Clickhouse 的性能优化实践总结

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前言

ClickHouse是一个性能很强的OLAP数据库，性能强是建立在专业运维之上的，需要专业运维人员依据不同的业务需求对ClickHouse进行有针对性的优化。同一批数据，在不同的业务下，查询性能可能出现两极分化。

性能优化的原则

在进行ClickHouse性能优化时，有几条性能优化原则。这几条原则指导了ClickHouse性能优化的方向，在优化方法发生冲突时，应当以如下两条原则为判断标准。
先优化结构，再优化查询

• 合适的表结构和数据类型可以给性能带来非常显著的提升。在尚未进行结构优化的情况下，对SQL语句进行优化，对性能的影响比较小，甚至没有任何影响。ClickHouse的查询性能受底层结构的影响非常大，因此应当先进行结构优化，再进行查询优化。
• 在对结构进行优化时，应当首先对排序键进行优化。ClickHouse通过数据聚集提高查询性能，数据结构带来的加速效应小于数据聚集带来的加速效应。建议按照排序键、数据结构、索引、查询的顺序进行ClickHouse性能调优。

空间换时间

• ClickHouse的特性是查询速度快，因此必然会遇到使用空间换时间的场景。优先对排序键进行优化，排序键优化效果最好的是最左边的第一个排序条件。对于一张宽表，在不同的业务中，排序键优化的顺序不是固定不变的。
• 遇到这种情况，就需要用到空间换时间原则，即将数据按照新的排序键保存一个副本，使用多副本来应对不同的业务需求。
• ClickHouse本身会对数据进行压缩，即使是多个副本，也可能小于真实的数据量。遇到可以使用空间换时间的场景时，可以灵活创建副本，利用冗余实现性能优化。

数据结构优化

数据结构优化指针对表设计、字段类型选择等建表过程进行优化。
ClickHouse使用存储服务于计算的设计理念，其存储引擎和计算引擎绑定，共同协调优化。
由于ClickHouse高性能算法需要底层数据结构的支撑，因此将数据结构优化为适配ClickHouse高性能算法的类型，可以极大提高ClickHouse的查询性能。
巧用特殊编码类型

• 下表列出了ClickHouse支持的几个特殊编码类型，使用特殊编码类型可以极大提高压缩效率，降低数据的大小，从而起到降低磁盘I/O的作用，提高查询性能。

使用特殊编码类型的示例代码如下:

使用复制表作为分布式底层表

• ClickHouse的分布式表的本质是一个本地表的代理，如果其底层本地表有复制的需求，建议用户直接使用复制表，不要使用分布式表引擎提供的复制能力。
• 分布式表引擎的复制能力并不适合所有场景，有可能出现数据在两个副本中不一致的情况，从而导致查询结果出错。

设置字段类型

• 建议用户在使用ClickHouse时，按照字段的实际类型设置数据类型，不要像Hive数仓一样，全部使用String类型。

时间日期字段不要用整型的时间戳

• 在ClickHouse中，已经提供了原生的Date和DateTime类型，这两个类型底层使用时间戳保存数据，不需要针对时间日期进行优化。
• 原生的时间日期类型还可以使用ClickHouse提供的多种时间日期函数，利用ClickHouse的SIMD硬件优化查询性能。

使用默认值而不是Nullable

• ClickHouse使用Nullable标记某个字段列的数据允许为null。ClickHouse在处理null类型的数据时，会使用一个独立的数据文件来记录为null的数据，这会极大增加磁盘空间，增加磁盘I/O时间，降低查询速度。
• ClickHouse官方不建议用户使用Nullable，而是建议用户使用一个特殊意义的值配合表的默认值来处理允许为null的列。

以年龄列为例，可以定义-1为null，然后将年龄列的默认值设置为-1。通过这种方式避免Nullable对性能的影响。
使用字典代替Join操作中的表

• 对于经常参与Join操作的维度表，可以考虑是否使用ClickHouse提供的字典进行保存。
• ClickHouse的每个节点都会将配置文件中的字典载入内存，且支持动态更新字典。
• 在进行Join操作时，由于使用的字典已经预先分布到了集群中的各个节点上，所以Join操作的右表使用字典来代替可以跳过的数据传播过程，提高了查询效率。

内存优化

关闭虚拟内存

• 虚拟内存会降低ClickHouse的速度，也有可能和ClickHouse竞争磁盘I/O，所以在生产环境中最好关闭虚拟内存，以提高ClickHouse的查询性能。

尽可能使用大内存的配置

• ClickHouse在Join操作时默认使用哈希连接(Hash Join)算法，哈希连接算法会将右表载入内存进行操作。
• 如果内存不够，就会因内存溢出而导致查询失败，也可能使Join算法退化为磁盘上的Sort Merge Join算法而导致性能降低。如果业务场景中经常需要进行Join操作，那么用户应当尽可能选择大内存的配置。

磁盘优化

使用SSD

• 使用SSD（Solid-State Drive，固态硬盘）可以极大提高磁盘I/O。在条件允许的情况下，可以将ClickHouse的节点更换为SSD，以获得更好的性能。

冷热分层存储

• 使用全SSD的成本比较高，如果预算不够，那么也可以使用冷热分层存储的方案。
• 下面的代码展示了使用ClickHouse提供的TTL（Time To Live，生命周期）功能实现冷热分层的示例:

使用RAID

• 使用RAID（Redundant Array of Inexpensive Disks，磁盘阵列）提高磁盘I/O，可以防止硬盘损坏导致的数据丢失。
• ClickHouse官方建议在Linux上使用软件RAID。经过测试，建议读者首选RAID6，在保证数据安全的情况下，尽可能提高磁盘I/O速度，起到加速查询的作用。

