騰訊面試:請?jiān)敿?xì)描述 Paimon 如何基于 LSM 樹實(shí)現(xiàn)高吞吐寫入和高效查詢?
在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與高效存儲(chǔ)一直是業(yè)界追求的目標(biāo)。Apache Paimon(原Flink Table Store)作為新一代流批一體數(shù)據(jù)湖存儲(chǔ)系統(tǒng),創(chuàng)新性地將LSM樹(Log-Structured Merge Tree)與湖倉架構(gòu)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了高吞吐寫入與高效查詢的平衡。
本文將深入剖析Paimon如何基于LSM樹結(jié)構(gòu),通過內(nèi)存優(yōu)化、分層存儲(chǔ)、智能合并等技術(shù),在保證寫入性能的同時(shí)提升查詢效率,并結(jié)合最新版本特性與生產(chǎn)實(shí)踐案例,全面展示其技術(shù)優(yōu)勢。
一、LSM樹基本原理
LSM樹是一種專為寫密集型應(yīng)用設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其核心思想是將隨機(jī)寫轉(zhuǎn)化為順序?qū)?,通過犧牲部分讀性能來換取極高的寫入吞吐量。傳統(tǒng)LSM樹由以下組件構(gòu)成:
- MemTable:內(nèi)存中的有序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(通常為跳表或平衡樹),用于接收實(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)。
- Immutable MemTable:當(dāng)MemTable達(dá)到閾值后轉(zhuǎn)為只讀狀態(tài),等待刷寫到磁盤。
- SSTable(Sorted String Table):磁盤上的有序文件,存儲(chǔ)Immutable MemTable刷寫的數(shù)據(jù)。
- Compaction:后臺(tái)合并SSTable的過程,用于減少文件數(shù)量、消除冗余數(shù)據(jù),維持查詢性能。
LSM樹的寫入流程遵循"先內(nèi)存后磁盤"的策略:數(shù)據(jù)首先追加到MemTable,當(dāng)達(dá)到容量閾值后,異步刷寫到磁盤形成SSTable。查詢時(shí)需合并多個(gè)SSTable中的數(shù)據(jù),可能導(dǎo)致讀放大。為平衡讀寫性能,LSM樹通過Compaction將小文件合并為大文件,并按層級組織(如Leveled LSM),減少查詢時(shí)需訪問的文件數(shù)量。
二、Paimon架構(gòu)與LSM樹集成
Paimon在LSM樹基礎(chǔ)上進(jìn)行了架構(gòu)創(chuàng)新,結(jié)合數(shù)據(jù)湖特性,形成了獨(dú)特的分層存儲(chǔ)+分桶管理設(shè)計(jì)。其核心架構(gòu)如下:
1. 表結(jié)構(gòu)與文件布局
Paimon表分為主鍵表(支持更新/刪除)和追加表(僅插入),其中主鍵表采用LSM樹作為底層存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。文件布局包括:
- 快照文件(Snapshot Files):記錄表在某一時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài),包含Schema信息和Manifest列表。
- 清單文件(Manifest Files):維護(hù)數(shù)據(jù)文件的元信息(如主鍵范圍、字段統(tǒng)計(jì)值),支持?jǐn)?shù)據(jù)跳過(Data Skipping)。
- 數(shù)據(jù)文件(Data Files):按分區(qū)和桶(Bucket)組織,每個(gè)桶對應(yīng)一棵獨(dú)立的LSM樹,存儲(chǔ)Parquet/ORC列式文件。
2. 分桶與動(dòng)態(tài)擴(kuò)展
Paimon引入桶(Bucket) 作為最小讀寫單元,每個(gè)桶獨(dú)立維護(hù)LSM樹,支持并行讀寫。桶的數(shù)量可通過以下方式配置:
- 固定桶模式:bucket = '16',通過哈希函數(shù)將數(shù)據(jù)分配到固定數(shù)量的桶。
- 動(dòng)態(tài)桶模式:bucket = '-1'(0.8.0+默認(rèn)),根據(jù)數(shù)據(jù)量自動(dòng)擴(kuò)展桶數(shù)量,避免小文件問題。
