快速了解ClickHouse！

简介

ClickHouse是一个开源列式数据库管理系统（DBMS），用于在线分析处理（OLAP）：

列式存储：与传统的行式数据库不同，ClickHouse以列的形式存储数据，这使得在分析大量数据时能够获得更好的性能和压缩率。

高速查询：ClickHouse为分析大量数据而优化，可以执行复杂的查询，并在极短的时间内提供答案。

分布式处理：ClickHouse可以无缝地在多个节点上部署，提供水平扩展。它支持复制、分片和负载均衡。

数据压缩：由于列式存储的特点，ClickHouse提供了高效的数据压缩，从而节省存储空间并提高查询速度。

SQL支持：ClickHouse使用SQL作为查询语言，并提供了丰富的函数库，包括时间序列、聚合和字符串处理函数等。

实时处理：尽管ClickHouse主要是为OLAP场景设计的，但它还支持近实时数据插入和查询，使其在某些情况下也可用于在线事务处理（OLTP）。

开源与社区：ClickHouse是完全开源的，拥有一个活跃的开发和用户社区。

多种数据格式：ClickHouse支持多种数据格式，如Parquet、JSON、CSV等，这使得从其他系统迁移或导入数据变得非常容易。

与其他技术的集成：ClickHouse可以与多种其他技术（例如Kafka、HDFS等）集成，使其能够在各种环境中高效地工作。

简而言之，CK本质上就是DBMS，起源于mysql。重要特点就是：数据按列存储，适合于OLAP在线分析处理，查询列的速度非常之快，节省大量的IO资源。（其实和hudi有点像，hudi就是行写入、列查询）

同一列保存在同一个数据文件当中，便于数据的压缩存储！

这一点很好理解，同一列的数据类型（域）是一致的，想想看是各种类型都有的一行数据好压缩，还是一列相同类型的数据好压缩？结果显而易见！

本质上，CK的数据类型和C++相似，因为CK就使用C++写的。

ClickHouse 与表函数

ClickHouse的强大表函数支持增强了其与其他系统的互操作性，为用户提供了更多的灵活性和方便性。涉及到DBMS和大数据框架的整合，使得数据处理和分析变得更加高效和无缝。

表函数 (Table Function)

表函数是一种数据库函数，它返回一个可以像操作常规数据库表那样操作的行集。其主要目的是能够将函数的输出作为一个表来使用。这意味着我们可以使用SQL查询来读取和处理这些函数的输出。

ClickHouse 与表函数

ClickHouse的特点之一是其广泛的表函数支持。这些表函数允许管理员用户从各种数据源（例如文件、URL、外部数据库、大数据框架等）读取数据，并将这些数据作为表来处理。例如，管理员用户可以使用表函数从一个文件或HTTP URL中读取数据，然后直接在ClickHouse中对该数据进行查询，而无需先导入数据。

DBMS 和大数据框架的整合

ClickHouse为了提高灵活性和扩展性，提供了与其他DBMS和大数据框架的整合功能。例如，ClickHouse可以与Kafka、HDFS、MySQL等进行交互。表函数在这方面发挥了关键作用，它们使得从这些系统中读取数据变得异常简单。通过表函数，ClickHouse可以轻松地与其他系统进行交互，从而实现数据的即时查询和分析，而无需事先进行数据迁移或转换。

CK存储引擎及Primary Key

CK使用了一种名为MergeTree的数据结构和存储引擎：

MergeTree存储引擎

数据结构: MergeTree 是由一系列有序的 parts 组成。每个 part 包含了多个按照某种键（通常是 PRIMARY KEY）排序的granules。

Parts 和 Granules

在ClickHouse中，数据被分成parts（部分）。每个part包含多个granules。可以将part看作是granules的集合。随着时间的推移，parts可能会由于合并操作而变大。但不论part的大小如何，它都是由granules组成的。
Granule是MergeTree表数据的最小物理单位。每个granule包含一定数量的行。当我们说“块”，这与granule是相似的概念，但granule是ClickHouse的专用术语。
物理上，每个granule包含固定数量的行（例如8192行，即8192条记录），但这个数字可能会因配置或其他因素而有所不同。

合并Parts

在数据写入ClickHouse时，首先写入小的granules，其实也相当于写入parts。随着时间的推移，ClickHouse会在后台运行合并操作，将小的parts合并成大的parts。这种合并操作可以提高查询性能并节省存储空间。
合并操作: MergeTree 的命名来源于其后台自动进行的特性，即定期将小的 parts 合并为更大的parts。这种合并操作旨在优化数据压缩并提高查询效率，因为数据库可以快速定位数据所在的位置。

PRIMARY KEY in ClickHouse

排序: 在ClickHouse中，PRIMARY KEY定义了数据的物理排序方式。当查询数据时，ClickHouse会使用这个排序信息来跳过那些不相关的数据块。
不是唯一的: 与MySQL不同，ClickHouse中的PRIMARY KEY不保证唯一性。它只是一个排序和索引工具。
CK中如果不设定PK，那么创建表时会报错！不设定PK的情况下必须指定ORDER BY才行！所以可以理解为CK必须需要依赖于一种排序方式，而这种排序方式可以是PK，也可以是ORDER BY来提供。

为什么与MySQL中的PRIMARY KEY不同

目的不同: MySQL（以及其他传统的关系型数据库）中的PRIMARY KEY主要用于确保数据的唯一性和引用完整性。而ClickHouse的设计目标是查询速度和分析，所以PRIMARY KEY在ClickHouse中主要用于数据排序和查询优化。
数据模型: 由于ClickHouse是为OLAP场景设计的，它的数据模型与为在线事务处理（OLTP）设计的MySQL有所不同。在OLAP场景中，大量的数据聚合和分析比数据的唯一性更为重要。

