大数据StarRocks(三) StarRocks数据表设计

1. 列式存储

1.1 列式存储方式有以下几个优点：

1.快速的数据查询

由于数据是按照列进行存储的，所以查询某个列时只需要读取该列所在的块，而不是整行数据，从而大大提高了查询效率。

2.压缩效率高

由于列式存储的数据块中只有一个值的数据，所以可以使用更高效的压缩算法进行压缩，从而减少存储空间。

3.易于扩展

由于数据是按列存储的，所以可以很容易地添加或删除列，从而方便地扩展或缩减表的大小。

在StarRocks中，每个表都被分成多个块（block），每个块包含了一定数量的列数据。当执行查询时，StarRocks会根据查询条件定位到相应的块，并从这些块中读取所需的列数据，从而实现高效的查询。为了支持列式存储，StarRocks还提供了一些列式存储相关的功能，例如列式索引、列式聚合、列式过滤等，这些功能可以进一步提高查询效率和数据压缩效率。

StarRocks的表和关系型数据库类似, 由行和列构成. 每行数据对应用户一条记录, 每列数据有相同数据类型. 所有数据行的列数相同, 可以动态增删列. StarRocks中, 一张表的列可以分为维度列(也成为key列)和指标列(value列), 维度列用于分组和排序, 指标列可通过聚合函数SUM, COUNT, MIN, MAX, REPLACE, HLL_UNION, BITMAP_UNION等累加起来. 因此, StarRocks的表也可以认为是多维的key到多维指标的映射.
在StarRocks中, 表中数据按列存储, 物理上, 一列数据会经过分块编码压缩等操作, 然后持久化于非易失设备, 但在逻辑上, 一列数据可以看成由相同类型的元素构成的数组. 一行数据的所有列在各自的列数组中保持对齐, 即拥有相同的数组下标, 该下标称之为序号或者行号. 该序号是隐式, 不需要存储的, 表中的所有行按照维度列, 做多重排序, 排序后的位置就是该行的行号.
查询时, 如果指定了维度列的等值条件或者范围条件, 并且这些条件中维度列可构成表维度列的前缀, 则可以利用数据的有序性, 使用range-scan快速锁定目标行. 例如: 对于表table1: (event_day, siteid, citycode, username)➜(pv); 当查询条件为event_day > 2020-09-18 and siteid = 2, 则可以使用范围查找; 如果指定条件为citycode = 4 and username in [“Andy”, “Boby”, “Christian”, “StarRocks”], 则无法使用范围查找.

2.稀疏索引

StarRocks 通过前缀索引 (Prefix Index) 和列级索引，能够快速找到目标行所在数据块的起始行号。
StarRocks 表设计原理如下图所示。
在这里插入图片描述

表中组织由三个部分组成：

（1）shortkey index表

表中数据每1024行, 构成一个逻辑block. 每个逻辑block在shortkey index表中存储一项索引, 内容为表的维度列的前缀, 并且不超过36字节. shortkey index为稀疏索引, 用数据行的维度列的前缀查找索引表, 可以确定该行数据所在逻辑块的起始行号.

（2）Per-column data block

表中每一列数据按64KB分块存储, 数据块作为一个单位单独编码压缩, 也作为IO单位, 整体写回设备或者读出.

（3）Per-column cardinal index

表中的每列数据有各自的行号索引表, 列的数据块和行号索引项一一对应, 索引项由数据块的起始行号和数据块的位置和长度信息构成, 用数据行的行号查找行号索引表, 可以获取包含该行号的数据块所在位置, 读取目标数据块后, 可以进一步查找数据.

由此可见, 查找维度列的前缀的查找过程为: 先查找shortkey index, 获得逻辑块的起始行号, 查找维度列的行号索引, 获得目标列的数据块, 读取数据块, 然后解压解码, 从数据块中找到维度列前缀对应的数据项。

3.加速数据处理

（1）预先聚合

StarRocks支持聚合模型, 维度列取值相同数据行可合并一行, 合并后数据行的维度列取值不变, 指标列的取值为这些数据行的聚合结果, 用户需要给指标列指定聚合函数. 通过预先聚合, 可以加速聚合操作.

（2）分区分桶

事实上StarRocks的表被划分成tablet, 每个tablet多副本冗余存储在BE上, BE和tablet的数量可以根据计算资源和数据规模而弹性伸缩. 查询时, 多台BE可并行地查找tablet快速获取数据. 此外, tablet的副本可复制和迁移, 增强了数据的可靠性, 避免了数据倾斜. 总之, 分区分桶保证了数据访问的高效性和稳定性.

