前言

存储引擎是ClickHouse非常重要的一个组件，MergeTree表引擎又是 Clickhouse 引擎中最流行的，同时 Clickhouse 之所以查询速度快，与它又密切相关。
本文将对 Clickhouse 中的 MergeTree 表引擎架构设计进行说明，进而了解该引擎加速查询的原理，最后将列举 SQL 说明 MergeTree 表引擎的工作过程。

MergeTree存储引擎的三大特点

三级数据组织

• 按照3个层级组织数据及数据文件，分别是数据库、数据表、数据分区。
• 数据库由一个或多个数据表组成。
• 数据表由一个或多个数据分区组成。
• 数据只能被放到数据分区内，如果用户没有明确指定分区，则数据存储于默认名为all的分区。

数据不可变

• MergeTree中的数据一旦写入，就不能再修改。
• Clickhouse 中数据不可变的原因是为了提升并发能力，减少数据操作竞争。

密集堆放

• 数据在内存和文件中都被密集堆放，应尽可能减少控制信息，以降低磁盘I/O、内存占用，提高查询速度。
  

MergeTree 的数据组织

数据组织说明

• 数据组织主要描述用户保存的数据是如何在数据文件中保存的。
• 数据组织是存储引擎的基础，相同的数据可以以不同的数据组织形式写入数据文件。
• 不同的数据组织形式会带来不同的效果，例如在数据的写入速度、读取速度、检索速度、事务能力等多个方面直接影响着上层计算引擎的功能及运作效率。

数据最小单位

• Clickhouse 中数据的最小组织单位是**块，**块的大小默认为8192行，即ClickHouse一次性处理8192行数据。

数据堆放方式

• Clickhouse 是列式存储，不同的列会存储在不同的数据文件中，因此在ClickHouse中只需要考虑数据如何按行堆放。
• 其中不同的数据类型又决定了数据的堆放方式：定长数据类型和变长数据类型。
• 定长数据类型的堆放方式类似于数组，可以通过下标访问元素，实现简单、随机取数效率高、空间利用率高、算法实现简单。
• 变长数据类型的堆放方式有三种堆叠方式：
  • 使用固定的分隔符
  • 在另一个数组中记录每个元素的长度
  • 将数据写入额外的数据文件，在当前数据文件中记录定长的偏移量

其中 Clickhouse 使用的是第二种方式，变长数据类型在内存中会维护两个数组：一个是存储数据的字节数组；另一个是存储元素长度的定界数组。
数据压缩

• Clickhouse 将数据堆叠成块后，会对数据进行压缩，默认支持3种压缩方式：LZ4、LZ4HC、zstd。ClickHouse默认使用LZ4压缩。
• 压缩是为了减少磁盘 I/O，提升查询速度，使用 CPU 计算来弥补 磁盘 I/O 瓶颈问题。
  

MergeTree的文件组织

前边说到的只是 Clickhouse 的数据组织方式，MergeTree 并没有将元数据信息保存到块中。
Clickhouse 将 MergeTree 数据写入文件，以文件组织作为元数据信息管理。
在MergeTree中，数据库、数据表和数据分区都被物化为文件夹表示，数据由一组不同类型的文件组成。MergeTree的文件组织形式如下图所示：

数据文件、元数据文件、索引文件和其他文件

MergeTree的数据由3种文件组成，分别是数据(bin)文件、索引文件和标记文件。这3种文件是MergeTree进行读取和写入时不可缺少的文件，丢失任意一个文件，都会造成数据损坏，无法读取。除此之外，还有一些辅助文件用于校验、加速查询等功能，这类文件的丢失不会导致数据损坏，可以依据数据进行重建。

数据文件
数据文件的结构如下图所示：

• 以 .bin结尾的文件，包含多个块，可以通过该文件获取块字节数据，但是无法对数据进行解析。
• 每个块数据中包括压缩信息数据和保存实际数据。

元数据文件

• 元数据文件中存储表结构、字段数据类型、字段数据长度等元数据信息。
• 文件名固定为Columns.txt，可以直接打开查看相关元信息。
• 数据文件必须配合元数据文件才能被正确解析。

索引文件

• 索引文件由索引和标记文件共同组成，分别对应idx和mrk后缀.

