ClickHouse在B站直播公会业务分析场景的应用实践

本期作者

1 业务背景

什么是直播公会

直播公会是指从事网络直播表演的组织、制作、营销等经营活动和主播的签约、推广、代理等经纪活动的机构。

B站为外部公会提供了主播全生命周期的管理系统，包含主播的入退会管理、主播营收数据分析、主播开播看播数据分析、直播监控、营收账单结算等功能子模块。

同时为了鼓励、引导外部公会有针对性的对潜力主播进行孵化扶持，公会系统协同B站内部多业务方，提供一系列业务激励、流量策略，满足公会日常运营需求。

公会业务对于数据查询场景分析

数据场景

公会系统主要的服务对象是外部公会运营人员，在日常公会运营工作中，通常关注以下数据：

• 主播日维度准实时营收数据
• 主播日维度准实时看播数据
• 主播日维度准实时垂直业务数据
• 公会日维度准实时营收数据
• 主播T+1任务进度
• 主播T+1月、年维度营收数据
• 主播T+1月、年维度看播数据
• 主播T+1月、年维度垂直业务数据
• 公会月、年维度准实时营收数据

且对数据更新频率敏感，通常需要准实时的数据进行观测。

查询数据量预估

截至2023年12月，B站公会主播量级为百万级，为满足各项业务数据查询需求，公会侧存储日粒度的主播业务数据，日均数据在百万级。

• 主播维度年度数据聚合：

预估数据量：1*365 = 365

• 公会维度日、周、月、年度数据聚合（以最大公会主播数据量级20万记）：

预估数据量：

日- 200000

周-200000 * 7 = 1,400,000

月-200000 * 30 = 6,000,000

年-200000 * 365 = 73,000,000

2 技术方案选型/演进

数据方案选型：从MySQL到ClickHouse

MySQL数据查询压力

基于上述"查询数据量预估"，在索引设计合理的情况下，公会维度数据按月聚合已需要扫描至少6,000,000行数据。

按照数据库配置4核8G，此时查询平均时间已达到20s+水平，无法满足业务要求。

MySQL数据存储压力

在公会主播百万级数据压力下，存储一年必要的热数据为：

1000000 * 365 = 365,000,000

虽然可通过分库分表等方式缓解数据存储压力，但是在实际的查询场景中，分库分表存在着天然的数据查询硬伤，无法灵活的满足OLAP需求。

数据查询QPS分析

对公会数据查询接口进行流量分析，需要查询准实时全量公会数据的QPS最高不超过20，通过梳理业务场景，针对大公会进行数据分流，即使未来公会业务大力发展，任然可以将接口整体QPS控制在50以下。

难点

按照公会实际情况，主播与经纪人1：N关系，经纪人与其所属管理员1：N关系，并且经纪人、管理员进行数据查询时需要进行数据隔离，因此无法对汇总数据进行缓存或提前计算等操作。

基于上述特性，数据量大、单次查询扫描行数多、查询QPS可控、数据频繁更新，选择ClickHouse作为数据处理工具支撑公会业务。

技术方案演进：业务场景流量隔离，OLAP业务重构数据链路

流量隔离

通过梳理业务场景，将数据查询分为以下三类：

• 外部公会后台准实时查询长时间跨度公会维度数据概览

此场景下，需要实时汇总登录用户权限范围内的数据概览，无法进行数据预热的同时需要进行大量数据计算。

• 外部公会后台查询主播详细数据

仅需查询单主播数据，需要扫描的数据行数可控。

• T+1脚本查询数据计算任务进度

通过定时任务，T+1计算主播维度、公会维度任务进度，查询姿势可控、筛选条件较少，但QPS较高。

公会服务通过查询特性，将主播维度、短时间跨度、查询简单但QPS高的业务通过MySQL业务宽表进行支撑；将经纪人、管理员、公会维度等需要扫描大量数据的业务通过ClickHouse支持。

针对ClickHouse特性进行全局流量管控

• 公会数据异步导出中心

针对ClickHouse支持QPS较低的问题，公会服务针对数据导出场景进行全局限流，限制同时数据导出任务数量，控制导出任务查询频率等方式，支持公会大数据量场景下的数据导出功能。

3 ClickHouse表设计与优化

如上文所述，我们运用ClickHouse支持直播公会场景的大数据量分析查询，同时需要ClickHouse支持数据更新写入（UPSERT）的功能。最初，我们采用ClickHouse的ReplacingMergeTree表引擎，借助其继承的MergeTree表引擎能力和去重特性，来支持数据的查询和更新。

