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1、MPP 架构基础概念

MPP(Massively Parallel Processing 大规模并行处理) 是一种分布式计算架构，专门设计用来高效处理大规模数据集。在这种架构下*，数据库被分割成多个部分，每个部分可以在不同的服务器节点上并行处理*。这意味着，当执行一个查询时，它可以被分解为许多小的任务，并且这些任务可以同时在多个节点上运行，从而极大地提高查询性能和系统的整体吞吐量。

MPP（大规模并行处理）是一种分布式计算架构，其核心特点是：
（1）、共享无（Share-Nothing）：每个节点独立存储和计算，节点间通过网络通信，无共享资源（如内存或磁盘）。
（2）、分布式并行计算：数据分片存储在多个节点上，查询时各节点并行处理自己的数据分片，最终合并结果。
（3）、高扩展性：通过增加节点数线性提升计算和存储能力。

ClickHouse的MPP架构是其高性能查询的核心支撑，尤其适用于OLAP场景（如大数据分析、实时报表等）。

2、ClickHouse 的 MPP 架构设计

（1）、核心组件

ClickHouse的MPP架构主要由以下组件构成：

说明：

• 协调节点
  协调节点（Coordinator）也称为查询发起节点，是客户端连接并提交查询请求的地方。这个节点负责解析查询、制定执行计划，并将执行任务分配给相关的数据节点。此外，它还负责收集来自各个数据节点的中间结果，并对它们进行整合以生成最终的查询结果返回给客户端。

• 数据节点
  实际存储数据并执行由协调节点分配的任务的节点。每个数据节点都包含一部分完整的数据集，并能够独立地执行查询任务。这种设计使得查询可以并行执行，从而提高查询性能。

（2）、ClickHouse中的分片机制

在ClickHouse中，数据通常会根据一定的规则被分割成多个部分，每部分被称为一个“分片”。分片可以跨多个服务器部署，这有助于扩展系统容量以及提升查询处理速度。

• 每个分片都可以配置为独立运行，即所有副本都是平等的，没有明确的领导者或跟随者之分。
• 在某些高可用性配置中，可能会采用类似主备（Primary-Secondary）的复制方案，其中有一个主要副本（可以视为leader）负责写操作，而其他副本同步该主要副本的数据。然而，读操作可以从任意副本执行，以此提供负载均衡和故障转移能力。
• 在ClickHouse中，分片并不严格遵循leader-follower结构，而是依赖于具体的配置和需求。这种灵活性允许用户根据自己的应用场景选择最合适的部署方式。对于需要高可用性的场景，可以通过设置多副本和适当的复制策略来实现。而对于追求极致性能的应用，则可以考虑通过增加分片数量来横向扩展系统。

（3）、数据分片与分布

• 分片策略：
  数据按规则（如哈希、范围）分发到不同分片，常见策略包括：
  • 哈希分片：cityHash64(column) 将数据均匀分布到分片。
  • 范围分片：按时间或数值范围划分数据（如按年分区）。
• 副本机制：
  每个分片有多个副本（如 3 副本），通过 ZooKeeper 管理元数据和故障转移。

3、查询执行流程

以下是 ClickHouse 分布式查询的典型执行流程：

（1）、查询解析与优化

• 协调节点（Coordinator）解析 SQL，生成逻辑执行计划。
• 根据分布式表的元数据，确定参与计算的分片。

（2）、分布式执行

• 协调节点将查询计划分发到各个分片节点。
• 分片节点并行计算：每个节点独立处理本地数据，执行扫描、过滤、聚合等操作。
• 数据交换（Data Shuffling）：若需要跨分片聚合（如 GLOBAL IN PROGRESS），数据通过网络传输。

（3）、结果合并

• 协调节点收集各分片的中间结果，进行最终聚合或排序。
• 返回最终结果给客户端。

（4）、核心特性

4、MPP 架构的优势

（1）、高性能查询

• 并行计算：数据分片并行处理，线性提升计算能力。
• 向量化执行：通过 SIMD 指令并行处理数据块（如 4-8 行同时计算）。
• 列式存储：减少 I/O，加速过滤和聚合操作。