其他文件

• checksums.txt：一个二进制文件，存储整个分区数据的校验和。用于快速校验数据是否被篡改。
• count.txt：文本文件，存储该分区下的行数，可以用文本编辑器打开。在执行select count() from xxx命令时，会直接返回该文件的内容，而不需要遍历数据。
• default_compression_codec.txt：ClickHouse新版本增加的一个文件，该文件是一个文本文件，存储了数据文件中使用的压缩编码器。ClickHouse提供了多种压缩算法供用户选择，默认使用LZ4。
  

分区

传统的大数据系统也会使用到分区来加速查询，比如说 Hive。但是在 Clickhouse 中的分区并不是为了加速查询而设计的，而是便于对数据的管理。

相反，在使用 Clickhouse 的时候过多的分区反而会降低查询速度，因为过多的分区意味着更多的文件夹（需要打开更多的文件描述符），在 Clickhouse 中不是通过分区加速查询，是通过索引来加速查询的。

在 Clickhouse 中大部分情况下是不需要创建分区的，创建完分区，分区下对应的文件和子目录说明如下：

• 分区目录的格式为分区ID_最小数据块编号_最大数据块编号_层级。
• 数据块编号从1开始自增，新创建的数据库最大和最小编号相同，当发生合并时会将其修改为合并的数据块编号。同时每次合并都会将层级增加1。
  

数据库和表

ClickHouse中的数据库和表都被组织为文件夹。
每个数据库都会在ClickHouse的data目录中创建一个子目录，ClickHouse默认携带default和system两个数据库。
default就是默认数据库，system是存储ClickHouse服务器相关信息的数据库，例如连接数、资源占用等。

索引

索引机制是ClickHouse查询速度快的一个很重要的原因，Clickhouse 通过主键索引和标记快速查找目标。
主键索引

• 记录每个块的首个值（最小值），索引数据存储于primary.idx文件。
• Clickhouse 在插入数据的时候，会通过 LSM 算法保证插入数据的顺序按照用户定义的顺序排列，这样每个块就是有序的，就可以通过主键索引快速定位到数据在哪个块。

主键索引只能定位到数据在哪个块，但是块的位置需要通过标记确定。
标记

• 通过索引文件和标记文件，才能共同确定一个数据所在的文件位置。
• 在查询时，首先通过索引确认数据所在的块，然后依据标记确认块所在的物理地址，最后通过物理地址从硬盘上读取数据。
  

与事务数据库存储引擎的对比

	Clickhouse	事物数据库
基本单位	- 最小单位是块，块的大小一般在64KB～1MB之间 - 通过一次性操作整个块以提高I/O效率	- 基本单位是页，大小一般为4KB或8KB - 对行的操作记录到内存页中，定期以页为单位写入磁盘，以提高I/O效率
数据顺序	- 对数据按照表结构进行排序并写入存储设备	- 事务数据库则按照事务的先后顺序写入存储设备
索引方式	- 使用稀疏索引，且数据在写入时已经完成了排序，足以支撑快速的范围查询	- 使用B+树建立稠密索引，将索引进行排序后以实现更快的范围查询
控制信息	- 控制信息占用数据量小 - 不适合点查	- 控制信息占用数据量大 - 适合点查
压缩	- MergeTree将数据压缩后写入存储设备 - 查询瓶颈在于磁盘I/O	- 不对数据压缩 - 通过锁机制和MVCC实现原子性和隔离性，通过WAL机制实现持久性，通过完整性约束提供一致性保证

存储引擎如何影响查询速度

Clickhouse 在对数据进行保存的时候就以便利查询为目的进行保存，因此 Clickhouse 可以快速查询到数据所在位置，Clickhouse 查询大量的时间消耗在磁盘 I/O 上，因此如何减少磁盘 I/O 就是存储引擎要做的事情。
预排序

• Clickhouse 在写入数据时会对数据进行排序，这样在进行范围查询的时候就可以将随机读转换为顺序读，提高 I/O 效率。
• 预排序虽然提升了查询性能，相对的降低了写入性能。
• Clickhouse 使用修改过的 LSM 算法实现预排序，不允许数据修改，降低了传统 LSM 算法读放大效应，进一步缩短了磁盘 I/O 时间。

