Flink 新场景:OLAP 引擎性能优化及应用案例

摘要:本文由阿里巴巴技术专家贺小令(晓令)分享,主要介绍 Apache Flink 新场景 OLAP 引擎,内容分为以下四部分:

  1. 背景介绍
  2. Flink OLAP 引擎
  3. 案例介绍
  4. 未来计划

一、背景介绍

1.OLAP 及其分类

Flink 新场景:OLAP 引擎性能优化及应用案例

OLAP 是一种让用户可以用从不同视角方便快捷的分析数据的计算方法。主流的 OLAP 可以分为3类:多维 OLAP ( Multi-dimensional OLAP )、关系型 OLAP ( Relational OLAP ) 和混合 OLAP ( Hybrid OLAP ) 三大类。

(1)多维 OLAP ( MOLAP )

传统的 OLAP 分析方式
数据存储在多维数据集中

(2)关系型 OLAP ( ROLAP )

以关系数据库为核心,以关系型结构进行多维数据的表示
通过 SQL 的 where 条件以呈现传统 OLAP 的切片、切块功能

(3)混合 OLAP ( HOLAP )

将 MOLAP 和 ROLPA 的优势结合起来,以获得更快的性能

以下将详细介绍每种分类的具体特征。

■ 多维 OLAP ( MOLAP )

MOLAP 的典型代表是 Kylin 和 Druid。

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  • MOLAP 处理流程

首先,对原始数据做数据预处理;然后,将预处理后的数据存至数据仓库,用户的请求通过 OLAP server 即可查询数据仓库中的数据。

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  • MOLAP 的优点和缺点

MOLAP 的优点和缺点都来自于其数据预处理 ( pre-processing ) 环节。数据预处理,将原始数据按照指定的计算规则预先做聚合计算,这样避免了查询过程中出现大量的临时计算,提升了查询性能,同时也为很多复杂的计算提供了支持。

但是这样的预聚合处理,需要预先定义维度,会限制后期数据查询的灵活性;如果查询工作涉及新的指标,需要重新增加预处理流程,损失了灵活度,存储成本也很高;同时,这种方式不支持明细数据的查询。

因此,MOLAP 适用于对性能要求非常高的场景。

■ 关系型 OLAP ( ROLAP )

ROLAP 的典型代表是 Presto 和 Impala。

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  • 处理流程

ROLAP 的处理流程上,用户的请求直接发送给 OLAP server,然后 OLAP server 将用户的请求转换成关系型操作算子,再通过 SCAN 扫描原始数据,在原始数据基础上做过滤、聚合、关联等处理,最后将计算结果返回给用户。

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  • ROLAP 的优点和缺点

ROLAP 不需要进行数据预处理 ( pre-processing ),因此查询灵活,可扩展性好。这类引擎使用 MPP 架构 ( 与Hadoop相似的大型并行处理架构,可以通过扩大并发来增加计算资源 ),可以高效处理大量数据。

但是当数据量较大或 query 较为复杂时,查询性能也无法像 MOLAP 那样稳定。所有计算都是临时发生 ( 没有预处理 ),因此会耗费更多的计算资源。

因此,ROLAP 适用于对查询灵活性高的场景。

■ 混合 OLAP ( HOLAP )

混合 OLAP,是 MOLAP 和 ROLAP 的一种融合。当查询聚合性数据的时候,使用MOLAP 技术;当查询明细数据时,使用 ROLAP 技术。在给定使用场景的前提下,以达到查询性能的最优化。

2.Apache Flink 介绍

■ Flink 支持的应用场景

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Apache Flink 支持的3种典型应用场景:

(1)事件驱动的应用

  • 反欺诈
  • 基于规则的监控报警

(2)流式 Pipeline

  • 数据 ETL
  • 实时搜索引擎的索引

(3)批处理 & 流处理分析

  • 网络质量监控
  • 消费者实时数据分析

■ Flink 架构及优势

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Flink 的整体架构如上图所示,在此架构下,Flink 的优势也十分突出,主要分为6个方面:

(1)统一框架 ( 不区分流处理和批处理 )

  • 用户 API 统一
  • 执行引擎统一

(2)多层次 API

  • 标准 SQL APL
  • Table API
  • DataStream API ( 灵活,无 schema 限制 )

(3)高性能

  • 支持内存计算
  • 支持代价模型优化
  • 支持代码动态生成

(4)方便集成

  • 支持丰富的 Connectors
  • 方便对接现有 Catalog

(5)灵活的 Failover 策略

  • 在 Pipeline 下支持快速 failover
  • 类似 MapReduce、Spark 一样支持 shuffle 数据落盘

(6)易部署维护

  • 灵活部署方案
  • 支持高可用

二、Apache Flink OLAP 引擎

1.为什么 Flink 可以做 ROLAP 引擎?

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  • Flink 的核心和基础是流计算,支持高性能、低延迟的大规模计算。
  • Blink 将批看作有限流,批处理是针对有限数据集的优化,因此批处理引擎也是构建在流引擎上 ( 已开源 )。
  • OLAP 是响应时间要求更短的批处理,因此 OLAP 可以看作是一种特殊的批。OLAP 引擎也可以构建在现有的批引擎上。

注:Flink OLAP 引擎目前不带存储,只是一个计算框架。

2.Flink 做 OLAP 引擎的优势

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(1)统一引擎:流处理、批处理、OLAP 统一使用 Flink 引擎。

降低学习成本,仅需要学习一个引擎
提高开发效率,很多 SQL 是流批通用
提高维护效率,可以更集中维护好一个引擎

(2)既有优势:利用 Flink 已有的很多特性,使 OLAP 使用场景更为广泛。

使用流处理的内存计算、Pipeline
支持代码动态生成
也可以支持批处理数据落盘能力

(3)相互增强:OLAP 能享有现有引擎的优势,同时也能增强引擎能力

  • 无统计信息场景的优化
  • 开发更高效的算子
  • 使 Flink 同时兼备流、批、OLAP 处理的能力,成为更通用的框架

3.性能优化

OLAP 对查询时间非常敏感,当前很多组件的性能不满足要求,因此我们对 Flink 做了很多相关优化。

■ 服务架构的优化

  • 客户端服务化

下图介绍了一条 SQL 怎么在客户端一步一步变为 JobGraph,最终提交给 JM:

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在改动之前,每次接受一个 query 时会启动一个新的 JVM 进程来进行作业的编译。其中 JVM 的启动、Class 的加载、代码的动态编译 ( 如 Optimizer 模块由于需要通过 Janino 动态编译进行 cost 计算 ) 等操作都非常耗时 ( 需要约3~5s )。因此,我们将客户端进行服务化,将整个 Client 做成 Service,当接收到用户的 query 时,无需重复各项加载工作,可将延时降低至 100ms 左右。

  • 自定义 CollectionTableSink
    Flink 新场景:OLAP 引擎性能优化及应用案例

这部分优化,源于 OLAP 的一个特性:OLAP 会将最终计算结果发给客户端,通过JobManager 转发给 Client。假如某个 query 的结果数据量很大,会让 JobManager OOM ( OutOfMemory );如果同时执行多个 query,也会相互影响。

因此,我们从新实现了一个 CollectionTableSink,限制数据的条数和数据大小,避免出现 OOM,保证多个 Query 同时运行时的稳定性。

  • 调度优化

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在 Batch 模式下的调度存在以下问题:

  • 使用 Lazy_from_sources 模式调度,会导致整体运行时间较长,也可能造成死锁。
  • RM ( Resource Manager ) 按 OnDemand 方式分配 Slot 需求,也会造成死锁。
  • RM 以单线程同步模式向 TM ( Transaction Manager ) 分配 Slot 请求,会造成等待时间更长。

注:调度死锁是指在资源有限的情况下,多个 Job 同时运行时,如果多个 Job都只申请到了部分资源并没有剩余资源可以申请,导致 Job 没法继续执行,新的 Job 也没法提交。