针对直播公会场景的更新需求、数据查询模式、数据过滤方式以及数据量规模等场景特征，我们的ClickHouse表采用了以下技术设计：

• 设置去重键(record_date, uid)为主键索引和sharding key，设置mtime为版本，利用ReplacingMergeTree的合并机制和final修饰词，来完成实时更新。
• 按月分区(substring(record_date, 1, 6))，减少文件的数量，降低查询的IO寻址消耗。
• 使用复制表，增强数据可靠性。
• 使用冷热存储策略，冷热数据使用不同存储介质，提升热数据的读写性能。

ReplacingMergeTree引擎的建表语句示例：

CREATE TABLE bili_live.ads_guild
(
`id` Int64,
`uid` Int64,
`guild_id` Int64,
`record_date` String,
`mtime` DateTime,
...
)
ENGINE = ReplicatedReplacingMergeTree('/clickhouse/tables/{layer}-{shard}/bili_live/ads_guild', '{replica}', mtime)
PARTITION BY substring(record_date, 1, 6)
ORDER BY (record_date, uid)
TTL ...
SETTINGS index_granularity = 8192, storage_policy = 'hot_and_cold'

ReplacingMergeTree会使用primary key(默认为order by键)做排序，并根据指定的version字段（上面SQL中的mtime字段）做去重，每个key只保留最新的那条数据。

ReplacingMergeTree的问题

ReplacingMergeTree表引擎虽然支持了数据更新，但由于受限于其实现原理，ReplacingMergeTree存在以下问题：

• 基于Merge-On-Read机制实现数据更新，使用单线程做数据合并，效率低。
• 主键索引设置不够灵活，去重键必须和索引键保持一致，去重键不一定是业务常用的过滤字段，限制了主键索引的作用。
• final修饰词导致无法使用跳数索引做数据过滤。
• final修饰词导致无法使用prewhere的优化。

以上问题的存在使得ReplacingMergeTree表在查询时数据过滤效果不佳，并发度不够，最终导致查询性能受限，查询延迟不能很好地满足业务需求。

Unique Engine

为了解决ReplacingMergeTree的上述问题，我们新增了一款Unique Engine表引擎，主要思路是在写入过程中通过标记删除(Delete-On-Insert)完成更新操作。下面我们比较一下ReplacingMergeTree引擎和Unique Engine引擎的查询执行模式，看看为什么Unique Engine引擎在查询性能方面更优。

从上图可以看到，ReplacingMergeTree虽然也是多线程读取数据，但由于要实现相同key数据的去重（仅保留最新version的数据），最终需要在单线程中完成数据合并，这样就会影响查询性能，增加了查询延迟。而Unique Engine的数据读取和去重都是多线程并发完成的，不存在单线程合并的环节。

UniqueEngine引擎的建表语句示例：

CREATE TABLE bili_live.ads_guild
(
  `id` Int64,
  `uid` Int64,
  `guild_id` Int64,
  `record_date` String,
  `mtime` DateTime,    
  ...  
  INDEX id_idx id TYPE bloom_filter(0.025) GRANULARITY 1,    
  INDEX uid_idx uid TYPE bloom_filter(0.025) GRANULARITY 1
)
ENGINE = ReplicatedUniqueMergeTree('/clickhouse/tables/{layer}-{shard}/bili_live/ads_guild', '{replica}', mtime)
PARTITION BY substring(record_date, 1, 6)
ORDER BY (record_date, guild_id)
UNIQUE KEY (record_date, uid)
TTL ...
SETTINGS index_granularity = 8192, storage_policy = 'hot_and_cold', enable_unique_key_bucket = 1, unique_key_deduplicate_level = 1, unique_key_index_type = 1

从建表SQL可以看到，我们增加了一个unique key，数据会基于unique key做去重，每个key仅保留version（上面SQL中的mtime字段）最新的那条数据。

除了查询执行模式上的优势，Unique Engine同时解决了上文提到的ReplacingMergeTree的几个问题：

• 拆分去重键和主键索引：设置(record_date, guild_id)为主键索引，以便使用主键索引做过滤。

• 添加跳数索引：由于查询不再需要添加final修饰词，所以能够利用跳数索引跳过不需要扫描的数据。

• prewhere优化：由于查询不再需要添加final修饰词，所以能够利用prewhere优化减少需要读取的数据量。

4 Unique Engine设计原理与实现

上一节我们阐述了如何通过引入Unique Engine引擎解决ReplacingMergeTree引擎的问题，下面我们将详细介绍Unique Engine的原理与实现。

