Doris存储文件格式优化

文件格式

Doris存储文件格式优化 - 图1

图1. doris segment文件格式

文件包括：

  • 文件开始是8个字节的magic code，用于识别文件格式和版本
  • Data Region：用于存储各个列的数据信息，这里的数据是按需分page加载的
  • Index Region: doris中将各个列的index数据统一存储在Index Region，这里的数据会按照列粒度进行加载，所以跟列的数据信息分开存储
  • Footer信息
    • FileFooterPB:定义文件的元数据信息
    • 4个字节的footer pb内容的checksum
    • 4个字节的FileFooterPB消息长度，用于读取FileFooterPB
    • 8个字节的MAGIC CODE，之所以在末位存储，是方便不同的场景进行文件类型的识别

文件中的数据按照page的方式进行组织，page是编码和压缩的基本单位。现在的page类型包括以下几种:

DataPage

DataPage分为两种：nullable和non-nullable的data page。

nullable的data page内容包括：

  2.                  +----------------+
  3.                  |  value count   |
  4.                  |----------------|
  5.                  |  first row id  |
  6.                  |----------------|
  7.                  | bitmap length  |
  8.                  |----------------|
  9.                  |  null bitmap   |
  10.                  |----------------|
  11.                  |     data       |
  12.                  |----------------|
  13.                  |    checksum    |
  14.                  +----------------+

non-nullable data page结构如下：

  1.                  |----------------|
  2.                  |   value count  |
  3.                  |----------------|
  4.                  |  first row id  |
  5.                  |----------------|
  6.                  |     data       |
  7.                  |----------------|
  8.                  |    checksum    |
  9.                  +----------------+

其中各个字段含义如下：

  • value count
    • 表示page中的行数
  • first row id
    • page中第一行的行号
  • bitmap length
    • 表示接下来bitmap的字节数
  • null bitmap
    • 表示null信息的bitmap
  • data
    • 存储经过encoding和compress之后的数据
    • 需要在数据的头部信息中写入：is_compressed
    • 各种不同编码的data需要在头部信息写入一些字段信息，以实现数据的解析
      • TODO：添加各种encoding的header信息
  • checksum
    • 存储page粒度的校验和，包括page的header和之后的实际数据

Bloom Filter Pages

针对每个bloom filter列,会在page的粒度相应的生成一个bloom filter的page，保存在bloom filter pages区域

Ordinal Index Page

针对每个列，都会按照page粒度，建立行号的稀疏索引。内容为这个page的起始行的行号到这个block的指针（包括offset和length）

Short Key Index page

我们会每隔N行（可配置）生成一个short key的稀疏索引，索引的内容为：short key->行号(ordinal)

Column的其他索引

该格式设计支持后续扩展其他的索引信息，比如bitmap索引，spatial索引等等，只需要将需要的数据写到现有的列数据后面，并且添加对应的元数据字段到FileFooterPB中

