如何做到单机毫秒完成上亿规模大数据常规统计

谁践踏了优雅 2022-05-26 09:14 544阅读 0赞

虽然现在最火的是AI，但是大数据和计算能力仍然是机器学习/AI算法的重要支撑，我们的业务场景大部分是通过手机终端、服务器日志不断产生日志数据，通过消息通道发送到大数据平台进行存储、加工和统计，然后在统计数据之上提供算法挖掘用户偏好行为和画像，为此，我们的关键任务是需要从海量数据里统计分析每项产品的去重用户、新增用户、pv、uv、dau（日活）、mau（月活）等指标，这个过程存储占用越少，计算时间越快越好。Fourinone(CoolHash)拥有原创数据库引擎设计能力和知识产权，能够在引擎层面灵活扩充各种功能支持，为了提供大数据统计计算的最优解决方案，4.17在引擎上增强了以下特性：

### **一、增加了自加和存在新增两个原子操作** ###

#### **1. Object putPlus(String key, T plusValue)** ####

如果key对应的value是数字类型（int、long、double、float），自增加plusValue（数字类型），如plusValue=1，表示每次自增1，plusValue也可以是小数。如果key对应的value是字符串类型，自增加plusValue（字符串），会累加到原字符串后面，可以用分隔符隔开。putPlus的返回值为该key的上一个值。

#### **2. Object putNx(String key, T value)** ####

如果key存在，则不操作，如不存在写入value。putNx返回值为key操作前值，为null表示不存在，否则返回已有值。

利用putPlus和putNx可以完成很多原子操作，如count类计数统计，在开源包指南附带的CountDemo.java里的countTest方法演示了putPlus的使用，在ThreadClient.java的putPlusTest方法和putNxTest方法演示了多线程下的使用。

pvTest方法演示了计算pv，如果id不存在则写入，并将pv数自加1，其他线程发现id存在，则无法更新pv数

Object nx = chc.putNx("v0_"+i, i);
    if(nx==null)
        chc.putPlus("pv_v0",1);

#### **二、增加了客户端本地和存储引擎端强大的bitmap支持** ####

上面通过putPlus和putNx原子操作可以计算pv，但并不是最高效的方案，使用bitmap有两个非常显著的优势：位存储占用空间低，位计算效率高。将需要做统计计算的id转换成数字序号，每个只占1个bit，对于20亿的用户id，只需要20亿bit约238m大小，压缩后占用空间更小，最少只要200k；通过单个bitmap可以完成去重操作，通过多个bitmap的且、或、异或、反等位操作可以完成日活、月活、小时分钟活跃、重度用户、新增用户、用户流向等绝大部分的统计计算，而且能在单机毫秒级完成，真正做到实时计算出结果，同比hadoop/hive离线计算执行“select distinct count…from…groupby join…”类似sql的方式统计，往往需要几百台机器，耗用30分钟才能完成，对比非常悬殊，而且容易形成大量sql任务调度和大表join给集群带来繁重压力。（图）

![图片描述][20171222100015112]

1.  去重用户：求1的总数
2.  活跃用户:取或  
    bitmap1 | bitmap2
3.  非活跃用户：取反：  
    ～bitmap1
4.  重度用户：取且：  
    Bitmap1 & bitmap2
5.  新增用户：取或加异或：  
    (Bitmap1 | bitmap2)^bitmap1
6.  多种指标组合：  
    Bitmap1 & bitmap2 & bitmap3 &…  
    等等

同时提供bitmap本地和引擎端互通实现，能够进行更灵活的架构设计，可以将bitmap压缩存储到任何数据库上，客户端拉回后完成聚合计算，计算完成的结果再写回数据库。也可以多个客户端同时连接到CoolHash存储引擎上，通过引擎的bitmap操作支持完成去重、聚合、解压缩等支持。BitMap结合存储引擎如下图：

![图片描述][20171222100237705]

**1. 本地内存实现，CoolBitSet实现了以下bitmap功能：**

CoolBitSet(int maxSize)，可指定大小限制，默认1000万大小，本地没有最大限制，可以使用多个分区的bitmap表示整型范围或长整型范围的数据，每个1000万的bitmap压缩后在2m以内，很适合放入kv存储。

