分布式场景怎么Join

背景

最近在阅读查询优化器的论文，发现System R中对于Join操作的定义一般分为了两种，即嵌套循环、排序-合并联接。

考虑到我的领域是在处理分库分表或者其他的分区模式，这让我开始不由得联想我们怎么在分布式场景应用这个Join逻辑，对于两个不同库里面的不同表我们是没有办法直接进行Join操作的。查阅资料后发现原来早有定义，即分布式联接算法。

分布式联接算法

跨界点处理数据即分布式联接算法，常见的有四种模型：Shuffle Join（洗牌联接）、Broadcast Join（广播联接）、MapReduce Join（MapReduce联接）、Sort-Merge Join（排序-合并联接）。

接下来将进行逐一了解与分析，以便后续开发的应用。

Shuffle Join（洗牌联接）

先上原理解释：

Shuffle Join的核心思想是将来自不同节点的数据重新分发（洗牌），使得可以联接的数据行最终位于同一个节点上。

通常，对于要联接的两个表，会对联接键应用相同的哈希函数，哈希函数的结果决定了数据行应该被发送到哪个节点。这样，所有具有相同哈希值的行都会被送到同一个节点，然后在该节点上执行联接操作。

可能解释完还是有点模糊，举个例子，有两张表，分别以id字段进行分库操作，且哈希算法相同（为了简单，这里只介绍分库场景，分库分表同理。算法有很多种，这里举例是hash算法），那么这两张表的分片或许可以在同一个物理库中，这样我们不需要做大表维度的处理，我们可以直接下推Join操作到对应的物理库操作即可。

在ShardingSphere中，这种场景类似于绑定表的定义，如果两张表的算法相同，可以直接配置绑定表的关系，进行相同算法的连接查询，避免复杂的笛卡尔积。

这样做的好处是可以尽量下推到数据库操作，在中间件层面我们可以做并行处理，适合大规模的数据操作。

但是，这很理想，有多少表会采用相同算法处理呢。

Broadcast Join（广播联接）

先上原理解释：

当一个表的大小相对较小时，可以将这个小表的全部数据广播到所有包含另一个表数据的节点上。

每个节点上都有小表的完整副本，因此可以独立地与本地的大表数据进行联接操作，而不需要跨节点通信。

举个例子，有一张非常小的表A，还有一张按照ID分片的表B，我们可以在每一个物理库中复制一份表A，这样我们的Join操作就可以直接下推到每一个数据库操作了。

这种情况比Shuffle Join甚至还有性能高效，这种类似于ShardingSphere中的广播表的定义，其存在类似于字典表，在每一个数据库都同时存在一份，每次写入会同步到多个节点。

这种操作的好处显而易见，不仅支持并行操作而且性能极佳。

但是缺点也显而易见，如果小表不够小数据冗余不说，广播可能会消耗大量的网络带宽和资源。

MapReduce Join（MapReduce联接）

先上原理解释：

MapReduce是一种编程模型，用于处理和生成大数据集，其中的联接操作可以分为两个阶段：Map阶段和Reduce阶段。

Map阶段：每个节点读取其数据分片，并对需要联接的键值对应用一个映射函数，生成中间键值对。
Reduce阶段：
中间键值对会根据键进行排序（在某些实现中排序发生在Shuffle阶段）和分组，然后发送到Reduce节点。
在Reduce节点上，具有相同键的所有值都会聚集在一起，这时就可以执行联接操作。

MapReduce Join不直接应用于传统数据库逻辑，而是适用于Hadoop这样的分布式处理系统中。但是为了方便理解，还是用SQL语言来分析，例如一条SQL：

SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;

会被转换为两个SQL：

SELECT customer_id, order_id, date FROM orders;
SELECT customer_id, name FROM customers;

这个过程就是Map阶段，即读取orders和customers表的数据，并为每条记录输出键值对，键是customer_id，值是记录的其余部分。

下一个阶段可有可无，即Shuffle阶段。如果不在这里排序可能会在Map阶段执行SQL时候排序/分组或者在接下来的Reduce阶段进行额外排序/分组。在这个阶段主要将收集到的数据按照customer_id排序分组，以确保相同的customer_id的数据达到Reduce阶段。

Reduce阶段将每个对应的customer_id进行联接操作，输出并返回最后的结果。

这种操作普遍应用于两个算法完全不相同的表单，也是一种标准的处理模型，在这个过程中，我们以一张逻辑表的维度进行操作。这种算法可能会消耗大量内存，甚至导致内存溢出，并且在处理大数据量时会相当耗时，因此不适合需要低延迟的场景。

额外补充

内存溢出场景普遍在如下场景：

大键值对数量：如果Map阶段产生了大量的键值对，这些数据需要在内存中进行缓存以进行排序和传输，这可能会消耗大量内存。
数据倾斜：如果某个键非常常见，而其他键则不那么常见，那么处理这个键的Reducer可能会接收到大量的数据，导致内存不足。这种现象称为数据倾斜。
大值列表：在Reduce阶段，如果某个键对应的值列表非常长，处理这些值可能会需要很多内存。
不合理的并行度：如果Reduce任务的数量设置得不合适（太少或太多），可能会导致单个任务处理不均匀，从而导致内存问题。

我能想到的相应解决方案：

内存到磁盘的溢写：当Map任务的输出缓冲区满了，它会将数据溢写到磁盘。这有助于限制内存使用，但会增加I/O开销。
通过设置合适的Map和Reduce任务数量，可以更有效地分配资源，避免某些任务过载。具体操作可以将Map操作的分段比如1~100，100～200，Reduce阶段开设较少的并发处理。
优化数据分布，比如使用范围分区（range partitioning）或哈希分区（hash partitioning）来减少数据倾斜。

Sort-Merge Join（排序-合并联接）

先上原理解释：

在分布式环境中，Sort-Merge Join首先在每个节点上对数据进行局部排序，然后将排序后的数据合并起来，最后在合并的数据上执行联接操作。

这通常涉及到多阶段处理，包括局部排序、数据洗牌（重新分发），以及最终的排序和合并。

举个理解，还是上面的SQL。

SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;

对orders表按customer_id进行排序。
对customers表按customer_id进行排序。
同时遍历两个已排序的表，将具有相同customer_id的行配对。

这个就有点类似于原生的排序-合并联接了。也是数据库场景的标准处理办法。

对于已经排序的数据集或数据分布均匀的情况，这种方法非常有效。如果数据未预先排序，这种方法可能会非常慢，因为它要求数据在联接之前进行排序。

当然，这个算法也会造成内存溢出的场景，解决方案如下：

当数据集太大而无法一次性加载到内存中时，可以使用外部排序算法。外部排序算法会将数据分割成多个批次，每个批次单独排序，然后将排序后的批次合并。这种方法通常涉及到磁盘I/O操作，因此会比内存中操作慢。
对于合并步骤，可以使用流式处理技术，一次只处理数据的一小部分，并持续将结果输出到下一个处理步骤或存储系统。这样可以避免一次性加载大量数据到内存中。
当内存不足以处理数据时，可以使用磁盘空间作为临时存储。数据库管理系统通常有机制来处理内存溢出，比如创建磁盘上的临时文件来存储过程中的数据。
在分布式系统中，可以将数据分散到多个节点上进行处理，这样每个节点只需要处理数据的一部分，从而减少单个节点上的内存压力。