针对分析型场景支持数据更新这一问题，行业内常见的设计思路有两种：Merge-On-Read和Delete-On-Insert。例如，HBase和ClickHouse的ReplacingMergeTree就是在查询过程中通过Merge-On-Read做数据更新；而StarRocks和ByConity则都是通过Delete-On-Insert在写入过程中做标记删除。

由于在我们大部分有更新需求的场景下，数据量都相对较小，对数据写入的延迟要求较低），而对数据查询延迟的要求比较高，所以经过详细评估后，我们采用了Delete-On-Insert的设计思路。

方案设计

为了支持Delete-On-Insert机制，我们在ClickHouse data part内部新增了三种数据结构：

• unique key minmax index：用于存储unique key的最大值和最小值，通过极值判断快速跳过不需要扫描的data part。
• unique key index：用于存储所有unique key的唯一值，并进行了hash分桶，以加快其加载的速度。
• delete bitmap：用于标记data part内部删除的数据，记录其对应的行号。

在写入过程中，扫描历史数据，并依次检查unique key minmax index和unique key index，如果发现历史数据的data part中有相同的unique key，且未被删除，则在delete bitmap中记录其行号，标记删除。在查询和合并的过程中，依赖delete bitmap过滤删除数据，避免了merge on read单线程做合并的问题。

对于unique key index，我们支持了map、unordered_map、StringHashMap三种类型，其中unordered_map占用内存相对较小，但在常驻内存的模式下，如果unique key的数量非常多的话，还是会占用很大的内存，影响业务的正常查询，所以我们场景中使用的是非常驻内存模式。

由于data part内部的行号是递增数值类型，所以非常适合使用bitmap类型来存储删除的行号，这样不仅占用空间小，检索速度还非常快。

写入合并冲突

写入和合并是两条独立的链路，它们是很有可能同时发生的。在合并期间进行写入操作，如果合并未感知到写入的标记删除，就会引发冲突，造成数据重复的问题。

如图所示，在part_1_1_0和part_2_2_0合并的过程中，写入了part_3_3_0，虽然part_3_3_0已经标记了part_1_1_0中的unique key 'jack'需要删除，但由于merge任务在标记删除之前，已经完成了对part_1_1_0的读取，所以导致最后的结果中，出现了重复的数据。

为了解决这个冲突，我们采用了cas原子性变更part状态+commit lock的方案，以保证幂等性更新。在写入过程中，如果发现历史part正处于合并中，会对历史part做两份标记，一份是part级别，另一份是table级别，part级别是为了实时读取的准确性，table级别是为了最终的数据去重。

再回到刚才的问题，part_3_3_0在写入的过程中，发现part_1_1_0正在合并，则会对part_1_1_0做两份标记，part级别和table级别都会记录unique key 'jack'的删除信息。当part_1_1_0和part_2_2_0合并到临时文件后，在提交的时候，会发现table级别有关于part_1_1_0的标记信息，则会对unique key 'jack'做最后的删除，保证了数据去重。

去重加速

并行比较

在写入过程中，新写入的data part需要与历史data part进行比较，以筛选出并标记需删除的数据。传统的串行比较方法效率低，影响了写入性能。为了提高写入效率，我们将历史数据部分进行分组，并采用多线程并行比较的方式，以此来提升数据写入的速度。

Hash分桶

unique key index是行级索引，占用存储空间较大。如果unique key index常驻内存，则内存消耗过大，在我们的实际场景中不可行；而如果unique key index非常驻内存，则每次写入在做去重前都需要将unique key index加载进内存。为了减少每次写入需要加载的unique key index数据量，我们对Unique index进行了hash分桶，每次写入时仅加载可能与写入数据重复的分桶，从而提升整体写入性能。

综上所述，我们通过并行比较和unique key index分桶加载的方式实现unique key的去重，从而在内存占用和写入速度之间达到一个平衡，以保障幂等性写入。

复制表副本去重

为使用ClickHouse副本特性(比如备份数据，同时提供读写能力等)，我们支持了Unique Engine的副本功能。Unique Engine会对历史的data part进行实时更新，所以副本之间是需要同步更新的信息，为降低对zookeeper的影响，目前采用的是副本二次去重，即拉取的data part会与历史的data part重新进行比较，以保证幂等性写入。同为shard的两个副本节点，为保证两个副本的数据一致性，只能由一个节点完成合并，另一个节点只能去拉取合并后的data part。