元数据定义

FileFooterPB的定义为：

  1. message ColumnPB {
  2.     optional uint32 column_id = 1; // 这里使用column id，不使用column name是因为计划支持修改列名
  3.     optional string type = 2; // 列类型
  4.     optional string aggregation = 3; // 是否聚合
  5.     optional uint32 length = 4; // 长度
  6.     optional bool is_key = 5; // 是否是主键列
  7.     optional string default_value = 6; // 默认值
  8.     optional uint32 precision = 9 [default = 27]; // 精度
  9.     optional uint32 frac = 10 [default = 9];
  10.     optional bool is_nullable = 11 [default=false]; // 是否有null
  11.     optional bool is_bf_column = 15 [default=false]; // 是否有bf词典
  12.     optional bool is_bitmap_column = 16 [default=false]; // 是否有bitmap索引
  13. }
  15. // page偏移
  16. message PagePointerPB {
  17.     required uint64 offset; // page在文件中的偏移
  18.     required uint32 length; // page的大小
  19. }
  21. message MetadataPairPB {
  22.   optional string key = 1;
  23.   optional bytes value = 2;
  24. }
  26. message ColumnMetaPB {
  27.     optional ColumnMessage encoding; // 编码方式
  29.     optional PagePointerPB dict_page // 词典page
  30.     repeated PagePointerPB bloom_filter_pages; // bloom filter词典信息
  31.     optional PagePointerPB ordinal_index_page; // 行号索引数据
  32.     optional PagePointerPB page_zone_map_page; // page级别统计信息索引数据
  34.     optional PagePointerPB bitmap_index_page; // bitmap索引数据
  36.     optional uint64 data_footprint; // 列中索引的大小
  37.     optional uint64 index_footprint; // 列中数据的大小
  38.     optional uint64 raw_data_footprint; // 原始列数据大小
  40.     optional CompressKind compress_kind; // 列的压缩方式
  42.     optional ZoneMapPB column_zone_map; //文件级别的过滤条件
  43.     repeated MetadataPairPB column_meta_datas;
  44. }
  46. message FileFooterPB {
  47.     optional uint32 version = 2 [default = 1]; // 用于版本兼容和升级使用
  48.     repeated ColumnPB schema = 5; // 列Schema
  49.     optional uint64 num_values = 4; // 文件中保存的行数
  50.     optional uint64 index_footprint = 7; // 索引大小
  51.     optional uint64 data_footprint = 8; // 数据大小
  52.     optional uint64 raw_data_footprint = 8; // 原始数据大小
  54.     optional CompressKind compress_kind = 9 [default = COMPRESS_LZO]; // 压缩方式
  55.     repeated ColumnMetaPB column_metas = 10; // 列元数据
  56.     optional PagePointerPB key_index_page; // short key索引page
  57. }

读写逻辑

写入

大体的写入流程如下：

  1. 写入magic
  2. 根据schema信息，生成对应的ColumnWriter，每个ColumnWriter按照不同的类型，获取对应的encoding信息（可配置），根据encoding，生成对应的encoder
  3. 调用encoder->add(value)进行数据写入，每个K行，生成一个short key index entry，并且，如果当前的page满足一定条件（大小超过1M或者行数为K），就生成一个新的page，缓存在内存中。
  4. 不断的循环步骤3，直到数据写入完成。将各个列的数据依序刷入文件中
  5. 生成FileFooterPB信息，写入文件中。

相关的问题：

  • short key的索引如何生成？

    • 现在还是按照每隔多少行生成一个short key的稀疏索引，保持每隔1024行生成一个short的稀疏索引,具体的内容是：short key -> ordinal

  • ordinal索引里面应该存什么？

    • 存储page的第一个ordinal到page pointer的映射信息

  • 不同encoding类型的page里存什么？

    • 词典压缩
    • plain
    • rle
    • bshuf

读取

  1. 读取文件的magic，判断文件类型和版本
  2. 读取FileFooterPB，进行checksum校验
  3. 按照需要的列，读取short key索引和对应列的数据ordinal索引信息
  4. 使用start key和end key，通过short key索引定位到要读取的行号，然后通过ordinal索引确定需要读取的row ranges, 同时需要通过统计信息、bitmap索引等过滤需要读取的row ranges
  5. 然后按照row ranges通过ordinal索引读取行的数据

相关的问题：

  1. 如何实现在page内部快速的定位到某一行？

    page内部是的数据是经过encoding的，无法快速进行行级数据的定位。不同的encoding方式，在内部进行快速的行号定位的方案不一样，需要具体分析：

    • 如果是rle编码的，需要通过解析rle的header进行skip，直到到达包含该行的那个rle块之后，再进行反解。
    • binary plain encoding：会在page的中存储offset信息，并且会在page header中指定offset信息的offset，读取的时候会先解析offset信息到数组中，这样子就可以通过各个行的offset数据信息快速的定位block某一行的数据
  2. 如何实现块的高效读取？可以考虑将相邻的块在读取的时候进行merge，一次性读取？ 这个需要在读取的时候，判断block是否连续，如果连续，就一次性的读取

编码

现有的doris存储中，针对string类型的编码，采用plain encoding的方式，效率比较低。经过对比，发现在百度统计的场景下，数据会因为string类型的编码膨胀超过一倍。所以，计划引入基于词典的编码压缩。

压缩

实现可扩展的压缩框架，支持多种压缩算法，方便后续添加新的压缩算法，计划引入zstd压缩。

TODO

  1. 如何实现嵌套类型？如何在嵌套类型中进行行号定位？
  2. 如何优化现在的ScanRange拆分导致的下游bitmap、column statistic统计等进行多次？