例子，与CK的分区+分片+副本在逻辑上基本一致。分区理解为数据写入哪个表，分片可以理解为数据写入哪个库，副本则是从节点的拷贝。

3.3 分片、分区与副本

Clickhouse分片是集群模式下的概念，可以类比MySQL的Sharding逻辑，副本是为了解决Sharing方案下的高可用场景所存在的。
下图描述了一张Merge表的各类键的关系，也能反映出一条记录的写入过程。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

4 数据合并限制

理清了分区与分片的概念，也就明白CK的数据合并，为什么要限制相同分区、相同分片，因为它们影响数据的存储位置，merge操作只能针对相同物理位置（分区目录）的数据进行操作，而分片会影响数据存储在哪个节点上。
一句话，使用CK的ReplacingMergeTree引擎的去重特性，期望去重的数据，必须满足拥有相同排序键、同一分区、同一分片。
接下来针对这一要求，在数据上进行验证。

5 数据验证

5.1 场景设置

这里是要验证上面的结论，“期望去重的数据，必须满足在相同排序键、同一分区、同一分片”；
首先拥有相同排序键才会在merge操作时进行判断为重复，因此保证测试数据的排序键相同；剩余待测试场景则是分区与分片。
由此进行场景设置：

相同记录，能够写入同一分区、同一分片
相同记录，能够写入同一分区，不同分片
相同记录，能够写入不同分区，不同分片
相同记录，能够写入不同分区、相同分片
再叠加同步写入方式：
直接写本地表
直接写分布式表
补充：分区键与分片键，是否必须相同？

5.2 第一天测试

场景1：相同记录，能够写入同一分区、同一分片

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

一次执行3条插入，插入本地表
[main_id=101,sku_id=SKU0002；barnd_code=BC01,BC02,BC03]
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_same_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分三次执行，插入本地表
[main_id=101,sku_id=SKU0001；barnd_code=BC01,BC02,BC03]
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_same_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分三次执行，插入分布式表
[main_id=101,sku_id=SKU0001；barnd_code=BC001,BC002,BC003]
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_same_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

select * from test_ps.sku_detail_same_partition_same_shard_all final;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

结论1
1.采用分布式表插入数据，保证分片键、分区键的值相同，才能保证merge去重成功
排除本地表插入场景
2.采用本地表插入数据，在分片键、分区键相同的情况下，无法保证merge去重

在一个session（一次提交）里面包含多个记录，直接会得到一条记录，插入过程去重
在第一次insert时，准备的3条insert语句是一次执行的，查询后只有1条记录。
在多个session（多次提交）记录，不会直接去重，但有可能写到不同集群节点，导致无法去重
分3次执行3条insert语句，查询后有3条记录，且通过final查询后有2条记录，合并去重的那2条记录是写入在同一集群节点。【参考SKU0002的执行结果】

后面直接验证插入分布式表场景。

场景2：相同记录，能够写入同一分区，不同分片

分片键采用的rand()方式，随机生成。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分三次执行，插入分布式表
[main_id=103,sku_id=SKU0003；barnd_code=BC301,BC302,BC303]
检查数据插入状态
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_diff_shard_all where main_id =103 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

检查merge的去重结果
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_diff_shard_all final where main_id =103 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分五次执行，插入分布式表
[main_id=104,sku_id=SKU0004；barnd_code=BC401,BC402,BC403,BC404,BC405]
检查数据插入状态
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_diff_shard_all where main_id =104 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

检查merge的去重结果
select * from test_ps.sku_detail_same_partition_diff_shard_all final where main_id =104 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

结论2

采用分布式表插入数据，保证分区键的值相同、分片键的值随机，无法保证merge去重

如果插入记录时，通过rand()生成的数字取模后的值一样，很幸运最终可以merge去重成功
如果插入记录时，通过rand()生成的数字取模后的值不一样，最终无法通过merge去重

场景3：相同记录，能够写入不同分区，不同分片

分片键采用的rand()方式，随机生成；
分区键为了方便测试，采用创建时间。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分五次执行，插入分布式表
[main_id=105,sku_id=SKU0005；barnd_code=BC501,BC502,BC503,BC504,BC505]

检查数据插入状态
select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_diff_shard_all where main_id =105 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

检查merge的去重结果
select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_diff_shard_all final where main_id =105;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

结论3
采用分布式表插入数据，分区键的值与排序键不一致、分片键的值随机，无法保证merge去重

按当前测试结果，虽然create_time都不相同，也就是分区不同，也发生了数据合并
数据发生合并，但结果并不是完全按排序键进行合并的

场景4：相同记录，能够写入不同分区、相同分片

分片键采用main_id；
分区键为了方便测试，采用创建时间。

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

分六次执行，插入分布式表
[main_id=106,sku_id=SKU0006；barnd_code=BC601,BC602,BC603,BC604,BC605,BC606]

检查数据插入状态
select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_same_shard_all where main_id =106 ;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

检查merge的去重结果
select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_same_shard_all final where main_id =106;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

此场景，经过第二天检索，数据并没有进行merge，而是用final关键字依然能检索出去重后的结果。也就是说final关键字只是在内存中进行去重，由于所在分区不同，文件是没有进行merge合并的，也就没有去重。反观相同分区、相同分片的数据表，数据已经完成了merge合并，普通检索只能得到一条记录。

结论4
采用分布式表插入数据，分区键的值与排序键不一致、分片键的值固定，无法实现merge去重

5.3 第二天检查

以下均采用普通查询，发现如下情况

分片不同的表，其数据没有合并
分片相同、分区不同的没有合并
分片相同、分区相同的已经完成了合并

select * from test_ps.sku_detail_same_partition_same_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

select * from test_ps.sku_detail_same_partition_diff_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_diff_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

select * from test_ps.sku_detail_diff_partition_same_shard_all;

Clickhouse表引擎探究-ReplacingMergeTree

6 总结

根据测试结果，在不同场景下的合并情况：

如果数据存在在相同分片，且相同分区，绝对可以实现合并去重。
如果数据存储在不同分片，不同分区，将不会进行合并去重。
如果数据存储在不同分片，但同一分片内保证在相同分区，会进行此分片下的merge去重。
如果数据存在在相同分片，但不同分区，不会进行merge去重，但通过final关键字可以在CK内存中对相同分区、相同分片的数据进行去重。

在Clickhouse的ReplacingMergeTree进行merge操作时，是根据排序键（order by）来识别是否重复、是否需要合并。而分区和分片，影响的是数据的存储位置，在哪个集群节点、在哪个文件目录。那么最终ReplacingMergeTree表引擎在合并时，只会在当前节点、且物理位置在同一表目录下的数据进行merge操作。

最后，我们在设计表时，如果期望利用到ReplacingMergeTree自动去重的特性，那么必须使其存储在相同分区、相同分片下； 而在设置分区键、分片键时，二者不要求必须相同，但必须稳定，稳定的含义是入参相同出参必须相同。