（2）、水平扩展

• 弹性扩容：通过增加分片或副本，线性提升存储和计算能力。
• 动态分片：支持在线添加节点，无需停机。

（3）、高可用性

• 副本容错：副本节点故障时自动切换，保证服务连续性。
• 数据冗余：副本存储相同数据，避免单点故障。

（4）、低延迟

• 分布式计算：减少单节点负载，避免资源争用。
• 本地计算：数据存储与计算在同一节点，减少网络延迟。

5、MPP 架构的典型应用场景

（1）、大数据分析

• 场景：分析 PB 级日志数据（如用户行为、点击流）。
• 示例：

  -- 查询过去一年各地区的销售额SELECT region, SUM(sales) FROM distributed_sales_table WHERE date BETWEEN '2023-01-01' AND '2023-12-31' GROUP BY region;

• 优势：分片并行计算，秒级返回结果。

（2）、实时报表

• 场景：实时生成业务报表（如广告投放效果、用户活跃度）。
• 示例：

  -- 实时统计当前小时的用户登录次数SELECT COUNT(*) FROM distributed_login_events WHERE event_time >= NOW() - INTERVAL 1 HOUR;

（3）、复杂聚合查询

• 场景：多维度聚合（如按时间、地域、产品分类统计）。
• 示例：

  -- 按天、地区、产品分类统计销售额SELECT date, region, product_category, SUM(sales) FROM distributed_sales GROUP BY date, region, product_category;

6、MPP 架构的实现细节

（1）、分布式表（Distributed Table）

• 定义：通过 Distributed 引擎创建逻辑表，指向分片的本地表。
  sql示例：

  CREATE TABLE distributed_table (id UInt64,name String,create_time DateTime) ENGINE = Distributed('cluster_name', 'local_database', 'local_table', rand());
- 参数说明：  - cluster_name：集群名称。  - local_database：本地数据库名。  - local_table：本地表名。  - rand()：分片键（如随机分片）。

（2）、分片与副本配置

• 分片配置示例：
  sql示例：

  -- 创建分片和副本（通过 ZooKeeper 管理）CREATE CLUSTER company_cluster LOCAL(shard 1,'192.168.1.100:9000')AS company_replica1;CREATE CLUSTER company_cluster shard 1(replica 1,'192.168.1.100:9000');

（3）、查询优化技巧

• 分区裁剪（Partition Pruning）：
  通过 PARTITION BY 定义分区，查询时自动过滤无关分区。
  sql示例：

  CREATE TABLE sales (id UInt64,amount Float64,create_time DateTime) ENGINE = MergeTree()PARTITION BY toYYYYMM(create_time)ORDER BY id;

• 预聚合（Aggregation Pushdown）：
  在分片内完成部分聚合，减少数据传输量。
  sql示例：

  SELECT region, SUM(sales) FROM distributed_sales GROUP BY region SETTINGS distributed_aggregation = 1;

7、MPP 架构的局限性

（1）、复杂 JOIN 的限制

• 跨分片的 JOIN 需要全表数据传输，可能产生性能瓶颈。
• 建议通过预处理或物化视图优化。

（2）、数据一致性延迟

• 分布式事务仅保证最终一致性，不支持跨分片 ACID 事务。

（3）、配置复杂度

• 需要合理设计分片键，避免数据倾斜（如哈希分片键选择不当）。

8、总结

ClickHouse 的 MPP 架构 通过分布式并行计算、列式存储和向量化执行，实现了 “亿级数据秒级响应” 的性能。其核心优势在于：

• 高性能：适合海量数据的分析型查询。
• 高扩展：通过分片和副本轻松扩展存储和计算能力。
• 易用性：通过 SQL 接口和分布式表透明化分布式计算。

在实际应用中，合理设计分片策略、利用分区裁剪和预聚合，可以最大化 MPP 架构的性能优势。对于需要处理 PB 级数据的 OLAP 场景（如日志分析、实时报表），ClickHouse 是一个极具竞争力的选择。

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