ClickHouse表引擎详解

ClickHouse 表引擎

ClickHouse 的表引擎是 ClickHouse 服务的核心，它们决定了 ClickHouse 的以下行为：

1.数据的存储方式和位置。
2.支持哪些查询操作以及如何支持。
3.数据的并发访问。
4.数据索引的使用。
5.是否可以支持多线程请求。
6.是否可以支持数据复制。

ClickHouse 包含以下几种常用的引擎类型：

• MergeTree 引擎：该系列引擎是执行高负载任务的最通用和最强大的表引擎，它们的特点是可以快速插入数据以及进行后续的数据处理。该系列引擎还同时支持数据复制（使用Replicated的引擎版本），分区 (partition) 以及一些其它引擎不支持的额外功能。
• Log 引擎：该系列引擎是具有最小功能的轻量级引擎。当你需要快速写入许多小表（最多约有 100 万行）并在后续任务中整体读取它们时使用该系列引擎是最有效的。
• 集成引擎：该系列引擎是与其它数据存储以及处理系统集成的引擎，如 Kafka，MySQL 以及 HDFS 等，使用该系列引擎可以直接与其它系统进行交互，但也会有一定的限制，如确有需要，可以尝试一下。
• 特殊引擎：该系列引擎主要用于一些特定的功能，如 Distributed 用于分布式查询，MaterializedView 用来聚合数据，以及 Dictionary 用来查询字典数据等

MergeTree系列引擎

MergeTree表引擎

MergeTree在写入一批数据时，数据总会以数据片段的形式写入磁盘，且数据片段不可修改。为了避免片段过多，ClickHouse会通过后台线程，定期合并这些数据片段，属于相同分区的数据片段会被合成一个新的片段。这种数据片段往复合并的特点，也正是合并树名称的由来

MergeTree作为家族系列最基础的表引擎，主要有以下特点：

• 存储的数据按照主键排序：允许创建稀疏索引，从而加快数据查询速度
• 支持分区，可以通过PRIMARY KEY语句指定分区字段。
• 支持数据副本
• 支持数据采样

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1] [TTL expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2] [TTL expr2],
    ...
    INDEX index_name1 expr1 TYPE type1(...) GRANULARITY value1,
    INDEX index_name2 expr2 TYPE type2(...) GRANULARITY value2
) ENGINE = MergeTree()
ORDER BY expr
[PARTITION BY expr]
[PRIMARY KEY expr]
[SAMPLE BY expr]
[TTL expr [DELETE|TO DISK 'xxx'|TO VOLUME 'xxx'], ...]
[SETTINGS name=value, ...]

• ENGINE：ENGINE = MergeTree()，MergeTree引擎没有参数
• ORDER BY：排序字段。比如ORDER BY (Col1, Col2)，值得注意的是，如果没有指定主键，默认情况下 sorting key(排序字段)即为主键。如果不需要排序，则可以使用ORDER BY tuple()语法，这样的话，创建的表也就不包含主键。这种情况下，ClickHouse会按照插入的顺序存储数据。必选。
• PARTITION BY：分区字段，可选。
• PRIMARY KEY：指定主键，如果排序字段与主键不一致，可以单独指定主键字段。否则默认主键是排序字段。可选。
• SAMPLE BY：采样字段，如果指定了该字段，那么主键中也必须包含该字段。比如SAMPLE BY intHash32(UserID) ORDER BY (CounterID, EventDate, intHash32(UserID))。可选。
• TTL：数据的存活时间。在MergeTree中，可以为某个列字段或整张表设置TTL。当时间到达时，如果是列字段级别的TTL，则会删除这一列的数据；如果是表级别的TTL，则会删除整张表的数据。可选。
• SETTINGS：额外的参数配置。可选。

CREATE TABLE emp_mergetree (
  emp_id UInt16 COMMENT '员工id',
  name String COMMENT '员工姓名',
  work_place String COMMENT '工作地点',
  age UInt8 COMMENT '员工年龄',
  depart String COMMENT '部门',
  salary Decimal32(2) COMMENT '工资'
  )ENGINE=MergeTree()
  ORDER BY emp_id
  PARTITION BY work_place
  ;
 -- 插入数据 
INSERT INTO emp_mergetree 
VALUES (1,'tom','上海',25,'技术部',20000),(2,'jack','上海',26,'人事部',10000);
INSERT INTO emp_mergetree 
VALUES (3,'bob','北京',33,'财务部',50000),(4,'tony','杭州',28,'销售事部',50000); 

