分布式場景怎么Join？

背景

最近在閱讀查詢優(yōu)化器的論文，發(fā)現(xiàn)System R中對于Join操作的定義一般分為了兩種，即嵌套循環(huán)、排序-合并聯(lián)接。

考慮到我的領(lǐng)域是在處理分庫分表或者其他的分區(qū)模式，這讓我開始不由得聯(lián)想我們怎么在分布式場景應(yīng)用這個Join邏輯，對于兩個不同庫里面的不同表我們是沒有辦法直接進(jìn)行Join操作的。查閱資料后發(fā)現(xiàn)原來早有定義，即分布式聯(lián)接算法。

分布式聯(lián)接算法

跨界點處理數(shù)據(jù)即分布式聯(lián)接算法，常見的有四種模型：Shuffle Join（洗牌聯(lián)接）、Broadcast Join（廣播聯(lián)接）、MapReduce Join（MapReduce聯(lián)接）、Sort-Merge Join（排序-合并聯(lián)接）。

接下來將進(jìn)行逐一了解與分析，以便后續(xù)開發(fā)的應(yīng)用。

Shuffle Join（洗牌聯(lián)接）

先上原理解釋：

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Shuffle Join的核心思想是將來自不同節(jié)點的數(shù)據(jù)重新分發(fā)（洗牌），使得可以聯(lián)接的數(shù)據(jù)行最終位于同一個節(jié)點上。

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通常，對于要聯(lián)接的兩個表，會對聯(lián)接鍵應(yīng)用相同的哈希函數(shù)，哈希函數(shù)的結(jié)果決定了數(shù)據(jù)行應(yīng)該被發(fā)送到哪個節(jié)點。這樣，所有具有相同哈希值的行都會被送到同一個節(jié)點，然后在該節(jié)點上執(zhí)行聯(lián)接操作。

可能解釋完還是有點模糊，舉個例子，有兩張表，分別以id字段進(jìn)行分庫操作，且哈希算法相同（為了簡單，這里只介紹分庫場景，分庫分表同理。算法有很多種，這里舉例是hash算法），那么這兩張表的分片或許可以在同一個物理庫中，這樣我們不需要做大表維度的處理，我們可以直接下推Join操作到對應(yīng)的物理庫操作即可。

在ShardingSphere中，這種場景類似于綁定表的定義，如果兩張表的算法相同，可以直接配置綁定表的關(guān)系，進(jìn)行相同算法的連接查詢，避免復(fù)雜的笛卡爾積。

這樣做的好處是可以盡量下推到數(shù)據(jù)庫操作，在中間件層面我們可以做并行處理，適合大規(guī)模的數(shù)據(jù)操作。

但是，這很理想，有多少表會采用相同算法處理呢。

Broadcast Join（廣播聯(lián)接）

先上原理解釋：

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當(dāng)一個表的大小相對較小時，可以將這個小表的全部數(shù)據(jù)廣播到所有包含另一個表數(shù)據(jù)的節(jié)點上。

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每個節(jié)點上都有小表的完整副本，因此可以獨立地與本地的大表數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)接操作，而不需要跨節(jié)點通信。

舉個例子，有一張非常小的表A，還有一張按照ID分片的表B，我們可以在每一個物理庫中復(fù)制一份表A，這樣我們的Join操作就可以直接下推到每一個數(shù)據(jù)庫操作了。

這種情況比Shuffle Join甚至還有性能高效，這種類似于ShardingSphere中的廣播表的定義，其存在類似于字典表，在每一個數(shù)據(jù)庫都同時存在一份，每次寫入會同步到多個節(jié)點。

這種操作的好處顯而易見，不僅支持并行操作而且性能極佳。

但是缺點也顯而易見，如果小表不夠小數(shù)據(jù)冗余不說，廣播可能會消耗大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬和資源。

MapReduce Join（MapReduce聯(lián)接）

先上原理解釋：

MapReduce是一種編程模型，用于處理和生成大數(shù)據(jù)集，其中的聯(lián)接操作可以分為兩個階段：Map階段和Reduce階段。

Map階段：

• 每個節(jié)點讀取其數(shù)據(jù)分片，并對需要聯(lián)接的鍵值對應(yīng)用一個映射函數(shù)，生成中間鍵值對。

Reduce階段：

• 中間鍵值對會根據(jù)鍵進(jìn)行排序（在某些實現(xiàn)中排序發(fā)生在Shuffle階段）和分組，然后發(fā)送到Reduce節(jié)點。

• 在Reduce節(jié)點上，具有相同鍵的所有值都會聚集在一起，這時就可以執(zhí)行聯(lián)接操作。

MapReduce Join不直接應(yīng)用于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫邏輯，而是適用于Hadoop這樣的分布式處理系統(tǒng)中。但是為了方便理解，還是用SQL語言來分析，例如一條SQL：

SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;

會被轉(zhuǎn)換為兩個SQL：

SELECT customer_id, order_id, date FROM orders;
SELECT customer_id, name FROM customers;

這個過程就是Map階段，即讀取orders和customers表的數(shù)據(jù)，并為每條記錄輸出鍵值對，鍵是customer_id，值是記錄的其余部分。