動(dòng)態(tài)桶模式通過維護(hù)鍵到桶的映射索引,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)均衡分布,特別適合數(shù)據(jù)傾斜場景。例如,小米在實(shí)踐中通過動(dòng)態(tài)桶將存儲(chǔ)成本降低40%,同時(shí)提升寫入并行度。
三、高吞吐寫入的實(shí)現(xiàn)機(jī)制
Paimon基于LSM樹的寫入優(yōu)化體現(xiàn)在內(nèi)存管理、持久化策略和異步合并三個(gè)層面,實(shí)現(xiàn)了每秒數(shù)十萬條記錄的寫入性能。
1. 內(nèi)存寫入優(yōu)化
- 無鎖內(nèi)存緩沖區(qū):數(shù)據(jù)寫入時(shí)首先追加到內(nèi)存中的SortBuffer,采用無序追加+批量排序策略,避免實(shí)時(shí)維護(hù)有序結(jié)構(gòu)的開銷。
- 可溢寫緩沖區(qū):通過write-buffer-spillable = 'true'允許內(nèi)存不足時(shí)將數(shù)據(jù)臨時(shí)寫入本地磁盤,避免OOM。
- 批處理寫入:結(jié)合Flink Checkpoint機(jī)制,在Checkpoint時(shí)批量將內(nèi)存數(shù)據(jù)刷寫到遠(yuǎn)程存儲(chǔ)(如HDFS/OSS),減少遠(yuǎn)程I/O次數(shù)。
示例配置:
CREATETABLE user_behavior (
user_id BIGINT,
item_id BIGINT,
PRIMARYKEY(user_id, item_id)NOT ENFORCED
)WITH(
'write-buffer-size'='64MB',-- 內(nèi)存緩沖區(qū)大小
'write-buffer-spillable'='true',-- 啟用溢寫
'dynamic-bucket.target-row-num'='1000000'-- 動(dòng)態(tài)桶目標(biāo)行數(shù)
);
2. 持久化與一致性保障
Paimon摒棄了傳統(tǒng)LSM樹的WAL(Write-Ahead Log)機(jī)制,轉(zhuǎn)而依賴Flink Checkpoint實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性:
- 兩階段提交:寫入器通過Checkpoint觸發(fā)數(shù)據(jù)刷寫,生成快照文件,確保原子性提交。
- 元數(shù)據(jù)異步更新:Manifest文件的更新與數(shù)據(jù)文件寫入分離,減少寫入阻塞。
這種設(shè)計(jì)將寫入路徑的I/O開銷降低60%以上。根據(jù)同程旅行的測試數(shù)據(jù),Paimon在寫入5億條記錄時(shí),吞吐量達(dá)到Hudi的3倍,且內(nèi)存占用降低50%。
3. 異步Compaction策略
Compaction是LSM樹的核心,但傳統(tǒng)同步合并會(huì)阻塞寫入。Paimon通過分層Compaction和異步執(zhí)行優(yōu)化:
- MOR(Merge-On-Read):默認(rèn)模式,寫入時(shí)僅生成L0層文件,讀取時(shí)合并,適合寫密集場景。
- COW(Copy-On-Write):寫入時(shí)同步合并,生成不可變文件,查詢性能最優(yōu)但寫入成本高。
- MOW(Merge-On-Write with Deletion Vectors):0.8.0引入的混合模式,通過標(biāo)記刪除行(而非重寫文件)平衡讀寫性能。
Compaction觸發(fā)策略:
- 數(shù)量閾值:當(dāng)Sorted Runs數(shù)量達(dá)到num-sorted-run.compaction-trigger(默認(rèn)5)時(shí)觸發(fā)。
- 大小閾值:當(dāng)較新層文件總大小超過最舊層2倍時(shí)觸發(fā)Full Compaction。
四、高效查詢的優(yōu)化技術(shù)
Paimon通過索引、數(shù)據(jù)跳過、列式存儲(chǔ)等技術(shù),解決LSM樹讀放大問題,實(shí)現(xiàn)毫秒級點(diǎn)查和高效分析查詢。
1. Deletion Vectors:近實(shí)時(shí)更新與查詢加速
Deletion Vectors(刪除向量)是Paimon 0.8.0引入的核心特性,通過標(biāo)記刪除行而非重寫文件,避免讀時(shí)合并開銷:
- 原理:刪除操作僅在Deletion File中記錄被刪行的位置(如Parquet文件的RowGroup和偏移量),查詢時(shí)直接過濾。
- 性能提升:StarRocks集成測試顯示,啟用Deletion Vectors后查詢性能提升3-10倍,尤其適合寬表場景。
啟用方式:
CREATETABLE orders (
order_id BIGINTPRIMARYKEYNOT ENFORCED,
order_state INT
)WITH(
'deletion-vectors.enabled'='true',
'changelog-producer'='lookup'-- 需配合lookup模式
);
2. 多級索引體系
Paimon構(gòu)建了文件級+字段級的索引體系,大幅減少掃描范圍:
- 布隆過濾器(Bloom Filter):對高頻查詢字段(如用戶ID)創(chuàng)建布隆過濾器,快速判斷記錄是否存在于文件中。
CREATETABLE user_behavior (
user_id BIGINT,
item_id BIGINT,
PRIMARYKEY(user_id, item_id)NOT ENFORCED
)WITH(
'file-index.bloom-filter.columns'='user_id,item_id',
'file-index.bloom-filter.user_id.fpp'='0.01'-- 誤判率
);
- Min-Max索引:在Manifest文件中記錄每個(gè)字段的最大/最小值,支持范圍查詢的數(shù)據(jù)跳過。
- 前綴索引:主鍵按前綴排序,查詢時(shí)可通過前綴過濾快速定位文件。
3. 列式存儲(chǔ)與謂詞下推
Paimon默認(rèn)使用Parquet/ORC列式存儲(chǔ),結(jié)合計(jì)算引擎的謂詞下推能力:
- 列裁剪:僅讀取查詢涉及的列,減少I/O數(shù)據(jù)量。
- 分區(qū)過濾:按分區(qū)鍵(如日期)過濾無關(guān)數(shù)據(jù),適合時(shí)間范圍查詢。
- 向量化讀?。号cDoris、StarRocks等OLAP引擎集成,支持批量數(shù)據(jù)處理,掃描性能提升5倍以上。
4. Lookup Join優(yōu)化
Paimon 1.0引入PFile格式,專為維度表Lookup場景設(shè)計(jì):
- 本地緩存:首次查詢時(shí)將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)拉取到本地磁盤,構(gòu)建哈希索引,后續(xù)查詢轉(zhuǎn)為本地I/O。
- 壓縮優(yōu)化:PFile采用字典編碼和塊壓縮,存儲(chǔ)效率比傳統(tǒng)HashFile提升3倍。
根據(jù)字節(jié)跳動(dòng)的實(shí)踐,Paimon作為維度表時(shí),F(xiàn)link Lookup Join的QPS可達(dá)1萬,平均延遲70ms。
五、性能對比與生產(chǎn)實(shí)踐
與傳統(tǒng)LSM系統(tǒng)對比:
特性 | Paimon | HBase | RocksDB |
存儲(chǔ)格式 | 列式存儲(chǔ)(Parquet/ORC) | 行式鍵值對 | 行式鍵值對 |
寫入吞吐量 | 高(無WAL) | 中(同步WAL) | 高(本地存儲(chǔ)) |
查詢性能 | 高(索引+列存) | 中(BlockCache) | 高(本地I/O) |
存儲(chǔ)成本 | 低(壓縮率3-5倍) | 高(元數(shù)據(jù)冗余) | 中(本地磁盤) |
生態(tài)集成 | Flink/Spark/Trino | Hadoop生態(tài) | 嵌入式 |
Paimon通過創(chuàng)新性地將LSM樹與數(shù)據(jù)湖架構(gòu)結(jié)合,在寫入路徑上采用無鎖內(nèi)存緩沖區(qū)、異步Compaction和動(dòng)態(tài)分桶,實(shí)現(xiàn)了每秒數(shù)十萬條記錄的寫入吞吐量;在查詢路徑上通過Deletion Vectors、多級索引和列式存儲(chǔ),將點(diǎn)查延遲降至毫秒級,分析查詢性能提升數(shù)倍。其流批一體的設(shè)計(jì)不僅簡化了數(shù)據(jù)架構(gòu),還顯著降低了存儲(chǔ)和計(jì)算成本,已成為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)湖的首選方案。隨著1.0版本的發(fā)布,Paimon在穩(wěn)定性和生態(tài)兼容性上進(jìn)一步成熟。