-- 查询数据
-- 按work_place进行分区
select * from emp_mergetree;

-- 新插入两条数据
INSERT INTO emp_mergetree
VALUES (5,'robin','北京',35,'财务部',50000),(6,'lilei','北京',38,'销售事部',50000);

可以看出，新插入的数据新生成了一个数据块，并没有与原来的分区数据在一起，我们可以执行optimize命令，执行合并操作

-- 执行合并操作
 OPTIMIZE TABLE emp_mergetree PARTITION '北京';
-- 插入一条相同主键的数据
 INSERT INTO emp_mergetree
VALUES (1,'sam','杭州',35,'财务部',50000);
-- 会发现该条数据可以插入，由此可知，并不会对主键进行去重

注意

• 多次插入数据，会生成多个分区文件
• 在MergeTree中主键并不用于去重，而是用于索引，加快查询速度

ReplacingMergeTree表引擎

上文提到MergeTree表引擎无法对相同主键的数据进行去重，ClickHouse提供了ReplacingMergeTree引擎，可以针对相同主键的数据进行去重，它能够在合并分区时删除重复的数据。值得注意的是，ReplacingMergeTree只是在一定程度上解决了数据重复问题，但是并不能完全保障数据不重复。

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]
[ORDER BY expr]
[PRIMARY KEY expr]
[SAMPLE BY expr]
[SETTINGS name=value, ...]

• [ver]：可选参数，列的版本，可以是UInt、Date或者DateTime类型的字段作为版本号。该参数决定了数据去重的方式。
• 当没有指定[ver]参数时，保留最新的数据；如果指定了具体的值，保留最大的版本数据

CREATE TABLE emp_replacingmergetree (
  emp_id UInt16 COMMENT '员工id',
  name String COMMENT '员工姓名',
  work_place String COMMENT '工作地点',
  age UInt8 COMMENT '员工年龄',
  depart String COMMENT '部门',
  salary Decimal32(2) COMMENT '工资'
  )ENGINE=ReplacingMergeTree()
  ORDER BY emp_id
  PRIMARY KEY emp_id
  PARTITION BY work_place
  ;
 -- 插入数据 
INSERT INTO emp_replacingmergetree
VALUES (1,'tom','上海',25,'技术部',20000),(2,'jack','上海',26,'人事部',10000);
INSERT INTO emp_replacingmergetree
VALUES (3,'bob','北京',33,'财务部',50000),(4,'tony','杭州',28,'销售事部',50000);

-- 再insert 一条相同主键的 emp_id
INSERT INTO emp_replacingmergetree
VALUES (1,'tom','上海',25,'技术部',50000);
-- 执行合并操作
optimize table emp_replacingmergetree final;
-- 再次查询，相同主键的数据，保留最近插入的数据，旧的数据被清除
select * from emp_replacingmergetree ;

总结

• 如何判断数据重复

ReplacingMergeTree在去除重复数据时，是以ORDERBY排序键为基准的，而不是PRIMARY KEY。

• 何时删除重复数据

在执行分区合并时，会触发删除重复数据。optimize的合并操作是在后台执行的，无法预测具体执行时间点，除非是手动执行。

• 不同分区的重复数据不会被去重

ReplacingMergeTree是以分区为单位删除重复数据的。只有在相同的数据分区内重复的数据才可以被删除，而不同数据分区之间的重复数据依然不能被剔除。

• 数据去重的策略是什么

如果没有设置[ver]版本号，则保留同一组重复数据中的最新插入的数据；如果设置了[ver]版本号，则保留同一组重复数据中ver字段取值最大的那一行。

• optimize命令使用

一般在数据量比较大的情况，尽量不要使用该命令。因为在海量数据场景下，执行optimize要消耗大量时间

SummingMergeTree表引擎

该引擎继承了MergeTree引擎，当合并 SummingMergeTree 表的数据片段时，ClickHouse 会把所有具有相同主键的行合并为一行，该行包含了被合并的行中具有数值数据类型的列的汇总值，即如果存在重复的数据，会对对这些重复的数据进行合并成一条数据，类似于group by的效果。

