前言

这篇来介绍下 Databend 底座: Fuse Engine,一个动力澎湃的列式存储引擎,Databend Fuse Engine 在设计之初社区给它的定位是:动力要澎湃,架构要简单,可靠性要高。 在正式介绍之前,我们先看一组“挑战数据”,Databend Fuse Engine + AWS S3,一个事务在 ~1.5 小时写入了 22.89 TB 原始数据:

mysql> INSERT INTO ontime_new SELECT * FROM ontime_new;
Query OK, 0 rows affected (1 hour 34 min 36.82 sec)
Read 31619274180 rows, 22.89 TB in 5675.207 sec., 5.57 million rows/sec., 4.03 GB/sec.

同时,在功能上要满足:

  • 分布式事务:支持多个计算节点同时读、写同一份数据(存算分离架构首先要解决的问题)
  • 快照隔离:不同版本数据之间互不影响,方便做 Table Zero-Copy
  • 回溯能力:可切换到任意一个版本,方便做 Time Travel
  • 数据合并:合并后生成新版本数据
  • 简单、健壮:关系通过文件来描述,基于这些文件即可恢复出整个数据系统

从这些需求出发,你会发现 Fuse Engine 跟 Git “形似”(Git-inspired),在介绍 Fuse Engine 设计之前,我们先来看看 Git 底层是如何工作的。

Git 工作机制

Git 解决了分布式环境下的数据版本管理(data version control)问题,它有隔离(branch)、提交(commit)、回溯(checkout),以及合并(merge)功能,基于 Git 语义完全可以打造出一个分布式存储引擎。市面上也出现一些基于 Git-like 思想而构建的产品,比如 Nessie - Transactional Catalog for Data LakeslakeFS

为了更好的探索 Git 底层工作机制,我们选择从数据库角度出发,使用 Git 语义来完成一系列“数据”操作。

  1. 首先, 准备一个数据文件 cloud.txt,内容为:
2022/05/06, Databend, Cloud
  1. cloud.txt 数据写到 Git 系统:
git commit -m "Add olap.txt"
  1. Git 为我们生成一个快照,Commit ID 为 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71
git log 
commit 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71 (HEAD)
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 16:44:21 2022 +0800

    Add cloud.txt
  1. 再准备一个新文件 warehouse.txt
2022/05/07, Databend, Warehouse
  1. warehouse.txt 数据写到 Git 系统
git commit -m "Add warehouse.txt"
  1. Git 为我们生成一个新的快照,Commit ID 为 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424
commit 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424 (HEAD)
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 17:41:43 2022 +0800

    Add warehouse.txt

commit 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71
Author: BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com>
Date:   Fri May 6 16:44:21 2022 +0800

    Add cloud.txt

到此为止,Git 已经为我们维护了 2 个版本的数据:

ID 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424,版本2
ID 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71,版本1

我们可以根据 Commit ID 进行版本间的任意切换,也就是实现了 Time Travel 和 Table Zero-Copy 功能,那么 Git 底层是如何做到的呢? 方式也比较简单,它通过引入 3 类对象文件来进行关系描述:

  • Commit 文件,用于描述 tree 对象信息
  • Tree 文件,用于描述 blob 对象信息
  • Blob 文件,用于描述文件信息

HEAD 文件

首先,我们需要知道一个 HEAD 指针:

cat .git/HEAD
15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

Commit 文件

Commit 文件会记录跟 commit 相关的一些元数据信息,比如当前 tree 以及 parent,还有提交人等,文件路径:

.git/objects/15/af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

文件内容:

git cat-file -p 15af34e4d16082034e1faeaddd0332b3836f1424

tree 576c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a
parent 7d972c7ba9213c2a2b15422d4f31a8cbc9815f71
author BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com> 1651830103 +0800
committer BohuTANG <overred.shuttler@gmail.com> 1651830103 +0800

Add warehouse.txt

Tree 文件

Tree 文件记录当前版本下所有的数据文件,文件路径:

.git/objects/57/6c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a

文件内容:

git cat-file -p 576c63e580846fa6df2337c1f074c8d840e0b70a

100644 blob 688de5069f9e873c7e7bd15aa67c6c33e0594dde    cloud.txt
100644 blob bdea812b9602ed3c6662a2231b3f1e7b52dc1ccb    warehouse.txt

Blob 文件

Blob 文件是原始数据文件,同样可以通过 git cat-file 命令来查看文件内容(如果使用 Git 来管理代码,Blob 就是我们的代码文件)。

git cat-file -p 688de5069f9e873c7e7bd15aa67c6c33e0594dde
2022/05/06, Databend, Cloud

git cat-file -p bdea812b9602ed3c6662a2231b3f1e7b52dc1ccb
2022/05/07, Databend, Warehouse

Fuse Engine

Databend Fuse Engine 在设计上,跟 Git 非常类似,它引入 3 个描述文件:

  • Snapshot 文件,用于描述 Segment 对象信息
  • Segment 文件,用于描述 Block 对象信息
  • Block 文件,用于描述 Parquet 文件信息