（3）物化视图

前缀索引可以加速数据查找，但是前缀索引依赖维度列的排列次序。如果使用非前缀的维度列构造查找谓词，则无法使用前缀索引。您可以为数据表创建物化视图。物化视图的数据组织和存储与数据表相同，但物化视图拥有自己的前缀索引。在为物化视图创建索引时，可指定聚合的粒度、列的数量和维度列的次序，使频繁使用的查询条件能够命中相应的物化视图索引。

（4）列级索引

StarRocks 支持布隆过滤器 (Bloom Filter)、ZoneMap 索引和位图 (Bitmap) 索引等列级别的索引技术：
布隆过滤器有助于快速判断数据块中不含所查找的值。
ZoneMap 索引有助于通过数据范围快速过滤出待查找的值。
位图索引有助于快速计算出枚举类型的列满足一定条件的行。

4. 数据模型

目前StarRocks根据摄入数据和实际存储数据之间的映射关系，分为明细模型（Duplicate key）、聚合模型（Aggregate key）、更新模型（Unique key）和主键模型（Primary key）。四中模型分别对应不同业务场景.

4.1 明细模型（Duplicate key）

明细模型是默认的建表模型。如果在建表时未指定任何模型，默认创建的是明细类型的表。
创建表时，支持定义排序键。如果查询的过滤条件包含排序键，则 StarRocks 能够快速地过滤数据，提高查询效率。明细模型适用于日志数据分析等场景，支持追加新数据，不支持修改历史数据。

适用场景
分析原始数据，例如原始日志、原始操作记录等。
查询方式灵活，不需要局限于预聚合的分析方式。
导入日志数据或者时序数据，主要特点是旧数据不会更新，只会追加新的数据。

注意
建表时必须使用 DISTRIBUTED BY HASH 子句指定分桶键，否则建表失败。分桶键的更多说明，请参见分桶。
自 2.5.7 版本起，StarRocks 支持在建表和新增分区时自动设置分桶数量 (BUCKETS)，您无需手动设置分桶数量。

使用说明
排序键的相关说明：
在建表语句中，排序键必须定义在其他列之前。
排序键可以通过 DUPLICATE KEY 显式定义。本示例中排序键为 event_time 和 event_type。
如果未指定，则默认选择表的前三列作为排序键。
明细模型中的排序键可以为部分或全部维度列。
建表时，支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引。

4.2 聚合模型（Aggregate key）

建表时，支持定义排序键和指标列，并为指标列指定聚合函数。当多条数据具有相同的排序键时，指标列会进行聚合。在分析统计和汇总数据时，聚合模型能够减少查询时所需要处理的数据，提升查询效率。

适用场景
适用于分析统计和汇总数据。比如:
通过分析网站或 APP 的访问流量，统计用户的访问总时长、访问总次数。
广告厂商为广告主提供的广告点击总量、展示总量、消费统计等。
通过分析电商的全年交易数据，获得指定季度或者月份中，各类消费人群的爆款商品。

在这些场景中，数据查询和导入，具有以下特点：
多为汇总类查询，比如 SUM、MAX、MIN等类型的查询。
不需要查询原始的明细数据。
旧数据更新不频繁，只会追加新的数据。

原理
从数据导入至数据查询阶段，聚合模型内部同一排序键的数据会多次聚合，聚合的具体时机和机制如下：
数据导入阶段：数据按批次导入至聚合模型时，每一个批次的数据形成一个版本。在一个版本中，同一排序键的数据会进行一次聚合。
后台文件合并阶段 (Compaction) ：数据分批次多次导入至聚合模型中，会生成多个版本的文件，多个版本的文件定期合并成一个大版本文件时，同一排序键的数据会进行一次聚合。
查询阶段：所有版本中同一排序键的数据进行聚合，然后返回查询结果。

注意
建表时必须使用 DISTRIBUTED BY HASH 子句指定分桶键。分桶键的更多说明，请参见分桶。
自 2.5.7 版本起，StarRocks 支持在建表和新增分区时自动设置分桶数量 (BUCKETS)，您无需手动设置分桶数量。

使用说明
排序键的相关说明：
在建表语句中，排序键必须定义在其他列之前。
排序键可以通过 AGGREGATE KEY 显式定义。
如果 AGGREGATE KEY 未包含全部维度列（除指标列之外的列），则建表会失败。
如果不通过 AGGREGATE KEY 显示定义排序键，则默认除指标列之外的列均为排序键。
排序键必须满足唯一性约束，必须包含全部维度列，并且列的值不会更新。

