数据仓库系列：StarRocks 入门培训教程

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数据仓库系列：StarRocks 下一代高性能分析数据仓库的架构、数据存储及表设计
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数据仓库系列：如何将StarRocks集群与Jupyter集成？

1. 什么是StarRocks?

StarRocks 是一款MPP DB, 对标ClickHouse、Vertica、Teradata、Greenplum，在查询性能上远超当代最快的开源数据库 clickhouse，目前已经被一众互联网企业在生产环境中采用。
提供千亿级大数据的在线多维分析和分布式存储。

新一代极速全场景 MPP (Massively Parallel Processing) 数据库

是fork doris后独立运营的商业化版本StarRocks

可以认为是 MySQL 8.x的分布式版本，会用MySQL, 就会用StarRocks

1.1. 适用场景

StarRocks 可以满足企业级用户的多种分析需求，主要使用场景如下：

• OLAP (Online Analytical Processing) 多维分析 如自助式报表平台，用户行为分析

• 实时数据仓库 如电商大促数据分析、广告投放分析，支持针对数据更新

• 高并发查询 如如广告主报表分析

• 统一分析

  • 通过使用一套系统解决多维分析、高并发查询、预计算、实时分析查询等场景，降低系统复杂度和多技术栈开发与维护成本。
  • 使用 StarRocks 统一管理数据湖和数据仓库，将高并发和实时性要求很高的业务放在 StarRocks 中分析，也可以使用 External Catalog 和外部表进行数据湖上的分析。

详见适用场景

1.2. 产品特性

• MPP 分布式执行框架
  在 MPP 框架中，数据会被 Shuffle 到多个节点，并且由多个节点来完成最后的汇总计算。在复杂计算时（比如高基数 Group By，大表 Join 等操作），StarRocks 的 MPP 框架相对于 Scatter-Gather 模式的产品有明显的性能优势
  
• 全面向量化 MPP 查询引擎： 充分发挥了 CPU 的处理能力,同时支持极速的单表和多表查询性能
• CBO 优化器: 支持极速的秒级 AdHoc 查询
• 可实时更新的列式存储引擎: 具备极致的实时更新和查询性能
• 全新设计的数据分布模式，具备高并发查询能力, 可以支持每秒上万次的并发查询能力。
• 智能的物化视图： 使用物化视图（materialized view）进行查询加速和数仓分层, 具备灵活透明的预计算加速能力
  
• 数据湖分析： StarRocks 主要负责数据的计算分析，而数据湖则主要负责数据的存储、组织和维护【类似于spark作为查询分析引擎】
  

2. 系统架构

2.1. 系统架构

2.1.1. 整体架构

StarRocks 架构简洁，整个系统的核心只有 FE（Frontend）、BE（Backend）两类进程，不依赖任何外部组件，方便部署与维护

StarRocks 的整体架构如下图：

• FE（Frontend）前端节点: 多个FE组成第一层，提供FE的 横向扩展和高可用

  • 负责管理元数据，管理客户端连接，进行查询规划，查询调度等工作。
  • 每个 FE 节点都会在内存保留一份完整的元数据，这样每个 FE 节点都能够提供无差别的服务

• BE（Backend）后端节点: 多个BE组成第二层

  • 负责数据存储与管理、查询计划执行等工作

• FE 和 BE 模块都可以在线水平扩展，元数据和业务数据都有副本机制，确保整个系统无单点

• StarRocks 提供 MySQL 协议接口，支持标准 SQL 语法

2.1.2. 高可用实现方式

FE 有三种角色：Leader FE，Follower FE 和 Observer FE。Follower 会通过类 Paxos 的 Berkeley DB Java Edition（BDBJE）协议自动选举出一个 Leader

• Leader
  • Leader 从 Follower 中自动选出，进行选主需要集群中有半数以上的 Follower 节点存活。如果 Leader 节点失败，Follower 会发起新一轮选举。
  • Leader FE 提供元数据读写服务。只有 Leader 节点会对元数据进行写操作，Follower 和 Observer 只有读取权限。Follower 和 Observer 将元数据写入请求路由到 Leader 节点，Leader 更新完数据后，会通过 BDB JE 同步给 Follower 和 Observer。必须有半数以上的 Follower 节点同步成功才算作元数据写入成功。
• Follower
  • 只有元数据读取权限，无写入权限。通过回放 Leader 的元数据日志来异步同步数据。
  • 参与 Leader 选举，必须有半数以上的 Follower 节点存活才能进行选主。
• Observer
  • 主要用于扩展集群的查询并发能力，可选部署。
  • 不参与选主，不会增加集群的选主压力。
  • 通过回放 Leader 的元数据日志来异步同步数据。
    

