Clickhouse分布式表引擎（Distributed）查询核心原理解析
Clickhouse分布式表引擎（Distributed）查询核心原理解析
- Clickhouse分布式表引擎（Distributed）写入核心原理解析
- Clickhouse分布式表引擎（Distributed）查询核心原理解析
与分布式数据写入时可以选择写分布式表或本地表有所不同，在面向集群查询数据的时候，只能通过Distributed表引擎实现。当Distributed表接收到SELECT查询的时候，它会依次查询每个分片的数据，再合并汇总返回。
多副本的路由规则
在查询数据的时候，如果集群中的一个shard，拥有多个replica，那么Distributed表引擎需要面临副本选择的问题。它会使用负载均衡算法从众多replica中选择一个，而具体使用何种负载均衡算法，则有load_balancing参数控制：
load_balancing = random/nearest_hostname/in_order/first_or_random
有如下四种负载均衡算法：
（1）random
random是默认的负载均衡算法。在Clickhouse的服务节点中，拥有一个全局计数器errors_count，当服务发生任何异常时，该计数累加1。而random算法会选择errors_count错误数量最少的replica。如果有多个replica的errors_count计数相同，则在它们之中随机选择一个。
（2）nearest_hostname
nearest_hostname可以看作random算法的变种，首选它会选择errors_count错误数量最少的replica，如果多个replica的errors_count计数相同，则选择集群配置中host名称与当前host最相似的一个。而相似的规则是以当前host名称为基准按字节逐位比较，找出不同字节数最少的一个。
例如：
CH-1-1
CH-1-2
只有一个字节不同
CH-1-1
CH-2-2
有两个字节不同
（3）in_order
in_order同样可以看作random算法的变种，首先它会选择errors_count错误数量最少的replica，如果多个replica的errors_count计数相同，则按照集群配置中的replica的定义顺序逐个选择。
（4）first_or_random
first_or_random可以看作in_order算法的变种，首先它会选择errors_count错误数量最少的replica，如果多个replica的errors_count计数相同，它首先会选择集群配置中第一个定义的replica，如果该replica不可用，则进一步随机选择一个其他的replica。
多分片查询的核心流程
分布式查询与分布式写入类似，同样本着谁执行谁负责的原则，它会由接收SELECT查询的Distributed表，并负责串联起整个过程。首先它会将针对分布式表的SQL语句，按照分片数量将查询拆分成若干个针对本地表的子查询，然后向各个分片发起查询，最后再汇总各个分片的查询结果。如果对分布式表按如下方式发起查询：
SELECT * FROM distributed_table
那么，它会将其转为如下形式之后，再发送到远端分片节点来执行：
SELECT * FROM local_table
SQL的执行计划
Distributed表引擎会将查询计划转换为多个分片的UNION联合查询，以此合并最终的查询结果。
整个执行计划从上至下大致分成两个步骤：
（1）查询各个分片数据
在上图所示的执行计划中，One和Remote步骤是并行执行的，它们分别负责了本地和远端分片的查询动作。其中，在One步骤会将SQL转换成对本地表的查询。在本例中，我们有一个分布式表test_shard_dist：
SELECT count() FROM test.shard_dist;
在集群中的其他节点的服务日志可以看到：
<Debug> executeQuery: (from [::ffff:192.168.80.121]:57412, initial_query_id: 822da000-3799-4ee0-8824-76cfc2db7537) SELECT count() FROM `test`.`test_shard_local`
其他节点在收到查询请求后，会将查询转换成对本地表的查询。
（2）合并返回结果
多个分片数据均查询返回后，按如下方法在发起分布式查询的节点上汇总返回结果：
test.test_shard_local (SelectExecutor): Choose complete Aggregate projection _minmax_count_projection
使用Global优化分布式子查询
如果在分布式查询中使用子查询，可能会面临两难的局面。下面来看一个示例。假设有这样一张分布式表test_query_dist，它拥有两个分片，每个分片内的数据如下所示：
Linux121节点：
SELECT *
FROM test_query_local
Query id: 7c34fedf-64ae-4e68-b146-2931f6693a3a
┌─id─┬─repo─┐
│ 1 │ 100 │
│ 2 │ 100 │
│ 3 │ 100 │
└────┴──────┘
3 rows in set. Elapsed: 0.004 sec.
Linux122节点：
SELECT *
FROM test_query_local
Query id: 15932914-66d6-4e6b-a6f9-adc5b66dcb83
┌─id─┬─repo─┐
│ 3 │ 200 │
│ 4 │ 200 │
└────┴──────┘
2 rows in set. Elapsed: 0.002 sec.
其中，id代表用户的编号，repo代表仓库编号。如果现在有一项查询需求，要求找到同时拥有两个仓库的用户。
对于这种交集查询的需求，可以使用IN子查询，：
select uniq(id) from test_query_dist where repo = 100
and id in (select id from test_query_dist where repo = 200);
执行查询可以发现以下报错：
Received exception from server (version 22.4.6):
Code: 288. DB::Exception: Received from localhost:9000. DB::Exception: Double-distributed IN/JOIN subqueries is denied (distributed_product_mode = 'deny'). You may rewrite query to use local tables in subqueries, or use GLOBAL keyword, or set distributed_product_mode to suitable value.: While processing test_query_dist: While processing id IN (SELECT id FROM test_query_dist WHERE repo = 200). (DISTRIBUTED_IN_JOIN_SUBQUERY_DENIED)
报错信息中提示了Double-distributed IN/JOIN subqueries is denied，表示平方次的IN/JSON子查询是不允许的。这是什么问题呢？
这是由于上面的SQL语句在IN查询子句中，同样使用了分布式表查询：
select id from test_query_dist where repo = 200
所以在Linux122节点接收到这条SQL之后，它将再次向其他分片发起远程请求，如同所示：
因此可以得出结论，在IN查询子句使用分布式表的时候，查询请求会被放大N的平方倍，其中N等于集群内分片节点的数量，假如集群内有10个分片节点，则在一次查询的过程中，会最终导致100次的查询请求，这显示是不可接受的。这也是上面报错的原因，Clickhouse不允许使用这种方式，直接报错。
使用GLOBAL优化查询
为了解决查询放大的问题，可以使用GLOBAL IN或JSON进行优化。现在对刚才的SQL进行改造，为其增加GLOBAL修饰符：
select uniq(id) from test_query_dist where repo = 100
and id global in (select id from test_query_dist where repo = 200);
再次分析查询的核心过程，如下图所示：
整个过程由上至下大致分成5个步骤：
- 将IN子句单独踢出，发起了一次分布式查询。
- 将分布式表转local本地表后，分别在本地和远端分片执行查询
- 将IN子句查询的结果进行汇总，并放入一张临时的内存表进行保存
- 将内存表发送到远端分片节点
- 将分布式表转为本地表后，开始执行完整的SQL语句，IN子句直接使用临时内存表的数据
至此，整个核心流程结束。可以看到，在使用GLOBAL修饰符之后，CLickhouseHouse使用内存表临时保存了IN子句查询到的数据，并将其发送到远端分片节点，以此到达了数据共享的目的，从而避免了子查询放大的问题。由于数据会在网络间分发，所以需要特别注意临时表的大小，IN或者JOIN子句返回的数据不宜过大。