指标列：
通过在列名后指定聚合函数，定义该列为指标列。一般为需要汇总统计的数据。

聚合函数：
指标列使用的聚合函数。聚合模型支持的聚合函数，请参见 CREATE TABLE。
查询时，排序键在多版聚合之前就能进行过滤，而指标列的过滤在多版本聚合之后。因此建议将频繁使用的过滤字段作为排序键，在聚合前就能过滤数据，从而提升查询性能。
建表时，不支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引。

4.3 更新模型（Unique key）

建表时，支持定义主键和指标列，查询时返回主键相同的一组数据中的最新数据。相对于明细模型，更新模型简化了数据导入流程，能够更好地支撑实时和频繁更新的场景。

适用场景
实时和频繁更新的业务场景，例如分析电商订单。在电商场景中，订单的状态经常会发生变化，每天的订单更新量可突破上亿。

原理
更新模型可以视为聚合模型的特殊情况，指标列指定的聚合函数为 REPLACE，返回具有相同主键的一组数据中的最新数据。
数据分批次多次导入至更新模型，每一批次数据分配一个版本号，因此同一主键的数据可能有多个版本，查询时返回版本最新（即版本号最大）的数据。相对于明细模型，更新模型通过简化导入流程，能够更好地支持实时和频繁更新。

使用说明
主键的相关说明：
在建表语句中，主键必须定义在其他列之前。主键通过 UNIQUE KEY 定义。
主键必须满足唯一性约束，且列的值不会修改。设置合理的主键。
查询时，主键在聚合之前就能进行过滤，而指标列的过滤通常在多版本聚合之后，因此建议将频繁使用的过滤字段作为主键，在聚合前就能过滤数据，从而提升查询性能。
聚合过程中会比较所有主键，因此需要避免设置过多的主键，以免降低查询性能。如果某个列只是偶尔会作为查询中的过滤条件，则不建议放在主键中。
建表时，不支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引。

4.4 主键模型（Primary key）

相比较更新模型，主键模型可以更好地支持实时/频繁更新的功能。虽然更新模型也可以实现实时对数据的更新，但是更新模型采用Merge on Read读时合并策略会大大限制查询功能，在主键模型更好地解决了行级的更新操作。配合Flink-connector-starrocks可以完成Mysql CDC实时同步的方案。

适用场景
主键模型适用于实时和频繁更新的场景，例如：
实时对接事务型数据至 StarRocks。事务型数据库中，除了插入数据外，一般还会涉及较多更新和删除数据的操作，因此事务型数据库的数据同步至 StarRocks 时，建议使用主键模型。通过 Flink-CDC 等工具直接对接 TP 的 Binlog，实时同步增删改的数据至主键模型，可以简化数据同步流程，并且相对于 Merge-On-Read 策略的更新模型，查询性能能够提升 3~10 倍。
利用部分列更新轻松实现多流 JOIN。在用户画像等分析场景中，一般会采用大宽表方式来提升多维分析的性能，同时简化数据分析师的使用模型。而这种场景中的上游数据，往往可能来自于多个不同业务（比如来自购物消费业务、快递业务、银行业务等）或系统（比如计算用户不同标签属性的机器学习系统），主键模型的部分列更新功能就很好地满足这种需求，不同业务直接各自按需更新与业务相关的列即可，并且继续享受主键模型的实时同步增删改数据及高效的查询性能。

需要注意的是：
由于存储引擎会为主键建立索引，导入数据时会把索引加载到内存中，所以主键模型对内存的要求更高，所以不适合主键模型的场景还是比较多的。

目前比较适合使用主键模型的场景有这两种：
（1）数据冷热特征，比如最近几天的数据才需要修改，老的冷数据很少需要修改，比如订单数据，老的订单完成后就不在更新，并且分区是按天进行分区的，那么在导入数据时历史分区的数据的主键就不会被加载，也就不会占用内存了，内存中仅会加载近几天的索引。
（2）大宽表（数百列数千列），主键只占整个数据的很小一部分，内存开销比较低。比如用户状态/画像表，虽然列非常多，但总的用户数量不大（千万-亿级别），主键索引内存占用相对可控。

原理：由于更新模型采用Merge策略，使得谓词无法下推和索引无法使用，严重影响
查询性能。所以主键模型通过主键约束，保证同一个主键仅存一条数据的记录，这样就规避了Merge操作。
StarRocks收到对某记录的更新操作时，会通过主键索引找到该条数据的位置，并对其标记为删除，再插入一条数据，相当于把update改写为delete+insert

