学习php好的网站,重庆市建设工程信息,查看网站是否备案,网站建设调研论文ClickHouse 是一款高性能的列式数据库#xff0c;它通过列式存储、稀疏索引、MergeTree 引擎等技术实现了极高的查询效率和吞吐量。索引是数据库中提高查询效率的关键机制之一。为了深入了解 ClickHouse 中的索引实现机制#xff0c;我们将从底层原理、关键数据结构以及 Clic… ClickHouse 是一款高性能的列式数据库它通过列式存储、稀疏索引、MergeTree 引擎等技术实现了极高的查询效率和吞吐量。索引是数据库中提高查询效率的关键机制之一。为了深入了解 ClickHouse 中的索引实现机制我们将从底层原理、关键数据结构以及 ClickHouse 的源代码来解释其索引设计。
1. ClickHouse 的索引机制概览 ClickHouse 的索引与传统数据库如 MySQL、PostgreSQL 等的 B-Tree 或哈希索引不同它主要依赖于稀疏索引sparse index和分段索引granularity index来加速查询。由于 ClickHouse 的设计初衷是为大规模分析型查询场景服务所以它的索引机制更适合扫描大批量数据并通过减少不必要的磁盘 IO 来加速查询。
1.1 基础概念
列式存储ClickHouse 使用列式存储也就是说数据按列而不是按行存储。在列式存储中相同列的数据集中存储使得读取少数列时非常高效。稀疏索引Sparse IndexClickHouse 使用的是一种稀疏索引意味着它不会为每条记录都维护索引而是根据数据块block来构建索引。每个数据块保存若干行通常是 8192 行索引只保存每个块的起始值。数据分段GranularityClickHouse 采用了分段的概念数据被分割成多个段每个段内数据排序并且有自己的索引。每个段的大小决定了查询时需要扫描的数据量。
2. MergeTree 引擎中的索引机制 MergeTree 是 ClickHouse 中最重要的存储引擎之一。该引擎不仅支持高效的读写性能还支持自动的分区和合并操作。
2.1 主键索引Primary Key Index 在 MergeTree 表中主键索引并不是传统意义上的唯一约束而是用于优化查询的排序键。主键的索引由 稀疏索引 和 段内数据排序 组成。当表使用 ORDER BY 语句时ClickHouse 会根据排序键为每个数据段构建稀疏索引。
原理 数据写入时按照主键排序如果指定了 ORDER BY每次插入新的数据块时ClickHouse 会在磁盘上生成新的稀疏索引。每个稀疏索引条目对应一个数据块中的首行索引条目记录该块的首个主键值以及其在数据文件中的位置。查询时ClickHouse 使用索引跳过不相关的块减少扫描的数据量。
2.2 索引的存储结构
主键索引会被存储在 .idx 文件中索引文件以稀疏的方式记录每个数据块的起始位置。
索引存储结构 数据写入时ClickHouse 为每个数据块生成主键索引。每个索引条目包含该块内数据的首个主键值以及相应的偏移量。主键值可以由多个列组成ClickHouse 会为多列组合生成复合主键索引。
示例创建 MergeTree 表
CREATE TABLE events
(event_date Date,event_time DateTime,user_id UInt32,event_type String
)
ENGINE MergeTree
ORDER BY (event_date, user_id);在上面的例子中ORDER BY (event_date, user_id) 表示 ClickHouse 会对表中的数据根据 event_date 和 user_id 进行排序并为这些列创建主键索引。在查询时ClickHouse 会利用这些主键索引来加速查询。
2.3 段式存储与索引 ClickHouse 将数据分为多个段part每个段包含一定数量的行默认 8192 行。每个段内的数据按照指定的排序键即 ORDER BY 中的列进行排序并为每个段创建稀疏索引。
每个段的索引结构 索引文件.idx稀疏索引记录每个数据段中首行的主键值。数据文件.bin实际存储的列数据列式存储的文件按列分开存储。
索引文件的结构
.index file structure:
------------------------------------------------------
| Primary Key Value | Block Start Row | Block Position |
