ClickHouse实战处理（一）：MergeTree表引擎

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：创建稀疏索引加快数据查询速度。
支持数据分区，可以通过PARTITION BY语句指定分区字段。
支持数据副本。
支持数据采样。

一、MergeTree分类和建表参数

MergeTree系列表引擎包含：MergeTree、ReplacingMergeTree、ReplicatedMergeTree（复制表）、SummingMergeTree（汇总求和功能）、AggregatingMergeTree（聚合功能）、CollapsingMergeTree（折叠删除功能）、VersionedCollapsingMergeTree（版本折叠功能）引擎，在这些的基础上还可以叠加Replicated和Distributed。

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，且数据片段在磁盘上不可修改。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。

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, ...]
关于以上建表语句的解释如下：1、ENGINE：ENGINE = MergeTree()，MergeTree引擎没有参数。2、ORDER BY：排序字段。比如ORDER BY (Col1, Col2)，值得注意的是，如果没有使用 PRIMARY KEY 显式的指定主键ORDER BY排序字段自动作为主键。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。必选项。3、PARTITION BY：分区字段，例如要按月分区，可以使用表达式 toYYYYMM(date_column)，这里的date_column是一个Date类型的列，分区名的格式会是"YYYYMM"。可选。4、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。大部分情况下不需要再专门指定一个 PRIMARY KEY 子句，注意，在MergeTree中主键并不用于去重，而是用于索引，加快查询速度。可选。另外，如果指定了PRIMARY KEY与排序字段不一致，否则报错。要保证PRIMARY KEY 指定的主键是ORDER BY 指定字段的前缀，这样主键仍然是排序键的前缀，不会出现索引与数据顺序混乱的问题。
比如： 
.......
ORDER BY (A,B,C)
PRIMARY KEY A 5、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。6、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。7、SETTINGS：额外的参数配置。可选。

二、分区目录的合并过程

在将新数据插入表中时，每个分区的数据按照目录存储为单独的数据片段，目录名为数据片段名称，这个和system.parts表的name字段一致。
在插入后的10-15分钟内，同一个分区的数据片段将合并为一个整体的数据片段。数据片段名称包含了4部分的信息，下面以数据片段20200421_1_2_1为例进行拆解：

20200421是分区名称。
1是数据块的最小编号。
2是数据块的最大编号。
1是块级别，即该块在MergeTree中的深度。

1、分区目录的合并过程

active列为数据片段的状态。1表示激活状态，0表示非激活状态。当源数据片段合并为较大的片段之后，这些源的数据片段就变为了非激活状态。损坏的数据片段也是非激活状态。
同一分区有多个独立的数据片段，这表明这些片段尚未合并。
ClickHouse会在插入后大约15分钟合并数据片段，也可以使用OPTIMIZE语句执行计划外的合并：
OPTIMIZE TABLE mergeTableDemo PARTITION 202004;
非激活的片段(active=0片段)将在合并后约10分钟被删除。
detached目录包含使用DETACHED语句从表分离的数据片段。损坏的数据片段也将移至该目录，而不是被删除。ClickHouse不会使用detached目录中的数据片段。此目录中的数据可以随时添加、删除或修改，ClickHouse只有在运行ATTACH语句时才会感知该目录。

3、MergeTree引擎表目录解析

这里我们介绍下MergeTree引擎表对应到磁盘的数据目录，Clikchouse新版本与之前版本对比，数据对应的磁盘目录略有不同。

创建表t_mt，并加载数据：

CREATE TABLE t_mt
(
id UInt8,
name String,
age UInt8,
birthday Date,
location String
)
ENGINE = MergeTree
PARTITION BY toYYYYMM(birthday)
ORDER BY (id, age)

#向表t_mt中插入数据

insert into t_mt values (1,'张三',18,'2021-06-01','上海'), (2,'李四',19,'2021-02-10','北京'), (3,'王五',12,'2021-06-01','天津'), (1,'马六',10,'2021-06-18','上海'), (5,'田七',22,'2021-02-09','广州');