2.2. 数据如何管理？

StarRocks 使用列式存储，采用分区分桶机制进行数据管理。

表按照日期划分为 4 个分区，第一个分区进一步切分成 4 个 Tablet。每个 Tablet 使用 3 副本进行备份，分布在 3 个不同的 BE 节点上。

• 一张表被切分成了多个 Tablet，StarRocks 在执行 SQL 语句时，可以对所有 Tablet 实现并发处理，从而充分的利用多机、多核提供的计算能力
• Tablet 的分布方式与具体的物理节点没有相关性。在 BE 节点规模发生变化时，比如在扩容、缩容时，StarRocks 可以做到无需停止服务，直接完成节点的增减。节点的变化会触发 Tablet 的自动迁移
• 支持 Tablet 多副本存储，默认副本数为三个。多副本能够保证数据存储的高可靠以及服务的高可用。

相关的SQL语句

-- 建表SQL
CREATE TABLE IF NOT EXISTS sr_member (
    sr_id            INT,
    name             STRING,
    city_code        INT,
    reg_date         DATE,
    verified         BOOLEAN
)
PARTITION BY RANGE(reg_date)
(
    START ("2021-01-01") END ("2021-12-31") EVERY (INTERVAL 3 MONTH)
)
DISTRIBUTED BY HASH(city_code) BUCKETS 4
PROPERTIES(
    "replication_num" = "1"
);

-- 查看表分区
show partition from test.sr_member;

-- 查看tablet
show tablet from test.sr_member;

3. 表模型

3.1. 明细模型

适用场景

• 分析原始数据，例如原始日志、原始操作记录等。
• 查询方式灵活，不需要局限于预聚合的分析方式。
• 导入日志数据或者时序数据，主要特点是旧数据不会更新，只会追加新的数据。

建表示例

CREATE TABLE IF NOT EXISTS detail (
    event_time DATETIME NOT NULL COMMENT "datetime of event",
    event_type INT NOT NULL COMMENT "type of event",
    user_id INT COMMENT "id of user",
    device_code INT COMMENT "device code",
    channel INT COMMENT ""
)
DUPLICATE KEY(event_time, event_type)
DISTRIBUTED BY HASH(user_id) BUCKETS 8
PROPERTIES("replication_num" = "1");

注意事项：

• 排序键的相关说明：
  • 在建表语句中，排序键必须定义在其他列之前。
  • 排序键可以通过 DUPLICATE KEY 显式定义。本示例中排序键为 event_time 和 event_type。
    如果未指定，则默认选择表的前三列作为排序键。
  • 明细模型中的排序键可以为部分或全部维度列。
• 建表时，支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引。
• 建表时必须使用 DISTRIBUTED BY HASH 子句指定分桶键, 也可以不指定（自 2.5.7 版本起，会自动设置分桶数量 (BUCKETS)）

3.2. 聚合模型

适用场景：数据统计和分析场景

• 大多数查询是聚合查询，例如SUM、COUNT和MAX。
• 不需要检索原始的详细数据。
• 历史数据不经常更新。只追加新数据。

建表示例

CREATE TABLE IF NOT EXISTS example_db.aggregate_tbl (
    site_id LARGEINT NOT NULL COMMENT "id of site",
    date DATE NOT NULL COMMENT "time of event",
    city_code VARCHAR(20) COMMENT "city_code of user",
    pv BIGINT SUM DEFAULT "0" COMMENT "total page views"
)
AGGREGATE KEY(site_id, date, city_code)
DISTRIBUTED BY HASH(site_id) BUCKETS 8
PROPERTIES ("replication_num" = "1");