推荐将该引擎和 MergeTree 一起使用。例如，将完整的数据存储在 MergeTree 表中，并且使用 SummingMergeTree 来存储聚合数据。这种方法可以避免因为使用不正确的主键组合方式而丢失数据。

如果用户只需要查询数据的汇总结果，不关心明细数据，并且数据的汇总条件是预先明确的，即GROUP BY的分组字段是确定的，可以使用该表引擎。

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
    ...
) ENGINE = SummingMergeTree([columns]) -- 指定合并汇总字段
[PARTITION BY expr]
[ORDER BY expr]
[SAMPLE BY expr]
[SETTINGS name=value, ...]
CREATE TABLE emp_summingmergetree (
  emp_id UInt16 COMMENT '员工id',
  name String COMMENT '员工姓名',
  work_place String COMMENT '工作地点',
  age UInt8 COMMENT '员工年龄',
  depart String COMMENT '部门',
  salary Decimal32(2) COMMENT '工资'
  )ENGINE=SummingMergeTree(salary)
  ORDER BY (emp_id,name) -- 注意排序key是两个字段
  PRIMARY KEY emp_id     -- 主键是一个字段
  PARTITION BY work_place
  ;
 -- 插入数据
INSERT INTO emp_summingmergetree
VALUES (1,'tom','上海',25,'技术部',20000),(2,'jack','上海',26,'人事部',10000);
INSERT INTO emp_summingmergetree
VALUES (3,'bob','北京',33,'财务部',50000),(4,'tony','杭州',28,'销售事部',50000);

-- 插入相同数据
INSERT INTO emp_summingmergetree
VALUES (1,'tom','上海',25,'信息部',10000),(1,'tom','北京',26,'人事部',10000);

optimize table emp_summingmergetree final;
select * from emp_summingmergetree ;

总结

• SummingMergeTree是根据什么对两条数据进行合并的
  用ORBER BY排序键作为聚合数据的条件Key。即如果排序key是相同的，则会合并成一条数据，并对指定的合并字段进行聚合。
• 仅对分区内的相同排序key的数据行进行合并
  以数据分区为单位来聚合数据。当分区合并时，同一数据分区内聚合Key相同的数据会被合并汇总，而不同分区之间的数据则不会被汇总。
• 如果没有指定聚合字段，会怎么聚合
  如果没有指定聚合字段，则会按照非主键的数值类型字段进行聚合
• 对于非汇总字段的数据，该保留哪一条
  如果两行数据除了排序字段相同，其他的非聚合字段不相同，那么在聚合发生时，会保留最初的那条数据，新插入的数据对应的那个字段值会被舍弃

-- 新插入的数据:        1 │ tom  │ 上海       │  25 │ 信息部 │ 10000.00 
-- 最初的数据 ：1 │ tom  │ 上海       │  25 │ 技术部 │ 20000.00

-- 聚合合并的结果：1 │ tom  │ 上海       │  25 │ 技术部 │ 30000.00

Aggregatingmergetree表引擎

该表引擎继承自MergeTree，可以使用 AggregatingMergeTree 表来做增量数据统计聚合。如果要按一组规则来合并减少行数，则使用 AggregatingMergeTree 是合适的。

AggregatingMergeTree是通过预先定义的聚合函数计算数据并通过二进制的格式存入表内。与SummingMergeTree的区别在于：SummingMergeTree对非主键列进行sum聚合，而AggregatingMergeTree则可以指定各种聚合函数。

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
    ...
) ENGINE = AggregatingMergeTree()
[PARTITION BY expr]
[ORDER BY expr]
[SAMPLE BY expr]
[SETTINGS name=value, ...]

CollapsingMergeTree表引擎

CollapsingMergeTree就是一种通过以增代删的思路，支持行级数据修改和删除的表引擎。它通过定义一个sign标记位字段，记录数据行的状态。如果sign标记为1，则表示这是一行有效的数据；如果sign标记为-1，则表示这行数据需要被删除。当CollapsingMergeTree分区合并时，同一数据分区内，sign标记为1和-1的一组数据会被抵消删除。

每次需要新增数据时，写入一行sign标记为1的数据；需要删除数据时，则写入一行sign标记为-1的数据。

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
    ...
) ENGINE = CollapsingMergeTree(sign)
[PARTITION BY expr]
[ORDER BY expr]
[SAMPLE BY expr]
[SETTINGS name=value, ...]