列存

• 列式存储中每一列的数据是在同一个文件中保存着的，在磁盘上数据是连续的，特别适合 OLAP 查询。
• 由于列存的保存方式，表中列的增加不会带来额外的开销，因此 Clickhouse 特别适合创建大宽表，便于查询分析。

压缩

• 压缩可以减少读取和写入的数据量，从而减少I/O时间，由于列存数据相关性很高，因此 Clickhouse 对于数据压缩支持很好，拥有比较大的压缩比。
• ClickHouse的最小处理单元是块，块一般由8192行数据组成，ClickHouse进行一次压缩针对的是8192行数据，这就极大降低了CPU的压缩和解压缩时间。
  

MergeTree存储引擎的工作过程

数据库、数据表的创建过程

• 数据库和数据表在MergeTree存储引擎中对应一个文件夹，当执行下列SQL语句时，本质上就是由MergeTree存储引擎在磁盘上的数据目录中创建一个对应的文件夹。

  create database xxx;
  create table xxx (xxx string ...)
  

数据插入过程

• 插入操作会在表所在的文件夹下创建一个新的分区文件夹
• 然后按照MergeTree的文件组织原则在分区文件夹中创建对应的数据文件、元数据文件、索引文件和其他文件。

分区合并和删除过程

• Clickhouse 存在两种分区：逻辑分区和物理分区，逻辑分区是按照用户建表时所设置的规则进行的分区，物理分区是MergeTree存储引擎在实现内部算法时，不可避免地对用户逻辑分区进行物理拆分而得到的分区。
• MergeTree的分区合并指的是物理分区的合并，不支持对逻辑分区进行合并。
• MergeTree的分区删除指的是逻辑分区的合并，不支持对物理分区进行删除。
• 分区合并是MergeTree引擎自行启动的，而分区删除是按照用户指令启动的，用户无法直接操作物理分区，只能通过控制逻辑分区，间接控制物理分区

数据读取过程

• Clickhouse 通过索引进行加速查询，在写入数据的时候会预排序，MergeTree引擎的查询加速效果与表结构密切相关，同一条查询语句，在不同的表结构上有着不同的表现。

我们在定义表的时候一定要注意 ORDER BY的使用，假设有一张用户信息表如下：

id	sex	age
1	Male	27
2	Femal	33

查询 SQL 如下：

SELECT AVG(age) FROM tb1 WHERE sex = 'Male';

• sex作为唯一排序键（主键）

  CREATE TABLE tb1
  (id UInt 64,sex String comment '性别',age int comment '年龄'
  )ENGINE = MergeTree()
  ORDER BY sex;
  

• sex作为联合排序键（主键）之一且在最左侧

  -- Clickhouse 的索引匹配也满足最左侧匹配原则，下边的建表方式查询时也会走索引
  CREATE TABLE tb1
  (id UInt 64,sex String comment '性别',age int comment '年龄'
  )ENGINE = MergeTree()
  ORDER BY sex,age;
  

• sex作为联合排序键（主键）之一且不在最左侧

  CREATE TABLE tb1
  (id UInt 64,sex String comment '性别',age int comment '年龄'
  )ENGINE = MergeTree()
  ORDER BY age,sex;
  

  使用上边SQL语句创建tbl表。在这种情况下，tbl表中的sex列作为排序键之一且不在最左侧，需要依据主键左侧列和sex列的数据分布进行判断，是一个不确定的场景。
  最好的情况是左侧主键和sex存在很强的相关性，此时性能接近于sex作为联合排序键（主键）之一且在最左侧的情况。
  最差的情况是完全独立的两个列，且sex分布于每一个块中，此时会触发全表扫描，性能接近于未将sex作为排序键的情况。

• sex不属于排序键（主键）

  -- 上边的查询会触发全表扫描，性能最差
  CREATE TABLE tb1
  (id UInt 64,sex String comment '性别',age int comment '年龄'
  )ENGINE = MergeTree()
  ORDER BY age;