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ByteHouse 的前世今生
字节跳动最早是在 2017 年底开始使用 ClickHouse 的，用于支撑增长分析的业务场景。对于字节跳动而言，增长分析的重要性不言而喻。这是一项十分考验运营团队能力的工作，如何衡量不同运营方法的有效性，应该对哪些数据指标进行考量，如何对指标的波动进行更深层次的原因分析，这些需要重点关注。这其中涉及大量数据分析，对于数据分析平台的实时性也有着非常高的要求。在比对、试用过多款 OLAP 分析产品后，字节跳动最终选择了 ClickHouse，并且整体方案的可行性在实际业务应用中得到了很好的验证。
在取得了不错的业务效果之后，采用 ClickHouse 的方案快速推广，从支持增长分析的单一场景，很快扩展到 BI 分析、AB 测试、模型预估等多个场景。同时，研发团队也持续不断打磨和改进 ClickHouse 能力，比如增强数据接入功能、提升 SQL-based 指标计算的执行效率，包括 UDF 增强、SQL 语法增强等，很快使 ClickHouse 成为字节内部最主流的分析平台。
在产品的不断打磨中，2020 年字节跳动火山引擎正式立项，把基于 ClickHouse 做了很多增强和自研的 ByteHouse 作为 ToB 的核心产品之一加快产品化步伐，以期让更多的用户在分析领域获得更快、更好的业务体验。在 2021 年 8 月份，ByteHouse 正式对外发布并提供服务。
至 2022 年 6 月底，字节跳动内部的 ByteHouse 节点总数已经超过18000个，管理总数据量超过 700PB，每天上亿次的分析查询跑在ByteHouse上，有离线的、有实时的。其中支撑抖音、头条的行为分析平台其集群规模已经达到2400个节点。截止当前，字节内部 80% 的分析型应用都跑在ByteHouse平台上。
字节跳动最初为什么选择 ClickHouse
字节跳动曾做过各类分析型产品做过调研，如 Kylin、Druid、SparkSQL 等。那究竟为什么最后字节跳动选择了 ClickHouse，并进一步投入力量研发出 ByteHouse 使之成为字节跳动内部核心的数据分析平台呢？这里以两个具体的字节跳动业务案例来展开一些细节：
推荐系统实时指标
公司内部 A/B 实验平台已经提供了 T+1 的离线实验指标，而推荐系统需要更快地观察算法模型、或者某个功能的上线效果，因此需要一份能够实时反馈的数据作为补充，而且还要求：
￮ 能同时查询聚合指标和明细数据；
￮ 能支持多达几百列的维度和指标，且场景灵活变化，会不断增加；
￮ 可以高效地按 ID 过滤数据；
￮ 需要支持一些机器学习和统计相关的指标计算（比如 AUC）。
选型开始时，最需要解决的是“快”，所以选择了 Kylin 作为主要分析引擎，其优点是能够提供毫秒级别的查询延时。但是 Kylin 存在维度爆炸导致预计算时间越来越长，数据可用时间没有保证的问题。此外，新业务上线会产生新的指标和维度，Kylin 无法支持维度和指标在线更新。
后期改用 SparkSQL ，同样存在不少问题，如查询分析的延迟太长、资源使用率高、稳定性不够好频发OOM，以及无法支持跨更长时间周期的数据做分析等。
综合考量，最后选择了 ClickHouse：
￮ 能更快地观察算法模型，没有预计算所导致的高数据时延；
￮ 既适合聚合查询，在配合跳数索引后，也能充分支持明细查询；
￮ BitSet 的过滤 Bloom Filter 是比较好的解决方案。
同时，团队也持续投入研发力量，不断自研增强产品能力，比如通过异步构建索引使得整体写入吞吐量能力提升 20%。通过对 Kafka 多消费线程的改造和增强，实现并行消费，使得写入性能得到线性提升。此外，自研 HaKafka 引擎，提升了系统的 HA 高可用能力，即使出现节点故障也不用担心数据有完整性问题。
广告投放实时分析
通常运营人员需要查看广告投放的实时效果，由于业务的特点，当天产生的数据往往会涉及到对历史数据的刷新，技术上最初是基于 Druid 实现，但有些问题一直难以解决。例如，实时数据会涉及到历史3个月的时间分区，Druid 会产生很多 segment，历史数据重刷后需要额外时间去做合并的操作，无法保证数据的实时消费；另外，业务数据的维度非常多，数据粒度非常细，所以 Druid 的预聚合的意义不大，业务更多的需求是直接来消费明细数据。
最后团队也选择了 ClickHouse 技术路线，并持续做了改进和增强，如：