针对上述问题,我们提出了以下几点改动:

  • 采用 Eager 调度模式 ( 确保所有的资源都申请到后才开始运行 )。
  • 使用 FIFO ( 先进先出队 ) 模式申请资源 ( 确保当前 Job 的资源分配结束后才开始下一个 Job 的资源分配 )。
  • 将单线程同步模式改为多线程异步模式,减少任务启动时间和执行时间。

■ 针对 source 的优化

在 ROLAP 的执行场景中,所有数据都是通过扫描原始数据表后进行处理;因此,基于 Source 的读取性能非常关键,直接影响 Job 的执行效率。

  • Project&Filter 下堆

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像 Parquet 这类的列存文件格式,支持按需读取相所需列,同时支持 RowGroup 级别的过滤。利用该特性,可以将 Project 和 Filter 下推到 TableSource,从而只需要扫描 Query 中涉及的字段和满足条件的 RowGroup,大大提升读取效率。

  • Aggregate 下堆

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这个优化也是充分利用了 TableSource 的特性:例如 Parquet 文件的 metadata 中已经存储了每个 RowGroup 的统计信息 ( 如 max、min等 ),因此在做 max、min 这类聚合统计时,可直接读取 metadata 信息,而不需要先读取所有原始数据再计算。

■ 在没有统计信息场景下做的优化

  • 消除 CrossJoin

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CrossJoin 是没有任何 Join 条件,将 Join 的两张表的数据做笛卡尔积,导致 Join 的结果膨胀非常厉害,这类 Join 应该尽量避免。我们对含有 CrossJoin 的 Plan 进行改写:将有 join 条件的表格先做 join ( 通常会因为一些数据 Join 不上而减少数据 ),从而提高执行效率。这是一个确定性的改写,即使在没有统计信息的情况下,也可以使用该优化。

  • 自适应的 Local Aggregate

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通常情况下,两阶段的 Aggregate 是非常高效的,因为 LocalAggregate 能聚合大量数据,导致 Shuffle 的数据量会变少。但是当 LocalAggregate 的聚合度很低的时候, Local 聚合操作的意义不大,反而会浪费 CPU。

在没有任何统计信息的情况下,优化器没法决定是否要产生 LocalAggregate 算子;因此,我们采用运行时采样的方式来判断聚合度,如果聚合度低于设定的阈值,我们将关闭聚合操作,改为仅做数据转发;经我们测试,部分场景有 30% 的性能提升。

4.测试结果

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上图是 Flink 和 Presto基于 1T 数据做的 SSB ( Star Schema Benchmark ) 测试,从图中可以看出 Flink 和 Presto 整体上不相上下,甚至有些 Query Flink 性能优于Presto。

注:Flink OLAP 从开始到嘉宾分享时,只有3个月时间。

案例介绍

1.Flink OLAP 在数据探查上的应用

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上图描述了一个数据湖应用的完整架构,Flink OLAP 主要用于"数据探查"。

数据探查是对数据结构做智能判断,给出数据的探查结果,快速了解数据的信息和质量情况。即用户可以在管控平台上了解数据湖中任意一份数据的数据特性。用户通过 Web 交互操作选择相应的表和指标后立即展示相关结果指标,因此要求低延迟、实时反馈。而且数据湖中很多数据没有任何统计信息;前述的各种查询、聚合层面的优化,主要为这类场景服务。

2.整体架构

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上图是这类应用的整体架构。整套服务托管到 Kubernetes 上,最终访问的数据是OSS。

未来计划

当前,Flink OLAP 引擎性能优化及应用主要是基于内部 Flink,后续工作主要分为以下三块:

  1. 推回社区:目前所有工作都是基于内部 Flink,希望推回社区;
  2. 资源隔离:后期很多功能的开发和优化会围绕多 Query 运行时的"资源隔离";
  3. 优化&性能:围绕 OLAP 的特性,在此场景下会进一步做优化和性能提升等方面的工作。