以上创建好表t_mt，当插入数据完成后，在ClickHouse节点/var/lib/ClickHouse/data/newdb/路径下会生成对应目录“t_mt”,进入此目录下，可以看到对应的分区目录，如图示：
在这里插入图片描述

以上分区目录也可以在系统表“system.parts”中查询得到：

#在系统表 system.part中查询表 t_mt的分区信息：
select table ,partition ,name ,active from system.parts where table = ‘t_mt’;

进入到某一个分区目录片段“202102_2_2_0”中，我们可以看到如下目录：

在这里插入图片描述

对以上目录的解释如下：

1、checksums.txt：校验文件，使用二进制格式存储。它保存了余下各类文件(primary. idx、count.txt等)的size大小及size的哈希值，用于快速校验文件的完整性和正确性。

2、columns.txt：存储当前分区所有列信息。使用明文格式存储。

[root@node1 202102_2_2_0]# cat columns.txt
columns format version: 1
5 columns:
id UInt8
name String
age UInt8
birthday Date
location String

3、count.txt：计数文件，使用明文格式存储。用于记录当前数据分区目录下数据的总行数。

[root@node1 202102_2_2_0]# cat count.txt
2

data.bin：数据文件，使用压缩格式存储，默认为LZ4压缩格式，用于存储某一列的数据。之前clickhoue版本是每一个列字段都拥有独立的.bin数据文件，并以列字段名称命名，在新版本ClickHouse中所有数据合并到data.bin中。
之前ClickHouse版本此目录数据如下：
在这里插入图片描述
4、data.mrk3：列字段标记文件，使用二进制格式存储。标记文件中保存了data.bin文件中数据的偏移量信息。

5、default_compression_codec.txt:存储数据压缩格式

6、partition.dat与minmax_[Column].idx：如果指定了分区键，则会额外生成partition.dat与minmax索引文件，它们均使用二进制格式存储。partition.dat用于保存当前分区下分区表达式最终生成的值，即分区字段值；而minmax索引用于记录当前分区下分区字段对应原始数据的最小和最大值。比如当使用birthday字段对应的原始数据为2021-02-17、2021-02-23，分区表达式为PARTITION BY toYYYYMM(birthday)，即按月分区。partition.dat中保存的值将会是202102，而minmax索引中保存的值将会是2021-02-17、2021-02-23。

7、primary.idx：一级索引文件，使用二进制格式存储。用于存放稀疏索引，一张MergeTree表只能声明一次一级索引，即通过ORDER BY或者PRIMARY KEY指定字段。借助稀疏索引，在数据查询的时能够排除主键条件范围之外的数据文件，从而有效减少数据扫描范围，加速查询速度。

三、数据标记的工作机制和数据查询

1、索引和主键

在这里插入图片描述

2、数据标记的工作机制

2、数据查询

确定分区(如果有)
根据primary.idx确定数据数据在哪些索引标记内。
根据索引标记和数据标记文件(.mrk或.mrk2)确定数据在哪个压缩数据块，以及在解压缩数据块中的偏移量
加载数据至内存，向量化操作、查询过滤。

在这里插入图片描述

二、ReplicatedMergeTree

只有MergeTree系列引擎支持数据副本，支持副本的引擎是在MergeTree引擎名称的前面加上前缀Replicated，也就是ReplicatedMergeTree。副本是表级别的而不是整个服务器级别的，因此，
服务器可以同时存储复制表和非复制表。
1、和zookeeper的整合
1）ClickHouse使用Apache ZooKeeper来存储副本元信息, 在配置文件设置zookeeper相关的参数。
如果ClickHouse的配置文件未配置ZooKeeper，则无法创建复制表，并且任何存量的复制表都将是只读的。
2）对本地复制表的查询不会使用ZooKeeper，其查询速度和非复制表一样快。
在这里插入图片描述