￮ 对 Buffer Engine 做了改进，解决了社区版本在 Buffer Engine 和 ReplicatedMergeTree 同时使用下查询一致性的问题。
￮ 自研事务机制，确保每次插入数据的原子性，增强数据消费的稳定性，解决了社区版本由于缺少事务支持，在异常场景下，往往会出现丢失或者重复消费的情况。具体实现上是将 Offset 和 Parts 数据绑定在一起，每次消费时，会默认创建一个事务，由事务负责把 Part 数据和 Offset 一同写入磁盘中，如果出现失败，事务会一起回滚 Offset 和写入的 Part 然后重新消费。
ByteHouse 具备哪些特点
随着 ByteHouse 在字节跳动内部支撑的分析业务越来越多，ByteHouse 也成为了字节跳动内部分析平台构建的事实标准。ByteHouse 在字节广泛的应用中，不断从业务角度出发不断打磨产品，并从实际应用角度思考什么样的数据分析产品才是更好用的。我们认为，一个优秀的数据分析产品应该具备以下特点：
能支撑更全面的分析场景
数据库行业流传着“没有银弹”的说法，大家认为没有一个分析类产品能够满足所有场景。这固然是很有道理的，但是也不必走向另外一个极端，所有场景都要“一事一库”。如果有一个通用性的数据分析产品，能够支撑 80% 以上的常见场景，这能为企业减少大量的时间和精力，并且能更有信心的应对营业务带来的数据分析挑战。
ClickHouse 的一个问题就是适用的场景相对较窄，对于宽表模型的查询和分析效率非常高，但涉及到多表关联的分析场景却表现不佳，甚至不支持此类业务场景。因而，ClickHouse的这种高性能的表现更多的是基于“本能”层面。ByteHouse 团队以打造一款综合且性能强大的分析平台为目标，对ClickHouse 做了全方位的增强，推出了全自研的查询优化器，从而让性能表现从“本能”层面跃迁到“智能”层面，从而更好的应对各类分析场景。
对于一款关系型数据库产品来说，优化器就是大脑，通过优化器对查询语句进行改写优化，基于代价寻找最优执行路径、生成执行计划，并且结合资源动态负载情况，让整体性能的输出更加稳健、也更加智能。从效果来看，在部分场景下，优化器使得性能提升达 10 倍以上；此外，在 TPC-DS 标准测试测试场景中，启用优化器的收益也十分显著，能够完成全部 99 个测试场景，而且性能也提升数倍不等。
而应对传统数仓负载中的复杂查询场景，仅仅有查询优化器的增强还不够，ByteHouse 为此还做了大量的工作。如 Runtime Filter，能够智能过滤掉分析中不相干数据，减少中间过程数据的网络传输，提升整体分析效率，在星型和雪花型业务分析场景中有很好的效果。另外通过优化网络技术，比如连接复用、RDMA、传输压缩等技术，也极大提升了整体分析性能。此外还包括其他一系列的能力增强，比如细粒度资源管控、数据交换的优化等，能够让 ByteHouse 在复杂分析场景中游刃有余。
从收益效果上看，在字节内部部分业务场景中，多表关联分析性能提升 26 倍，单表复杂查询也提升 3 倍左右，在标准SSB测试场景中也表现不俗，为支撑更全面的分析场景的目标迈出重要一步。
数据分析能力能随业务快速扩缩，极致弹性
在 node-base 架构下，存算一体的模式不够灵活，难以满足业务对弹性的需求，扩容的代价无论是时间成本和资源成本都很高。应对这些挑战，ByteHouse 团队花费极大精力从底层开始秉承 Cloud-Native 云原生的架构理念进行整体重构，让资源可以伴随业务的需求进行灵活的弹性伸缩，扩容的代价更低更可控。另外，业务上可以通过读写分离做更好的资源管控和分流，从而让整体业务的 SLA 更有保障。下面介绍部分 ByteHouse 架构重构中的关键技术点。
首先是基于分布式 KV 构建元数据管理服务，元数据信息会持久化保存在状态存储池里面，为了降低对元数据库的访问压力，对于访问频度高的元数据会进行缓存。元数据服务自身是无状态的，可以水平扩展。
在高性能层面，除了前面介绍的全自研优化器之外，还通过智能的分布式多级缓存技术来弥补存算分离架构下远程数据访问时额外的网络开销和IO开销带来的性能损失。此外 virtule warehouse 计算资源实现了容器化部署，做到了无状态化，从而可以快速、灵活的进行弹性伸缩，且不影响业务。
在存储层面，实现了存储服务化，对数据存储层进行统一抽象，构造 VFS 虚拟存储系统，能够支持更多的存储语义，包括 HDFS 块存储、对象存储等，既解决了存储在扩展性、读写吞吐瓶颈、一致性等问题，同时能大幅降低存储成本。