我们继续在 Fuse Engine 里进行一把刚才在 Git 进行的操作。

CREATE TABLE git(file VARCHAR, content VARCHAR);
  1. cloud.txt 数据写到 Fuse Engine
INSERT INTO git VALUES('cloud.txt', '2022/05/06, Databend, Cloud');
  1. Fuse 为我们生成一个新的 Snapshot ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2:
CALL system$fuse_snapshot('default', 'git');
*************************** 1. row ***************************
        snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
  snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
      segment_count: 1
        block_count: 1
          row_count: 1
  bytes_uncompressed: 68
    bytes_compressed: 351
  1. warehouse.txt 数据写到 Fuse Engine
INSERT INTO git VALUES('warehouse.txt', '2022/05/07, Databend, Warehouse');
  1. Fuse Engine 为我们生成一个新的 Snapshot ID efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19,并指向前一个 Snapshot ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
CALL system$fuse_snapshot('default', 'git');
*************************** 1. row ***************************
        snapshot_id: efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19
  snapshot_location: 53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json
     format_version: 1
previous_snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
      segment_count: 2
        block_count: 2
          row_count: 2
*************************** 2. row ***************************
         snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
  snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
     format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
      segment_count: 1
         block_count: 1
           row_count: 1

目前为止,Fuse Engine 为我们生成了 2 个版本的数据:

ID efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19,版本2
ID 6450690b09c449939a83268c49c12bb2,版本1

是不是跟 Git 非常类似?

HEAD

跟 Git 一样,Fuse Engine 也需要一个 HEAD 作为入口,查看 Fuse Engine 的 HEAD:

SHOW CREATE TABLE git\G;
*************************** 1. row ***************************
       Table: git
Create Table: CREATE TABLE `git` (
  `file` VARCHAR,
  `content` VARCHAR
) ENGINE=FUSE SNAPSHOT_LOCATION='53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json'

SNAPSHOT_LOCATION 就是 HEAD,默认指向最新的快照 efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19,那我们如何切到 ID 为 6450690b09c449939a83268c49c12bb2 的快照数据呢? 很简单,先查看当前表的 Snapshot 信息:

CALL system$fuse_snapshot('default', 'git')\G;
*************************** 1. row ***************************
         snapshot_id: efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19
   snapshot_location: 53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
       segment_count: 2
         block_count: 2
           row_count: 2
*************************** 2. row ***************************
         snapshot_id: 6450690b09c449939a83268c49c12bb2
   snapshot_location: 53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json
      format_version: 1
previous_snapshot_id: NULL
       segment_count: 1
         block_count: 1
           row_count: 1

然后创建一个新表(git_v1)并把 SNAPSHOT_LOCATION 指向相应的 Snapshot 文件:

CREATE TABLE git_v1(`file` VARCHAR, `content` VARCHAR) SNAPSHOT_LOCATION='53/133/_ss/6450690b09c449939a83268c49c12bb2_v1.json';

SELECT * FROM git_v1;
+-----------+-----------------------------+
| file      | content                     |
+-----------+-----------------------------+
| cloud.txt | 2022/05/06, Databend, Cloud |
+-----------+-----------------------------+

Snapshot 文件

用于存储 Segment 信息,文件路径 :

53/133/_ss/efe2687fd1fc48f8b414b5df2cec1e19_v1.json

文件内容:

{
   "format_version":1,
   "snapshot_id":"efe2687f-d1fc-48f8-b414-b5df2cec1e19",
   "prev_snapshot_id":[
      "6450690b-09c4-4993-9a83-268c49c12bb2",
      1
   ],
   
   "segments":[
      [
         "53/133/_sg/df56e911eb26446b9f8fac5acc65a580_v1.json"
      ],
      [
         "53/133/_sg/d0bff902b98846469480b23c2a8f93d7_v1.json"
      ]
   ]
   ... ...
}

Segment 文件

用于存储 Block 相关信息,文件路径:

 53/133/_sg/df56e911eb26446b9f8fac5acc65a580_v1.json

文件内容:

{
   "format_version":1,
   "blocks":[
      {
         "row_count":1,
         "block_size":76,
         "file_size":360,
         "location":[
            "53/133/_b/ba4a60013e27479e856f739aefeadfaf_v0.parquet",
            0
         ],
         "compression":"Lz4Raw"
      }
   ]
   ... ...
}

Block 文件

Fuse Engine 底层数据使用 Parquet 格式,每个文件内部有多个 Block 组成。

小结

Databend Fuse Engine 在早期设计(2021 年 10 月)时候,需求很明确,但方案选型还是经历过一段小曲折。当时,Databend 社区调研了市面上大量的 Table Format 方案(比如 Iceberg 等),当时面临的挑战是基于现有方案还是自己造一套?最终选择研发一套简洁的、适合自己的 Storage Engine,但数据存储格式选择 Parquet 标准。 在 Fuse Engine 里,我们把 Parquet Footer 单独存放,以减少不必要的 Seek 操作,另外增加了一套更加灵活的索引机制,比如 Aggregation,Join 等都可以有自己的索引来进行加速。

作者:|Databend|,原文链接: http://www.imooc.com/article/325409

文章推荐

Spring Authorization Server(AS)从 Mysql 中读取客户端、...

对 Python 中 GIL 的一点理解

vue3常见问题及解决方案(四)父组件切换行,然后子组件切换...

Spring大事务到底如何优化?

基于SqlSugar的开发框架循序渐进介绍(6)-- 在基类接口中注...

golang泛型实现--双hash表

break、continue、return中选择一个,我们结束掉它

# k8s-jenkins在kubernetes中持续部署

逆向进阶,利用 AST 技术还原 JavaScript 混淆代码

大数据在车联网行业的实践与应用

函数计算 HTTP 触发器支持异步,解放双手搭建 Web 服务

Docusaurus 一键快速部署个人博客