（1）基本操作：CoolBitSet提供基本的get(int n)、set(int n)、put(int n)操作，其中put为存在返回get，不存在set，除外还提供批量操作：int set(CoolBitSet cbs): 将另外一个bitmap对象合并到当前bitmap，并返回新增的数量。  
（2）聚合操作：求且、求或、异或、求反、求新增  
CoolBitSet and(CoolBitSet cbs)：两个CoolBitSet求且，更新到当前对象，并返回该对象引用  
CoolBitSet or(CoolBitSet cbs)：两个CoolBitSet求或，同上  
CoolBitSet xor(CoolBitSet cbs)：两个CoolBitSet求异或，同上  
CoolBitSet andnot()：将该CoolBitSet对象求反，同上  
CoolBitSet setNew(CoolBitSet cbs)：求当前CoolBitSet的新增用户，并返回新增用户结果的对象引用  
（3）求总数：int getTotal()返回该CoolBitSet的用户总数，bit位是1的总数量  
（4）求容量：int getSize()返回该CoolBitSet的容量大小  
（5）调试查看：String toString(int num)返回该CoolBitSet的二进制字符串，为了减少长度，参数num为需要查看的byte数，如num=5表示查看前5个byte的二进制串

和java的bitmap的实现区别：jdk自带的BitSet类是以long数组实现，而且只能初始化大小，无法限制大小，每个bitset要耗用几百m的内存，多个bitmap容易造成空间大量浪费，BitSet类只是本地内存实现，没有分布式存储引擎持久化支持。

**2. 引擎端持久化实现，CoolHashClient提供了以下接口用来操作存储引擎：**

（1）int putBitSet(String key, int index)：  
单项操作，类似CoolBitSet的put，第一个参数为bitmap的key，第二个参数将该bitmap的index位置设为1。  
（2）boolean getBitSet(String key, int index)：  
单项操作，类似CoolBitSet的get，第一个参数为bitmap的key，第二个参数需要获取的index位置的值。  
（3）int putBitSet(String key, CoolBitSet cbs)：  
批量操作，类似CoolBitSet的批量set，将另外一个bitmap对象合并到指定key的bitmap，并返回新增的数量。获取CoolBitSet对象仍然使用get接口Object get(String key)  
（4）Object putBitSet(String key, CoolBitSet cbs, String logical)：  
聚合操作，参数logical可以设置为“and”，“or”，“xor”，“andnot”,”new”之一，对于“andnot”，参数cbs并不起作用，可以传入任意不为空的CoolBitSet对象。聚合操作会作用到该key指定的bitmap上，返回值为聚合后的CoolBitSet对象。

以上操作遵循CoolHash的k/v存储约束，k为字符串，v不超过2m（可修改默认配置大小）。

注意CoolBitSet对象可以用三种方式进行k/v存储和压缩：

（1）存储为bitSet格式，合并数据：putBitSet(String key, CoolBitSet cbs)  
（2）存储为bitSet格式，直接覆盖：put(String key, CoolBitSet cbs)  
（3）普通kv存储格式，非bitSet格式：put(String key, cbs.getBytes());

由于是对象存储，三种put方式都会对value数据进行压缩，采用压缩率和耗时比较平衡的gzip压缩。

前两种bitSet格式存储方式，会验证CoolBitSet大小不能超过1亿，否则不能提交。

第三种普通kv存储格式，没有1亿的限制，只要压缩后大小不超过2m，可以正常提交，但由于不是CoolBitSet格式，存储引擎无法识别做聚合等操作。

和redis的bitmap的实现区别：redis实现了bitmap的单项操作和聚合操作，但是没有批量操作，也没有压缩，通过offset指定偏移量的方式分配空间容易造成浪费。

*  开源包指南附带CountDemo.java里的演示：

bitSetTest方法：先演示了全量存储，写入10亿数据到1个bitmap，耗时不到1秒；再演示了分区存储，将1亿大小的数据分成10个1000万大小的bitmap存储。  
realtimeStatistics方法：演示基于bitmap做用户去重、活跃用户、非活跃用户、重度用户、新增用户等实时计算。

*  retainLocal方法和retainServer方法：

分别演示了如何使用本地内存和存储引擎计算用户留存。

**3. 增加String类型的bitmap支持：**

StringBitMap实现了String类型的bitMap，通过对hash算法的改进，能够做到1亿字符串数据只有200多的碰撞率，5000万内数据几乎没有碰撞率，对于不超过1亿的数据是很合适的，但1亿以上的字符串数量仍然不合适，碰撞率会大幅上升。开源包指南附带CountDemo.java里的stringBitMapTest方法演示了模拟1000万随机生成的15位IMEI设备号，并返回碰撞个数。

**4. 17.10版本同时提供jdk1.8.0\_151编译下”fourinone.jar”包和jdk1.7.0\_80编译下”fourinone-jdk7.jar”包。** 4.17.10版本更新github code和gitee code，本版本所有开源内容已经进行了公司报备，感谢领导对开源的支持。  
[https://github.com/fourinone/fourinone][https_github.com_fourinone_fourinone]  
[https://gitee.com/fourinone/fourinone][https_gitee.com_fourinone_fourinone]

> 文/彭渊 责编/钱曙光

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[https_github.com_fourinone_fourinone]: https://github.com/fourinone/fourinone
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