下一個階段可有可無，即Shuffle階段。如果不在這里排序可能會在Map階段執(zhí)行SQL時候排序/分組或者在接下來的Reduce階段進(jìn)行額外排序/分組。在這個階段主要將收集到的數(shù)據(jù)按照customer_id排序分組，以確保相同的customer_id的數(shù)據(jù)達(dá)到Reduce階段。

Reduce階段將每個對應(yīng)的customer_id進(jìn)行聯(lián)接操作，輸出并返回最后的結(jié)果。

這種操作普遍應(yīng)用于兩個算法完全不相同的表單，也是一種標(biāo)準(zhǔn)的處理模型，在這個過程中，我們以一張邏輯表的維度進(jìn)行操作。這種算法可能會消耗大量內(nèi)存，甚至導(dǎo)致內(nèi)存溢出，并且在處理大數(shù)據(jù)量時會相當(dāng)耗時，因此不適合需要低延遲的場景。

額外補(bǔ)充

內(nèi)存溢出場景普遍在如下場景：

• 大鍵值對數(shù)量： 如果Map階段產(chǎn)生了大量的鍵值對，這些數(shù)據(jù)需要在內(nèi)存中進(jìn)行緩存以進(jìn)行排序和傳輸，這可能會消耗大量內(nèi)存。

• 數(shù)據(jù)傾斜： 如果某個鍵非常常見，而其他鍵則不那么常見，那么處理這個鍵的Reducer可能會接收到大量的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致內(nèi)存不足。這種現(xiàn)象稱為數(shù)據(jù)傾斜。

• 大值列表： 在Reduce階段，如果某個鍵對應(yīng)的值列表非常長，處理這些值可能會需要很多內(nèi)存。

• 不合理的并行度： 如果Reduce任務(wù)的數(shù)量設(shè)置得不合適（太少或太多），可能會導(dǎo)致單個任務(wù)處理不均勻，從而導(dǎo)致內(nèi)存問題。

我能想到的相應(yīng)解決方案：

• 內(nèi)存到磁盤的溢寫：當(dāng)Map任務(wù)的輸出緩沖區(qū)滿了，它會將數(shù)據(jù)溢寫到磁盤。這有助于限制內(nèi)存使用，但會增加I/O開銷。

• 通過設(shè)置合適的Map和Reduce任務(wù)數(shù)量，可以更有效地分配資源，避免某些任務(wù)過載。具體操作可以將Map操作的分段比如1~100，100～200，Reduce階段開設(shè)較少的并發(fā)處理。

• 優(yōu)化數(shù)據(jù)分布，比如使用范圍分區(qū)（range partitioning）或哈希分區(qū)（hash partitioning）來減少數(shù)據(jù)傾斜。

Sort-Merge Join（排序-合并聯(lián)接）

先上原理解釋：

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在分布式環(huán)境中，Sort-Merge Join首先在每個節(jié)點上對數(shù)據(jù)進(jìn)行局部排序，然后將排序后的數(shù)據(jù)合并起來，最后在合并的數(shù)據(jù)上執(zhí)行聯(lián)接操作。

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這通常涉及到多階段處理，包括局部排序、數(shù)據(jù)洗牌（重新分發(fā)），以及最終的排序和合并。

舉個理解，還是上面的SQL。

SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;

• 對orders表按customer_id進(jìn)行排序。
• 對customers表按customer_id進(jìn)行排序。
• 同時遍歷兩個已排序的表，將具有相同customer_id的行配對。

這個就有點類似于原生的排序-合并聯(lián)接了。也是數(shù)據(jù)庫場景的標(biāo)準(zhǔn)處理辦法。

對于已經(jīng)排序的數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)分布均勻的情況，這種方法非常有效。如果數(shù)據(jù)未預(yù)先排序，這種方法可能會非常慢，因為它要求數(shù)據(jù)在聯(lián)接之前進(jìn)行排序。

當(dāng)然，這個算法也會造成內(nèi)存溢出的場景，解決方案如下：

• 當(dāng)數(shù)據(jù)集太大而無法一次性加載到內(nèi)存中時，可以使用外部排序算法。外部排序算法會將數(shù)據(jù)分割成多個批次，每個批次單獨排序，然后將排序后的批次合并。這種方法通常涉及到磁盤I/O操作，因此會比內(nèi)存中操作慢。

• 對于合并步驟，可以使用流式處理技術(shù)，一次只處理數(shù)據(jù)的一小部分，并持續(xù)將結(jié)果輸出到下一個處理步驟或存儲系統(tǒng)。這樣可以避免一次性加載大量數(shù)據(jù)到內(nèi)存中。

• 當(dāng)內(nèi)存不足以處理數(shù)據(jù)時，可以使用磁盤空間作為臨時存儲。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)通常有機(jī)制來處理內(nèi)存溢出，比如創(chuàng)建磁盤上的臨時文件來存儲過程中的數(shù)據(jù)。

• 在分布式系統(tǒng)中，可以將數(shù)據(jù)分散到多個節(jié)點上進(jìn)行處理，這樣每個節(jié)點只需要處理數(shù)據(jù)的一部分，從而減少單個節(jié)點上的內(nèi)存壓力。