4.5 排序键

StarRocks中为加速查询，在内部组织并存储数据时，会把表中数据按照指定的列进行排序，这部分用于排序的列（可以是一个或多个列），可以称之为Sort Key。明细模型中Sort Key就是指定的用于排序的列（即 DUPLICATE KEY 指定的列），聚合模型中Sort Key列就是用于聚合的列（即 AGGREGATE KEY 指定的列），更新模型中Sort Key就是指定的满足唯一性约束的列（即 UNIQUE KEY 指定的列）。下图中的建表语句中Sort Key都为 (site_id、city_code)。

CREATE TABLE site_access_duplicate(
site_id INT DEFAULT '10',
city_code SMALLINT,
user_name VARCHAR(32) DEFAULT '',
pv BIGINT DEFAULT '0')
DUPLICATE KEY(site_id, city_code)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 10;

CREATE TABLE site_access_aggregate(
site_id INT DEFAULT '10',
city_code SMALLINT,
pv BIGINT SUM DEFAULT '0')
AGGREGATE KEY(site_id, city_code)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 10;

CREATE TABLE site_access_unique(
site_id INT DEFAULT '10',
city_code SMALLINT,
user_name VARCHAR(32) DEFAULT '',
pv BIGINT DEFAULT '0')
UNIQUE KEY(site_id, city_code)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 10;

三种表对应的sort key都为site_id,city_code。创建排序列需要注意以下两点：
（1）排序列的定义必须出现在建表语句中其他列的定义之前。以上建表语句为例，三个表的排序列可以是site_id、city_code，或者site_id、city_code、user_name，但不能是city_code、user_name，或者site_id、city_code、pv。
（2）排序列的顺序是由create table语句中的列顺序决定的。DUPLICATE/UNIQUE/AGGREGATE KEY中顺序需要和create table语句保持一致。以site_access_duplicate表为例，也就是说下面的建表语句会报错。

-- 错误的建表语句
CREATE TABLE site_access_duplicate(
site_id INT DEFAULT '10',
city_code SMALLINT,
user_name VARCHAR(32) DEFAULT '',
pv BIGINT DEFAULT '0')
DUPLICATE KEY(city_code, site_id)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 10;

-- 正确的建表语句
CREATE TABLE site_access_duplicate(
    site_id INT DEFAULT '10',
    city_code SMALLINT,
    user_name VARCHAR(32) DEFAULT '',
pv BIGINT DEFAULT '0')
DUPLICATE KEY(site_id, city_code)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 10;

使用时注意事项：
（1）用户查询时如果条件包含上述两列，则可以大幅地降低扫描数据行，如：
select sum(pv) from site_access_duplicate where site_id = 123 and city_code = 2;
（2）如果查询只包含site_id一列，也能定位到只包含site_id的数据行，如：
select sum(pv) from site_access_duplicate where site_id = 123;
（3）如果查询只包含city_code一列，那么需要扫描所有的数据行，排序的效果相当于大打折扣，
如：
select sum(pv) from site_access_duplicate where city_code = 2; //使用时和mysql索引规则一样，缺少最佳左前缀原则，索引会失效
使用排序键本质就是在进行二分查找，所以排序列指定的越多，那么消耗的内存也会越大，StarRocks为了避免这种情况发生也对排序键做了限制：
shortkey 的列只能是排序键的前缀;
shortkey 列数不超过3;
字节数不超过36字节;
不包含FLOAT/DOUBLE类型的列;
VARCHAR类型列只能出现一次, 并且是末尾位置;
当shortkey index的末尾列为CHAR或者VARCHAR类型时, shortkey的长度会超过36字节;
当用户在建表语句中指定PROPERTIES {short_key = “integer”}时, 可突破上述限制;

Bitmap索引

StarRocks支持基于BitMap索引，对于Filter的查询有明显的加速效果。
原理：Bitmap是元素为bit的，取值为0、1两种情形的, 可对某一位bit进行置位(set)和清零(clear)操作的数组。
Bitmap的使用场景有：
用一个long型表示32位学生的性别，0表示女生，1表示男生。
用Bitmap表示一组数据中是否存在null值，0表示元素不为null，1表示为null。
一组数据的取值为(Q1, Q2, Q3, Q4)，表示季度，用Bitmap表示这组数据中取值为Q4的元素，1表示取值为Q4的元素, 0表示其他取值的元素。
在这里插入图片描述