强一致性的事务机制、MVCC 多版本并发控制、细粒度锁等技术保障，也能让 ByteHouse 更好地去满足核心分析业务对一致性和并发能力的要求。
此外，在负载管理上，围绕计算、内存、网络带宽这三项核心资源进行持续优化，同时也在不断引入AI等新技术让系统资源的动态调配更加智能和高效；细粒度、多级的资源隔离能力也能更好的匹配业务差异化的需求，让整体系统运行更加稳定可靠。
稳定、高可用
以抖音集团内部建于2017年的行为分析平台为例，仅头条和抖音两款应用每天会产生万亿条级别的事件记录，且至少保存1年，分析的特征维度多达上千，既有聚合查询也有明细查询，其自助式查询分析要求必须达到秒级响应。当前这个平台运行在 2400 个节点的 ByteHouse 集群上。
对社区版 ClickHouse 或者其他大部分分析类产品来说，要达到这个规模是非常困难的，几乎难以实现。ByteHouse 做了哪些能力增强来不断突破规模上限、持续支持业务高速增长呢？这里我们先重点介绍两方面的能力增强：
一、通过自研的 HaMergeTree 替代社区的 ReplicatedMergeTree，降低对 ZooKeeper 的请求次数，减少在 Zookeeper 上存储的数据量，副本直接通过 log 日志来交换信息，不需要再从 Zookeeper 获取，从而极大减轻 Zookeeper 的负载，让其压力与集群内数据量规模脱钩。
二、通过元数据持久化的方案，提升故障恢复能力。社区版本的元数据常驻于内存中，这会导致重启时间非常长，因而当故障发生后，恢复的时间也很长，动辄一到两个小时，这个是业务不能接受的。ByteHouse 的做法是将元数据持久化到 RocksDB，启动时直接从 RocksDB 加载元数据，内存中也仅仅存放必要的 Part 信息，这样就减少元数据对内存的占用，在性能基本无损失的情况下，单机支持的part 不再受内存容量的限制，可以达到 100 万以上；最重要的是极大缩短了集群的故障恢复时间，从1-2 小时直接缩短到 3 分钟，大大提高了系统的高可用能力，为业务提供了坚实保障。
保证查询效率前提下，更快、更准确的数据导入
在实时写入场景中，社区版 ClickHouse 还是存在部分能力的缺失，比如数据分布按 shard 的分布策略很难保障均匀分布，会存在数据倾斜的情况，而且不支持由用户指定唯一键的业务需求，也无法保证数据的有序消费， 单线程的消费模式导致吞吐量受限，另外在 HA 高可用上也存在能力缺失。ByteHouse 针对这些不足对 kafka engion 做了全面的增强。
首先是在分布式架构下，通过自研的 HaKafka 引擎为数据的实时注入提供了 HA 高可用保障，保障数据不丢失；支持唯一键；通过 memory table，提升了实时写入的吞吐能力，同时延迟刷盘也大幅降低IOPS，节省 IO 资源。
在此基础上 ByteHouse 再向前一步，演进到云原生架构，能力得到更大的提升，包括支持 exactly-once 消费语义，自动容错，之前 node-base 架构模式的扩容难、代价高的问题也在云原生架构下迎刃而解，能够做到按需的灵活弹性扩容和缩容。
此外，ByteHouse 自研了 UniqueMergeTree 表引擎，很好的平衡了写和读的性能。UniqueMergeTree 表引擎既支持行更新的模式，也支持部分列更新的模式，用户可以根据业务要求开启或关闭。在性能方面，与 ReplacingMergeTree 相比，UniqueMergeTree 的写入性能只有轻微下降，但在查询性能上取得了数量级的提升。进一步对比了 UniqueMergeTree 和普通 MergeTree 的查询性能，发现两者是非常接近的。
ByteHouse 的未来展望
我们将持续围绕让 ByteHouse 更快、更稳、更智能持续做技术迭代，包括更强的优化器，当前在原型测试中有 3 倍的性能提升；通过AI技术的引入让系统更智能更高效，在原型测试中，基于 IMDB 的大规模数据集的性能表现上有20%的提升；此外更加智能的物化视图技术以及 RDMA 技术预期都会在 23 年实现产品化落地。
面向未来，ByteHouse 的愿景是打造数据分析领域的“抖音”平台，能够为用户带来一体化的集成、分析体验，降低用户分析门槛，一站式提供分析所需的各种能力，并能通过安全可信的数据分享、模型分享帮助用户便捷地实现交易和价值变现。
审核编辑 ：李倩
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