重复数据的过滤

ClickHouse内部的过滤筛选是通过bit column实现的，1代表满足筛选条件，0代表不满足。ClickHouse的prewhere过滤结果就是通过bit column表示的。delete bitmap的作用是过滤掉已删除的数据，因此在进行数据过滤时，我们将delete bitmap转换成为bit column进行过滤。

对于存在prewhere的查询，我们将delete bitmap bit列与prewhere bit列进行交集操作，这样不仅能够过滤无效的数据，还可以结合prewhere的能力，提升整体的查询性能。对于不存在prewhere的查询和合并，则直接依赖于delete bitmap的bit column进行过滤，获取有效的数据集。

5 Unique Engine 在直播公会 场景的 落地效果

查询性能对比

上图是七种业务查询在不同表引擎下的耗时对比图，如图所示，受益于Unique Engine的特性(灵活的主键索引、不受final限制的跳数索引等)，查询性能均得到大幅提升，整体提升了大约10x~20x。

使用ReplacingMergeTree表引擎，部分查询延迟无法保证在亚秒内，而且日均扫描数据量达60TB+。

使用UniqueMergeTree表引擎，最大耗时可以保证在亚秒内，p90查询性能提升了5x，日均扫描数据量减少了6x，集群资源节省了50%。

写入性能对比

在写入方面，使用UniqueMergeTree表引擎后，相较于ReplacingMergeTree表引擎有10x的性能损耗，而且去重比较的历史数据量越大，去重性能越差。

针对MySQL2ClickHouse的数据写入场景，由于整体数据量相对较小，大多数都在千万级别以内。在我们的场景中，写入带来资源消耗比较小，平均写入延迟依然在亚秒级别。

6 Unique Engine写入性能优化方案

如上文所述，虽然我们做了各种优化（如并发比较，hash分桶），但Unique Engine相较ReplacingMergeTree仍然有10+倍的写入性能下降。因此，在Unique Engine落地直播公会场景后，我们对unique engine写入性能优化做了进一步的探索。通过做写入性能分析，我们发现性能瓶颈主要在两个地方：一个是unique key index的加载；另一个是unique key的比较。

unique key index的加载：就是将unique key index从磁盘反序列化到内存中。虽然使用了hash分桶，但在某些写入场景下，hash后的key比较离散，导致几乎每次都需要把data part中的所有unique key加载到内存中。

unique key的比较：就是比较新写入的data part和历史的data part的unique key。新写入的所有keys都需要和历史存在的所有keys比较。比如，新写入的data part有10个unique key，那么意味着需要比较4 * 10 * 10 = 400次。当写入数据或历史数据较多时，key的比较次数巨大，从而影响整体写入性能。

围绕上述写入性能瓶颈，我们对Unique Engine的写入做了进一步优化。主要思路是将unique key存储到LevelDB，在数据写入时，对新写入的数据做排序后构建有序key iterator，同时对LevelDB中的历史数据也构建有序key iterator，然后对两个有序key iterators做顺序比较，利用LevelDB索引跳过不需比较的数据。这样不仅可以借助LevelDB的特性(如有序性，索引、block)缩小unique key的加载范围，减少无效的加载，还可以减少unique key的比较次数，从而大幅提升写入性能。

我们实现了上述写入优化，经测试验证，上述优化可将写入延迟降低数倍，性能提升效果如下：

另外，优化前Unique Engine写入耗时与历史数据成正比，而优化后的版本由于利用LevelDB的索引跳过无需比较的数据，所以写入性能大体上是和新写入的数据量成正比的，所以在线上数据量较大的场景下，性能提升效果会更为明显。

7 下一步的工作

LevelDB Unique Key Index全覆盖

目前线上运行的大部分Unique Engine场景使用的还是Map类型的Unique Key Index，我们将推进LevelDB Unique Key Index的全覆盖，从而大幅提升ClickHouse更新场景的写入性能。

接入链路优化

目前MySQL到ClickHouse的写入链路较长，需要经过Canal，Kafka，Flink等组件才能最终写入到ClickHouse，不仅增加了数据链路的复杂性和运维成本，同时也使得用户的业务接入门槛较高，阻碍了业务场景的拓展。我们计划采用Flink CDC，配合上层接入服务支持，实现MySQL到ClickHouse数据同步链路的一站式构建配置，降低业务接入门槛，进而拓展更多业务场景。