什么是Bitmap索引：
Bitmap只能表示取值为两种情形的列数组, 当列的取值为多种取值情形枚举类型时, 例如季度(Q1, Q2, Q3, Q4), 系统平台(Linux, Windows, FreeBSD, MacOS), 则无法用一个Bitmap编码; 此时可以为每个取值各自建立一个Bitmap的来表示这组数据; 同时为实际枚举取值建立词典.
如上图所示，Platform列有4行数据，可能的取值有Android、Ios。StarRocks中会首先针对Platform列构建一个字典，将Android和Ios映射为int，然后就可以对Android和Ios分别构建Bitmap。具体来说，我们分别将Android、Ios 编码为0和1，因为Android出现在第1，2，3行，所以Bitmap是0111，因为Ios出现在第4行，所以Bitmap是1000。
假如有一个针对包含该Platform列的表的SQL查询，select xxx from table where Platform = iOS，StarRocks会首先查找字典，找出iOS对于的编码值是1，然后再去查找 Bitmap Index，知道1对应的Bitmap是1000，我们就知道只有第4行数据符合查询条件，StarRocks就会只读取第4行数据，不会读取所有数据。

适用场景：
使用Bitmap可以大大减少判断过滤时间，提高查询效率
（1）当需要对表数据进行非前置列（排序键）进行过滤时，可以创建bitmap索引加速效率。
（2）对表数据进行多列过滤，也可以考虑对多列分别创建bitmap索引加速效率

使用：
（1）创建测试表

CREATE TABLE IF NOT EXISTS user_dup (
    user_id INT,
    sex INT ,
    age INT 
   )DUPLICATE KEY(user_id)DISTRIBUTED BY HASH(user_id) BUCKETS 8

（2）插入测试数据

   INSERT INTO user_dup VALUES(1001,0,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1002,1,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1003,0,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1004,1,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1005,0,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1006,1,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1007,0,18);
   INSERT INTO user_dup VALUES(1008,1,18);

（3）创建位图索引

  CREATE INDEX user_sex_index ON user_dup(sex) USING bitmap;

（4）创建完后查看表中索引

SHOW INDEX FROM user_dup;

注意事项：
（1）对于明细模型，所有列都可以建Bitmap 索引；对于聚合模型，只有Key列可以建Bitmap 索引。
（2）Bitmap索引, 应该在取值为枚举型, 取值大量重复, 较低基数, 并且用作等值条件查询或者可转化为等值条件查询的列上创建.
（3）不支持对Float、Double、Decimal 类型的列建Bitmap 索引。
（4）如果要查看某个查询是否命中了Bitmap索引，可以通过查询的Profile信息查看。

Bloom Filter 索引

什么是Bloom Filter ？
Bloom Filter（布隆过滤器）是用于判断某个元素是否在一个集合中的数据结构，优点是空间效率和时间效率都比较高，缺点是有一定的误判率。
在这里插入图片描述

布隆过滤器是由一个Bit数组和n个哈希函数构成。Bit数组初始全部为0，当插入一个元素时，n个Hash函数对元素进行计算, 得到n个slot，然后将Bit数组中n个slot的Bit置1。当我们要判断一个元素是否在集合中时，还是通过相同的n个Hash函数计算Hash值，如果所有Hash值在布隆过滤器里对应的Bit不全为1，则该元素不存在。当对应Bit全1时, 则元素的存在与否, 无法确定. 这是因为布隆过滤器的位数有限, 由该元素计算出的slot, 恰好全部和其他元素的slot冲突. 所以全1情形, 需要回源查找才能判断元素的存在性。

什么是Bloom Filter 索引:
StarRocks的建表时, 可通过PROPERTIES{“bloom_filter_columns”=“c1,c2,c3”}指定需要建BloomFilter索引的列，查询时, BloomFilter可快速判断某个列中是否存在某个值。如果Bloom Filter判定该列中不存在指定的值，就不需要读取数据文件；如果是全1情形，此时需要读取数据块确认目标值是否存在。另外，Bloom Filter索引无法确定具体是哪一行数据具有该指定的值。
使用：
（1）建表时指定需要加Bloom Filter索引的列，创建一张测试表

CREATE TABLE test_bf(
id INT,
event_type INT,
email INT,
sex INT,
age INT
)DUPLICATE KEY(id) DISTRIBUTED BY HASH(id) BUCKETS 8
PROPERTIES("bloom_filter_columns"="event_type,sex");

（2）查看Bloom Filter索引。使用show index查看不到Bloom Filter索引，得用show create table 命令

SHOW CREATE TABLE test_bf

（3）删除索引

alter table test_bf set("bloom_filter_columns"="");

注意事项：
（1）不支持对Tinyint、Float、Double 类型的列建Bloom Filter索引。
（2）Bloom Filter索引只对in和=过滤查询有加速效果。
（3）如果要查看某个查询是否命中了Bloom Filter索引，可以通过查询的Profile信息查看（TODO：加上查看Profile的链接）。

以上是StarRocks数据表设计的简单介绍，也作为一个引子，详情还请移步 StarRocks官网。