Rollup与查询
Rollup与查询 - Apache Doris https://doris.apache.org/zh-CN/docs/1.2/data-table/hit-the-rollup/
Rollup与查询
ROLLUP 在多维分析中是“上卷”的意思，即将数据按某种指定的粒度进行进一步聚合。
基本概念
在 Doris 中，我们将用户通过建表语句创建出来的表称为 Base 表（Base Table）。Base 表中保存着按用户建表语句指定的方式存储的基础数据。
在 Base 表之上，我们可以创建任意多个 ROLLUP 表。这些 ROLLUP 的数据是基于 Base 表产生的，并且在物理上是独立存储的。
ROLLUP 表的基本作用，在于在 Base 表的基础上，获得更粗粒度的聚合数据。
下面我们用示例详细说明在不同数据模型中的 ROLLUP 表及其作用。
Aggregate 和 Unique 模型中的 ROLLUP
因为 Unique 只是 Aggregate 模型的一个特例，所以这里我们不加以区别。
- 示例1：获得每个用户的总消费
接 数据模型Aggregate 模型小节的示例2，Base 表结构如下：
| ColumnName | Type | AggregationType | Comment |
|---|---|---|---|
| user_id | LARGEINT | 用户id | |
| date | DATE | 数据灌入日期 | |
| timestamp | DATETIME | 数据灌入时间，精确到秒 | |
| city | VARCHAR(20) | 用户所在城市 | |
| age | SMALLINT | 用户年龄 | |
| sex | TINYINT | 用户性别 | |
| last_visit_date | DATETIME | REPLACE | 用户最后一次访问时间 |
| cost | BIGINT | SUM | 用户总消费 |
| max_dwell_time | INT | MAX | 用户最大停留时间 |
| min_dwell_time | INT | MIN | 用户最小停留时间 |
存储的数据如下：
| user_id | date | timestamp | city | age | sex | last_visit_date | cost | max_dwell_time | min_dwell_time |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10000 | 2017-10-01 | 2017-10-01 08:00:05 | 北京 | 20 | 0 | 2017-10-01 06:00:00 | 20 | 10 | 10 |
| 10000 | 2017-10-01 | 2017-10-01 09:00:05 | 北京 | 20 | 0 | 2017-10-01 07:00:00 | 15 | 2 | 2 |
| 10001 | 2017-10-01 | 2017-10-01 18:12:10 | 北京 | 30 | 1 | 2017-10-01 17:05:45 | 2 | 22 | 22 |
| 10002 | 2017-10-02 | 2017-10-02 13:10:00 | 上海 | 20 | 1 | 2017-10-02 12:59:12 | 200 | 5 | 5 |
| 10003 | 2017-10-02 | 2017-10-02 13:15:00 | 广州 | 32 | 0 | 2017-10-02 11:20:00 | 30 | 11 | 11 |
| 10004 | 2017-10-01 | 2017-10-01 12:12:48 | 深圳 | 35 | 0 | 2017-10-01 10:00:15 | 100 | 3 | 3 |
| 10004 | 2017-10-03 | 2017-10-03 12:38:20 | 深圳 | 35 | 0 | 2017-10-03 10:20:22 | 11 | 6 | 6 |
在此基础上，我们创建一个 ROLLUP：
| ColumnName |
|---|
| user_id |
| cost |
该 ROLLUP 只包含两列：user_id 和 cost。则创建完成后，该 ROLLUP 中存储的数据如下：
| user_id | cost |
|---|---|
| 10000 | 35 |
| 10001 | 2 |
| 10002 | 200 |
| 10003 | 30 |
| 10004 | 111 |
可以看到，ROLLUP 中仅保留了每个 user_id，在 cost 列上的 SUM 的结果。那么当我们进行如下查询时:
SELECT user_id, sum(cost) FROM table GROUP BY user_id;