总结

• 分区合并

分区数据折叠不是实时的，需要后台进行Compaction操作，用户也可以使用手动合并命令，但是效率会很低，一般不推荐在生产环境中使用。
当进行汇总数据操作时，可以通过改变查询方式，来过滤掉被删除的数据
只有相同分区内的数据才有可能被折叠。其实，当我们修改或删除数据时，这些被修改的数据通常是在一个分区内的，所以不会产生影响。

• 数据写入顺序

值得注意的是：CollapsingMergeTree对于写入数据的顺序有着严格要求，否则导致无法正常折叠。
如果数据的写入程序是单线程执行的，则能够较好地控制写入顺序；如果需要处理的数据量很大，数据的写入程序通常是多线程执行的，那么此时就不能保障数据的写入顺序了。在这种情况下，CollapsingMergeTree的工作机制就会出现问题。但是可以通过VersionedCollapsingMergeTree的表引擎得到解决。

VersionedCollapsingMergeTree表引擎

上面提到CollapsingMergeTree表引擎对于数据写入乱序的情况下，不能够实现数据折叠的效果。VersionedCollapsingMergeTree表引擎的作用与CollapsingMergeTree完全相同，它们的不同之处在于，VersionedCollapsingMergeTree对数据的写入顺序没有要求，在同一个分区内，任意顺序的数据都能够完成折叠操作

VersionedCollapsingMergeTree使用version列来实现乱序情况下的数据折叠

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
    ...
) ENGINE = VersionedCollapsingMergeTree(sign, version)
[PARTITION BY expr]
[ORDER BY expr]
[SAMPLE BY expr]
[SETTINGS name=value, ...]

可以看出：该引擎除了需要指定一个sign标识之外，还需要指定一个UInt8类型的version版本号。

GraphiteMergeTree表引擎

该引擎用来对 Graphite数据进行(图数据)'瘦身'及汇总。对于想使用CH来存储Graphite数据的开发者来说可能有用。

如果不需要对Graphite数据做汇总，那么可以使用任意的CH表引擎；但若需要，那就采用 GraphiteMergeTree 引擎。它能减少存储空间，同时能提高Graphite数据的查询效率。

Log系列表引擎

应用场景

Log系列表引擎功能相对简单，主要用于快速写入小表(1百万行左右的表)，然后全部读出的场景。即一次写入多次查询。

Log系列表引擎的特点

共性特点

• 数据存储在磁盘上
• 当写数据时，将数据追加到文件的末尾
• 不支持并发读写，当向表中写入数据时，针对这张表的查询会被阻塞，直至写入动作结束
• 不支持索引
• 不支持原子写：如果某些操作(异常的服务器关闭)中断了写操作，则可能会获得带有损坏数据的表
• 不支持ALTER操作(这些操作会修改表设置或数据，比如delete、update等等)

区别

• TinyLog是Log系列引擎中功能简单、性能较低的引擎。它的存储结构由数据文件和元数据两部分组成。其中，数据文件是按列独立存储的，也就是说每一个列字段都对应一个文件。除此之外，TinyLog不支持并发数据读取。
• StripLog支持并发读取数据文件，当读取数据时，ClickHouse会使用多线程进行读取，每个线程处理一个单独的数据块。另外，StripLog将所有列数据存储在同一个文件中，减少了文件的使用数量。
• Log支持并发读取数据文件，当读取数据时，ClickHouse会使用多线程进行读取，每个线程处理一个单独的数据块。Log引擎会将每个列数据单独存储在一个独立文件中。

外部集成表引擎

ClickHouse提供了许多与外部系统集成的方法，包括一些表引擎。这些表引擎与其他类型的表引擎类似，可以用于将外部数据导入到ClickHouse中，或者在ClickHouse中直接操作外部数据源。

例如直接读取HDFS的文件或者MySQL数据库的表。这些表引擎只负责元数据管理和数据查询，而它们自身通常并不负责数据的写入，数据文件直接由外部系统提供。目前ClickHouse提供了下面的外部集成表引擎：