注意事项：

• 排序键的相关说明
  • 在建表语句中，排序键必须定义在其他列之前。
  • 如果 AGGREGATE KEY 未包含全部维度列（除指标列之外的列），则建表会失败。
  • 如果不通过 AGGREGATE KEY 显示定义排序键，则默认除指标列之外的列均为排序键。
  • 排序键必须满足唯一性约束，必须包含全部维度列，并且列的值不会更新。
• 在运行查询时，排序键在多版聚合之前就能进行过滤，而指标列的过滤在多版本聚合之后
• 建表时，不支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引
• 将数据加载到使用聚合键模型的表中时，只能更新表的所有列

3.3. 更新模型

适用场景

• 需要实时和频繁更新数据的业务场景，如在电子商务场景中，每天可以下数亿个订单，订单状态经常变化

建表示例

CREATE TABLE IF NOT EXISTS orders (
    create_time DATE NOT NULL COMMENT "create time of an order",
    order_id BIGINT NOT NULL COMMENT "id of an order",
    order_state INT COMMENT "state of an order",
    total_price BIGINT COMMENT "price of an order"
)
UNIQUE KEY(create_time, order_id)
DISTRIBUTED BY HASH(order_id) BUCKETS 8
PROPERTIES ("replication_num" = "1");

注意事项：

• 主键的相关说明：
  • 在建表语句中，主键必须定义在其他列之前。
  • 主键通过 UNIQUE KEY 定义。
  • 主键必须满足唯一性约束，且列的值不会修改。
  • 设置合理的主键。
    • 查询时，主键在聚合之前就能进行过滤，而指标列的过滤通常在多版本聚合之后，因此建议将频繁使用的过滤字段作为主键，在聚合前就能过滤数据，从而提升查询性能。
    • 聚合过程中会比较所有主键，因此需要避免设置过多的主键，以免降低查询性能。如果某个列只是偶尔会作为查询中的过滤条件，则不建议放在主键中。
• 建表时，不支持为指标列创建 BITMAP、Bloom Filter 等索引。

3.4. 主键模型

适用场景： 适用于实时和频繁更新的场景

• 实时对接事务型数据至 StarRocks
• 利用部分列更新轻松实现多流 JOIN

建表示例

create table orders (
    dt date NOT NULL,
    order_id bigint NOT NULL,
    user_id int NOT NULL,
    merchant_id int NOT NULL,
    good_id int NOT NULL,
    good_name string NOT NULL,
    price int NOT NULL,
    cnt int NOT NULL,
    revenue int NOT NULL,
    state tinyint NOT NULL
) PRIMARY KEY (dt, order_id)
PARTITION BY RANGE(`dt`) (
    PARTITION p20210820 VALUES [('2021-08-20'), ('2021-08-21')),
    PARTITION p20210821 VALUES [('2021-08-21'), ('2021-08-22')),
    PARTITION p20210929 VALUES [('2021-09-29'), ('2021-09-30')),
    PARTITION p20210930 VALUES [('2021-09-30'), ('2021-10-01'))
) DISTRIBUTED BY HASH(order_id) BUCKETS 4 
PROPERTIES("replication_num" = "1","enable_persistent_index" = "true");

create table users (
    user_id bigint NOT NULL,
    name string NOT NULL,
    email string NULL,
    address string NULL,
    age tinyint NULL,
    sex tinyint NULL,
    last_active datetime,
    property0 tinyint NOT NULL
) PRIMARY KEY (user_id)
DISTRIBUTED BY HASH(user_id) BUCKETS 4 
PROPERTIES("replication_num" = "1","enable_persistent_index" = "true");

注意事项：

• 主键相关的说明：
  • 在建表语句中，主键必须定义在其他列之前。
  • 主键通过 PRIMARY KEY 定义。
  • 主键必须满足唯一性约束，且列的值不会修改。本示例中主键为 dt、order_id。
  • 主键支持以下数据类型：BOOLEAN、TINYINT、SMALLINT、INT、BIGINT、LARGEINT、DATE、DATETIME、VARCHAR/STRING。并且不允许为 NULL。
  • 分区列和分桶列必须在主键中。
  • 合理设置主键的列数和长度。建议主键为占用内存空间较少的数据类型，例如 INT、BIGINT 等，暂时不建议为 VARCHAR。
• the memory occupied by the primary key index 的计算公式： (主键长度+9) x 记录数量 x 副本数 x 1.5 = 占用内存大小
  • 9是每行不可变的开销，
  • 1.5是每个哈希表的平均额外开销
• enable_persistent_index:主键索引可以持久化到磁盘并存储在内存中，以避免占用太多内存。