------------------------------------------------------当执行查询时ClickHouse 通过索引文件定位数据块然后只扫描与查询条件相关的块从而极大地提升查询效率。
3. ClickHouse 的二级索引Data Skipping Indexes 除了主键索引ClickHouse 还支持 Data Skipping Index也就是所谓的“跳过索引”。这种索引允许 ClickHouse 在查询时跳过那些不相关的块而不需要扫描每一行。这在列上具有高度稀疏性或数据分布不均匀的场景下非常有用。
常用的跳过索引类型 minmax 索引记录每个数据段的最小值和最大值。对于范围查询例如 WHERE column x AND column yClickHouse 可以跳过不在范围内的块。 ALTER TABLE events ADD INDEX minmax_index
(user_id) TYPE minmax GRANULARITY 8192;bloom_filter 索引用于高基数的数据列例如字符串或 ID 字段。布隆过滤器可以快速过滤掉不可能匹配的数据块。 ALTER TABLE events ADD INDEX bloom_filter_index
(event_type) TYPE bloom_filter GRANULARITY 8192;tokenbf_v1 索引一种适用于包含大量词汇的字段如文本的布隆过滤器索引它能够对包含某个词的查询进行加速。 ALTER TABLE events ADD INDEX tokenbf_index
(event_type) TYPE tokenbf_v1(1000) GRANULARITY 8192;跳过索引的实现原理 当进行查询时ClickHouse 会首先检查跳过索引确定哪些数据块可以跳过而不需要进行全表扫描。例如在范围查询中ClickHouse 可以通过 minmax 索引检查每个数据块的最小值和最大值并直接跳过不满足条件的块。
4. ClickHouse 索引的底层代码分析
我们来看一下 ClickHouse 源代码中关于索引的部分尤其是稀疏索引和数据跳过索引的实现。
4.1 稀疏索引实现 稀疏索引的实现位于 MergeTreeData 类中它管理了 MergeTree 表中的数据结构和索引创建过程。稀疏索引的构建逻辑主要通过 MergeTreeIndexGranularity 类来实现。
在 MergeTreeDataWriter 类中数据块的写入和索引创建的关键代码如下
// MergeTreeDataWriter.cpp
void MergeTreeDataWriter::writeBlock(const Block block, ... )
{// 写入数据块writer.write(block);// 构建稀疏索引index_builder-add(block);
}在写入数据块时index_builder 会为每个数据块生成一个索引条目。索引条目中包含了该数据块的起始主键值和数据文件中的位置。
4.2 minmax 索引的实现 minmax 索引是一种非常简单的跳过索引它记录了每个数据块的最小值和最大值。在查询时ClickHouse 可以通过检查 minmax 索引来跳过不符合条件的块。
minmax 索引的创建和检查逻辑位于 MergeTreeDataPart 类中代码如下
// MergeTreeDataPart.cpp
bool MergeTreeDataPart::minmax_index_check(const Field value) const
{// 检查当前块的最小值和最大值return (value min_value value max_value);
}在查询执行时ClickHouse 会检查 minmax 索引跳过那些不在查询范围内的块。
5. 总结 ClickHouse 的索引机制主要依赖于 稀疏索引 和 跳过索引这些索引能够大幅减少查询时的数据扫描量。不同于传统数据库的行式存储索引ClickHouse 的索引设计更加适合批量分析场景利用稀疏索引减少 IO通过跳过索引加速查询。底层实现中MergeTree 系列存储引擎通过维护稀疏索引来定位数据块同时 minmax 和 bloom_filter 等跳过索引进一步优化查询性能。 通过这些索引机制ClickHouse 能够在大规模数据处理场景下保持极高的查询性能同时支持复杂的查询和分析操作。