CK的 PRIMARY KEY 和稀疏索引

在ClickHouse中，PRIMARY KEY被用作稀疏索引。这意味着不是为每一行数据都保存索引项，而是为每个granule保存一个索引项。这就是为什么一个PRIMARY KEY对应多个行。

图中：左侧为pk，右侧为其对应的入口，其实通常来说同时也会存储row8192/16384/24576这样的最大值，这种设计选择为ClickHouse提供了查询性能的优势。由于它的目标是为OLAP和大数据分析优化，所以它偏好于范围查询而不是单行查询。为每个granule而不是每行保存索引项，使得索引更小、更快，而且更适合这种用途。

让我们通过CK中的块，进一步了解CK的主键：

块之间的顺序:

在ClickHouse中，每个granule的创建是基于插入的数据批次的。当一批数据被插入时，它们会首先按照PRIMARY KEY进行排序。排序后，数据会被划分为大小适中的granules。每个granule内部的数据都是有序的，因此，granules之间也存在一个顺序。但这并不意味着所有granules之间都有全局的严格排序，因为新的插入操作可能会引入新的granules。
当执行一个批量数据插入操作时，数据首先被缓存并按照PRIMARY KEY排序。一旦数据达到了一定的大小或时间阈值，它就会被刷入磁盘形成新的granules，并进一步形成新的parts。这种批量处理方式优化了磁盘I/O操作，提高了数据插入的吞吐量和整体性能。

块合并:

1. ClickHouse的合并操作基于MergeTree家族中特定的表引擎策略。通常，合并操作考虑part的大小、年龄、数据的修改历史等因素。合并也有助于清除数据的过时版本，因为ClickHouse支持数据的版本控制。

2. 当新数据被写入ClickHouse时，它的granule形式会被立即组成一个新的part。这是一个非常快速的操作，因为新写入的数据本质上已经形成了一个独立的part。所以，它本身就已经是一个part，并不需要额外的时间来将块转换为part。

3. 然而，后台的合并操作（将多个小parts合并为一个更大的part）确实需要时间，因为这涉及到读取、合并和写入数据。这种合并操作是为了提高存储效率、查询性能和数据压缩。但对于新写入的数据，它们已经直接形成了新的part，不需要等待。如图，part不是无限合并的，有150GB大小的限制。

MySQL的聚集索引与ClickHouse的PRIMARY KEY:

MySQL中的聚集索引确实按照PRIMARY KEY来存储数据。但ClickHouse和MySQL的设计目标和使用场景有所不同。ClickHouse是为大数据分析优化的，而MySQL则更倾向于在线事务处理。
在MySQL中，PRIMARY KEY确保了唯一性，这对于事务性操作是很有价值的，因为你经常需要基于唯一键来更新或删除特定的记录。而在ClickHouse中，数据通常是以批次写入并追加的方式插入的，而不是单行的插入、更新或删除。
ClickHouse中改变PRIMARY KEY的意义，是为了更好地服务于它的主要用例：大数据分析。其PRIMARY KEY更多地作为一个优化查询性能的工具，而不是作为一个确保数据完整性的约束。

再理解二者PK的区别：

MySQL的PRIMARY KEY（聚集索引）和ClickHouse的PRIMARY KEY都能实现数据跳过和减少存储需求的效果，但它们是为了不同的工作负载而优化的。

数据跳过：MySQL的聚集索引确实允许它快速查找特定的行。但在大规模数据分析中，你经常需要处理大范围的数据，而不是单独的行。Mysql数据跳过过程请见文章Mysql底层执行过程及基于PK的“数据跳跃”-CSDN博客，ClickHouse的PRIMARY KEY是为了这种查询模式设计的，它可以让系统判断哪些数据块是与查询条件无关的，从而跳过大量数据。

减少存储需求：虽然MySQL的聚集索引也按PRIMARY KEY排序存储数据，但由于它的行式存储模式，压缩效果不及ClickHouse。ClickHouse的列式存储结合数据排序可以实现更高效的数据压缩。

可以这么理解：MySQL的PRIMARY KEY是全能型设计，旨在优化随机访问和事务性查询。而ClickHouse的PRIMARY KEY是专攻型设计，特别优化了大数据分析的工作负载。

ClickHouse中数据写入和存储的过程

数据写入与排序：当新的一批数据写入ClickHouse时，它会首先按照PRIMARY KEY进行排序。

形成granules：排序后的数据会被分割为大小适中的granules，通常每个granule包含8192条记录（或其他预设的行数）。

列式存储：每个granule内的数据会按列进行存储。也就是说，同一个granule里，一列的所有数据都连续存放在一起，这对于压缩和查询效率都很有帮助。例如，如果有一个表有三列：A, B, 和 C，则granule内的所有行的列A的数据都存储在一起，紧接着是列B的数据，然后是列C的数据。

granule索引：对于每个granule，ClickHouse存储与PRIMARY KEY列关联的最小和最大值。这些值表示了granule内数据的范围，并被用作稀疏索引，以帮助加速范围查询。当执行查询时，通过检查每个granule的最小和最大值，ClickHouse可以迅速确定哪些granules可能包含查询结果。

存储与压缩：granules会被压缩后存储在磁盘上，以节省存储空间。

当新数据被写入ClickHouse时，它的granule形式会被立即组成一个新的part，然后将多个小parts合并为一个更大的part。