4. 数据导入导出

4.1. 数据导入

• 所有导入方式都提供原子性保证，即同一个导入作业内的所有有效数据要么全部生效，要么全部不生效，不会出现仅导入部分数据的情况。
• 通过导入作业实现数据导入。每个导入作业都有一个标签 (Label)，由用户指定或系统自动生成，用于标识该导入作业
• 提供两种访问协议用于提交导入作业：MySQL 协议和 HTTP 协议

详见用法参见: 导入总览

4.2. 导出数据

导出使用详见EXPORT，
注意：

• 导出路径需要各个BE节点都可以访问，不能是本地路径
• 目前支持HDFS及对象存储，如
  • Alibaba Cloud OSS
  • Tencent Cloud COS
  • AWS S3
  • Huawei Cloud OBS
    
    导出示例SQL

EXPORT TABLE db1.tbl1 
PARTITION (p1,p2)
(col1, col3)
TO "hdfs://HDFS_IP:HDFS_Port/export/lineorder_" 
PROPERTIES
(
    "column_separator"=",",
    "load_mem_limit"="2147483648",
    "timeout" = "3600"
)
WITH BROKER
(
    "username" = "user",
    "password" = "passwd"
);

5. 使用 Catalog 管理和查询内外部数据

5.1. Catalog

外部数据：指保存在外部数据源（如 Apache Hive™、Apache Iceberg、Apache Hudi、Delta Lake、JDBC）中的数据。
通过Catalog不需要执行数据导入就可以直接查询

External catalog: 外部数据目录，用于连接外部 metastore。在 StarRocks 中，您可以通过 external catalog 直接查询外部数据，无需进行数据导入或迁移。当前支持创建以下类型的 external catalog：

• Hive catalog：用于查询 Hive 数据。
• 数据湖
  • Iceberg catalog：用于查询 Iceberg 数据。
  • Hudi catalog：用于查询 Hudi 数据。
  • Delta Lake catalog：用于查询 Delta Lake 数据。
• JDBC catalog：用于查询 JDBC 数据源的数据。

CREATE EXTERNAL CATALOG jdbc0
PROPERTIES
(
    "type"="jdbc",
    "user"="postgres",
    "password"="changeme",
    "jdbc_uri"="jdbc:postgresql://127.0.0.1:5432/jdbc_test",
    "driver_url"="https://repo1.maven.org/maven2/org/postgresql/postgresql/42.3.3/postgresql-42.3.3.jar",
    "driver_class"="org.postgresql.Driver"
);

CREATE EXTERNAL CATALOG jdbc1
PROPERTIES
(
    "type"="jdbc",
    "user"="root",
    "password"="changeme",
    "jdbc_uri"="jdbc:mysql://127.0.0.1:3306",
    "driver_url"="https://repo1.maven.org/maven2/mysql/mysql-connector-java/8.0.28/mysql-connector-java-8.0.28.jar",
    "driver_class"="com.mysql.cj.jdbc.Driver"
);

5.2. 外部表

StarRocks 支持以外部表 (External Table) 的形式，接入其他数据源。外部表指的是保存在其他数据源中的数据表，而 StartRocks 只保存表对应的元数据，并直接向外部表所在数据源发起查询。
目前 StarRocks 已支持的第三方数据源包括

• MySQL、
• StarRocks、
• Elasticsearch、
• Apache Hive™、
• Apache Iceberg
• Apache Hudi。

对于 StarRocks 数据源，现阶段只支持 Insert 写入，不支持读取，对于其他数据源，现阶段只支持读取，还不支持写入。

CREATE EXTERNAL TABLE mysql_external_table
(
    k1 DATE,
    k2 INT,
    k3 SMALLINT,
    k4 VARCHAR(2048),
    k5 DATETIME
)
ENGINE=mysql
PROPERTIES
(
    "host" = "127.0.0.1",
    "port" = "3306",
    "user" = "mysql_user",
    "password" = "mysql_passwd",
    "database" = "mysql_db_test",
    "table" = "mysql_table_test"
);