分区粒度不宜过细

• ClickHouse的数据都在单机上，任务可能触及磁盘、CPU、内存的瓶颈，因此在单机上做并行可能是无效的。分区在ClickHouse上并不能加速查询，读者不应在ClickHouse上将分区粒度设置得太细，否则可能导致原本聚集的数据被打乱，反而影响查询速度。

做好磁盘I/O监控

• 在很多情况下，ClickHouse的瓶颈在磁盘上，建议读者做好磁盘I/O的监控。当磁盘I/O一直处于高位时，可以通过复制表分散一些查询，或者升级磁盘硬件，以获得更好的查询性能。

网络优化

网络优化的核心在于提高网卡带宽和优化网络拓扑布局，需要依照业务实际情况进行规划。
使用万兆或更高带宽的网卡

• ClickHouse集群中数据复制比较频繁，应该对ClickHouse的节点使用高性能网卡。建议使用万兆或更高带宽的网卡，高带宽的网卡可以提高网络传输的效率，提高分布式表的查询性能。

互为副本的机器安排在同一机架上

• 互为副本的集群经常需要进行数据复制，东西流量(East-West traffic)较大，为避免影响整个集群的干线网络，建议将互为副本的机器安排在同一个机架上，这样两个副本可以通过机架上的交换机进行流量传输，避免影响整个机房的带宽。

CPU优化

选择较多内核的CPU

• ClickHouse使用向量化计算引擎，会充分利用CPU的并行能力。
• 由于ClickHouse查询的大量时间都在磁盘I/O上，说明CPU经常处于等待状态，故主频对查询的影响较小。
• 在对ClickHouse硬件进行选型时，首选多核的CPU配置，避免选择CPU主频频率很高但CPU核数少的CPU配置。

选择支持SIMD的CPU

• ClickHouse计算引擎使用SIMD进行向量化加速，应该选择x86架构且支持SSE4.2指令集的CPU。生产环境尽可能不要选择ARM架构的CPU。

查询优化

Join操作时较小的表作为右表

• ClickHouse在Join操作会始终将右表载入内存，进行哈希连接。在编写Join语句时，应当将数据量比较小的表作为右表。
• 同时，在分布式表中，ClickHouse也会始终将右表广播到所有的分片上，将小表作为右表也能减少广播的数据量，提高查询速度。

使用批量写入，每秒不超过1个写入请求

• ClickHouse写入操作的成本比较高，建议使用批量写入的方法，而不要将数据一条一条地写入，尽可能保证每秒只有一个写入请求，也可以通过Buffer表进行缓冲。

对数据做好排序后再写入

• 在写入数据时，建议将数据按照表的排序键进行排序后再写入。鉴于ClickHouse的设计，每次遇到不同分区的数据都会创建一个新的临时分区，分区一旦完成写入，就会成为不可变对象。在极端情况下，未排序的数据多次创建新的临时分区，会引发too many parts的异常。批量写入数据时，事先对数据进行排序可以有效避免上述问题，从而获得很高的查询速度。

使用不精确函数以提升查询速度

• ClickHouse提供了不精确函数和精确函数两种统计函数。不精确函数只保证数据级准确，不保证精确，但查询速度快；精确函数保证数据的绝对精确，但是查询速度慢，可能触发全表扫描。在一些不需要精确数据的场景下，可以使用不精确函数进行查询。
• 下图展示了几个精确函数和不精确函数：

使用物化视图加速查询

• 物化视图的本质是一张物理表，将数据直接保存到磁盘中以提升查询速度。
• 比物理表更强大的是，物化视图还会检测底层表的变动，并自动将变动同步到物化视图的存储中。下面的代码展示了创建物化视图的方式：

Join下推

• ClickHouse并不适合超大表的Join操作，因此对于复杂的Join操作，建议将Join下推到Spark等大数据集群中实现，只将结果导入ClickHouse中供业务进行即席查询。
• 可以根据自身业务的实际情况，仔细考虑数仓的架构，对于数据量很大的业务场景，没有必要只靠ClickHouse来实现。ClickHouse只能在数据量较小的场景下取代大数据集群。
• 对于数据量庞大的场景，还是应当多种大数据技术并行，共同解决问题。

数据迁移优化

ClickHouse自带的工具具备部署简单、使用方便、维护方便等优点，但ClickHouse的原生数据迁移工具因为简单，无法支撑复杂的应用场景，建议使用Apache SeaTunnel进行数据迁移。
Apache SeaTunnel是一个优秀的高性能分布式大数据集成框架。SeaTunnel对ClickHouse进行了有针对性的优化，可以在大数据场景下更高效地进行数据迁移，为ClickHouse的用户提供了优于原生工具的使用体验。Apache SeaTunnel具备如下优势。
数据源支持丰富

• SeaTunnel定位为新一代的高性能分布式数据集成工具，官方支持二十多种数据源，这意味着使用SeaTunnel可以将多种数据源的数据导入ClickHouse，极大地补充了ClickHouse原生工具的短板。同时活跃的社区也保证工具的质量和对全新数据源的支持速度。

使用简单

• SeaTunnel是一个开箱即用的工具，部署完成后只需要通过向SeaTunnel提供配置文件即可使用，不需要配置数据库连接驱动，也不需要用户编写代码。

完全分布式

• SeaTunnel是一个完全的分布式架构，因此只需要向SeaTunnel提交任务，SeaTunnel会自动将任务进行分布式运行。借助SeaTunnel灵活的任务配置，可以更快速更简单地实现ClickHouse分布式表的数据迁移