• ODBC：通过指定odbc连接读取数据源
• JDBC：通过指定jdbc连接读取数据源；
• MySQL：将MySQL作为数据存储，直接查询其数据
• HDFS：直接读取HDFS上的特定格式的数据文件；
• Kafka：将Kafka数据导入ClickHouse
• RabbitMQ：与Kafka类似

Kafka：使用方式

CREATE TABLE [IF NOT EXISTS] [db.]table_name [ON CLUSTER cluster]
(
    name1 [type1] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr1],
    name2 [type2] [DEFAULT|MATERIALIZED|ALIAS expr2],
    ...
) ENGINE = Kafka()
SETTINGS
    kafka_broker_list = 'host:port',
    kafka_topic_list = 'topic1,topic2,...',
    kafka_group_name = 'group_name',
    kafka_format = 'data_format'[,]
    [kafka_row_delimiter = 'delimiter_symbol',]
    [kafka_schema = '',]
    [kafka_num_consumers = N,]
    [kafka_max_block_size = 0,]
    [kafka_skip_broken_messages = N,]
    [kafka_commit_every_batch = 0,]
    [kafka_thread_per_consumer = 0]

• kafka_broker_list ：逗号分隔的brokers地址 (localhost:9092).
• kafka_topic_list ：Kafka 主题列表，多个主题用逗号分隔.
• kafka_group_name ：消费者组.
• kafka_format – Message format. 比如JSONEachRow、JSON、CSV等等

注意点

当我们一旦查询完毕之后，ClickHouse会删除表内的数据，其实Kafka表引擎只是一个数据管道，我们可以通过物化视图的方式访问Kafka中的数据。

• 首先创建一张Kafka表引擎的表，用于从Kafka中读取数据
• 然后再创建一张普通表引擎的表，比如MergeTree，面向终端用户使用
• 最后创建物化视图，用于将Kafka引擎表实时同步到终端用户所使用的表中

示例

--  创建Kafka引擎表

CREATE TABLE kafka_table_consumer
(
    `id` UInt16,
    `name` String,
    `password` String,
    `age` UInt16
)
    ENGINE = Kafka() SETTINGS 
    kafka_broker_list = '120.26.126.158:9092'
    ,kafka_topic_list = 'student',
    kafka_group_name = 'group2',
    kafka_format = 'JSONEachRow';

-- 创建一张终端用户使用的表
CREATE TABLE kafka_table_mergetree 
(id UInt64 ,name String)ENGINE=MergeTree() ORDER BY id;
  
-- 创建物化视图，同步数据
CREATE MATERIALIZED VIEW consumer TO 
kafka_table_mergetree AS SELECT id,name FROM kafka_table_consumer;
-- 查询，多次查询，已经被查询的数据依然会被输出
select * from kafka_table_mergetree;

其他特殊的表引擎

Memory表引擎

Memory表引擎直接将数据保存在内存中，数据既不会被压缩也不会被格式转换。当ClickHouse服务重启的时候，Memory表内的数据会全部丢失。一般在测试时使用。

CREATE TABLE table_memory (
    id UInt64,
    name String
  ) ENGINE = Memory();

Distributed表引擎

使用方式

Distributed表引擎是分布式表的代名词，它自身不存储任何数据，数据都分散存储在某一个分片上，能够自动路由数据至集群中的各个节点，所以Distributed表引擎需要和其他数据表引擎一起协同工作。

所以，一张分布式表底层会对应多个本地分片数据表，由具体的分片表存储数据，分布式表与分片表是一对多的关系

Distributed(cluster_name, database_name, table_name[, sharding_key])

各个参数的含义分别如下：

• cluster_name：集群名称，与集群配置中的自定义名称相对应。
• database_name：数据库名称
• table_name：表名称
• sharding_key：可选的，用于分片的key值，在数据写入的过程中，分布式表会依据分片key的规则，将数据分布到各个节点的本地表。

创建分布式表是读时检查的机制，也就是说对创建分布式表和本地表的顺序并没有强制要求。

同样值得注意的是，在上面的语句中使用了ON CLUSTER分布式DDL，这意味着在集群的每个分片节点上，都会创建一张Distributed表，这样便可以从其中任意一端发起对所有分片的读、写请求