5.3. 文件外部表

文件外部表 (File External Table) 是一种特殊的外部表。您可以通过文件外部表直接查询外部存储系统上的 Parquet 和 ORC 格式的数据文件，无需导入数据。同时，文件外部表也不依赖任何 Metastore。StarRocks 当前支持的外部存储系统包括 HDFS、Amazon S3 及其他兼容 S3 协议的对象存储、阿里云对象存储 OSS 和腾讯云对象存储 COS。

USE db_example;
CREATE EXTERNAL TABLE table_1
(
    name string, 
    id int
) 
ENGINE=file
PROPERTIES 
(
    "path" = "s3://bucket-test/folder1/", 
    "format" = "orc",
    "aws.s3.use_instance_profile" = "true",
    "aws.s3.iam_role_arn" = "arn:aws:iam::51234343412:role/role_name_in_aws_iam",
    "aws.s3.region" = "us-west-2" 
);

6. 物化视图

6.1. 同步物化视图

同步物化视图下，所有对于基表的数据变更都会自动同步更新到物化视图中。您无需手动调用刷新命令，即可实现自动同步刷新物化视图。同步物化视图的管理成本和更新成本都比较低，适合实时场景下单表聚合查询的透明加速。

6.2. 异步物化视图

相较于同步物化视图，异步物化视图支持多表关联以及更加丰富的聚合算子。异步物化视图可以通过手动调用或定时任务的方式刷新，并且支持刷新部分分区，可以大幅降低刷新成本。除此之外，异步物化视图支持多种查询改写场景，实现自动、透明查询加速。

** 单表聚合**	多表关联	查询改写	刷新策略	基表
StarRocks 2.5 异步物化视图	是	是	是	异步定时刷新手动刷新	支持多表构建。基表可以来自：Default CatalogExternal Catalog已有异步物化视图
StarRocks 2.4 异步物化视图	是	是	否	异步定时刷新手动刷新	支持基于 Default Catalog 的多表构建
同步物化视图（Rollup）	仅部分聚合算子	否	是	导入同步刷新	仅支持基于 Default Catalog 的单表构建

6.3. Colocate Join（大表关联）

Colocate Join 功能是分布式系统实现 Join 数据分布的策略之一，能够减少数据多节点分布时 Join 操作引起的数据移动和网络传输，从而提高查询性能。

• 使用 Colocate Join 功能，您需要在建表时为其指定一个 Colocation Group（CG），同一 CG 内的表需遵循相同的 Colocation Group Schema（CGS），即表对应的分桶副本具有一致的分桶键、副本数量和副本放置方式
• 如此可以保证同一 CG 内，所有表的数据分布在相同一组 BE 节点上。当 Join 列为分桶键时，计算节点只需做本地 Join，从而减少数据在节点间的传输耗时，提高查询性能

7. 企业架构升级示例

案例1 海尔云链 金融数据查询增速三倍，服务器成本减半

• 在实时处理方面用 StarRocks 替代了以前的 Hbase+Phoenix，
• 离线数据方面也部分用 StarRocks 替代了 Hive+Alluxio+Presto。

迭代新架构后

• 查询效率大幅提升，查询平均耗时得到了大幅缩减
• 服务器成本整体减低到接近原体系架构的一半
• 以前使用多服务多组件，如今统一到 StarRocks，使得运维成本也得到了大大降低。
  

案例2 广告行业中的实时分析场景

• StarRocks 在写入和查询性能上都有比较好的表现；
• StarRocks 的主键能力能够承担部分 ElasticSearch 的点查点更新的场景；
• StarRocks 有 Connector 能力，能够直接将 ElasticSearch 作为外表关联进行一些数据探索的能力，同时也支持了谓词下推等能力，使 - - - StarRocks 与 ElasticSearch 的数据之间产生了很好的联系；
• 因为在非常高的 QPS 的情况下，StarRocks 的能力还未能满足 QPS 和 latency 的要求，所以目前只是部分的更新和点查场景交给了 StarRocks，依然保留了 ElasticSearch 与 StarRocks 共存的场景；
• StarRocks 的扩缩容能力较好，面对不断变化的业务负载有很好的管理。