Doris 会自动命中这个 ROLLUP 表，从而只需扫描极少的数据量，即可完成这次聚合查询。
- 示例2：获得不同城市，不同年龄段用户的总消费、最长和最短页面驻留时间
紧接示例1。我们在 Base 表基础之上，再创建一个 ROLLUP：
| ColumnName | Type | AggregationType | Comment |
|---|---|---|---|
| city | VARCHAR(20) | 用户所在城市 | |
| age | SMALLINT | 用户年龄 | |
| cost | BIGINT | SUM | 用户总消费 |
| max_dwell_time | INT | MAX | 用户最大停留时间 |
| min_dwell_time | INT | MIN | 用户最小停留时间 |
则创建完成后，该 ROLLUP 中存储的数据如下：
| city | age | cost | max_dwell_time | min_dwell_time |
|---|---|---|---|---|
| 北京 | 20 | 35 | 10 | 2 |
| 北京 | 30 | 2 | 22 | 22 |
| 上海 | 20 | 200 | 5 | 5 |
| 广州 | 32 | 30 | 11 | 11 |
| 深圳 | 35 | 111 | 6 | 3 |
当我们进行如下这些查询时:
mysql> SELECT city, age, sum(cost), max(max_dwell_time), min(min_dwell_time) FROM table GROUP BY city, age;
mysql> SELECT city, sum(cost), max(max_dwell_time), min(min_dwell_time) FROM table GROUP BY city;
mysql> SELECT city, age, sum(cost), min(min_dwell_time) FROM table GROUP BY city, age;
Doris 执行这些sql时会自动命中这个 ROLLUP 表。
Duplicate 模型中的 ROLLUP
因为 Duplicate 模型没有聚合的语意。所以该模型中的 ROLLUP，已经失去了“上卷”这一层含义。而仅仅是作为调整列顺序，以命中前缀索引的作用。我们将在前缀索引详细介绍前缀索引，以及如何使用ROLLUP改变前缀索引，以获得更好的查询效率。
ROLLUP 调整前缀索引
因为建表时已经指定了列顺序，所以一个表只有一种前缀索引。这对于使用其他不能命中前缀索引的列作为条件进行的查询来说，效率上可能无法满足需求。因此，我们可以通过创建 ROLLUP 来人为的调整列顺序。举例说明：
Base 表结构如下：
| ColumnName | Type |
|---|---|
| user_id | BIGINT |
| age | INT |
| message | VARCHAR(100) |
| max_dwell_time | DATETIME |
| min_dwell_time | DATETIME |
我们可以在此基础上创建一个 ROLLUP 表：
| ColumnName | Type |
|---|---|
| age | INT |
| user_id | BIGINT |
| message | VARCHAR(100) |
| max_dwell_time | DATETIME |
| min_dwell_time | DATETIME |
可以看到，ROLLUP 和 Base 表的列完全一样，只是将 user_id 和 age 的顺序调换了。那么当我们进行如下查询时：
mysql> SELECT * FROM table where age=20 and message LIKE "%error%";
会优先选择 ROLLUP 表，因为 ROLLUP 的前缀索引匹配度更高。
ROLLUP使用说明
- ROLLUP 最根本的作用是提高某些查询的查询效率（无论是通过聚合来减少数据量，还是修改列顺序以匹配前缀索引）。因此 ROLLUP 的含义已经超出了 “上卷” 的范围。这也是为什么我们在源代码中，将其命名为 Materialized Index（物化索引）的原因。
- ROLLUP 是附属于 Base 表的，可以看做是 Base 表的一种辅助数据结构。用户可以在 Base 表的基础上，创建或删除 ROLLUP，但是不能在查询中显式的指定查询某 ROLLUP。是否命中 ROLLUP 完全由 Doris 系统自动决定。
- ROLLUP 的数据是独立物理存储的。因此，创建的 ROLLUP 越多，占用的磁盘空间也就越大。同时对导入速度也会有影响（导入的ETL阶段会自动产生所有 ROLLUP 的数据），但是不会降低查询效率（只会更好）。
- ROLLUP 的数据更新与 Base 表是完全同步的。用户无需关心这个问题。
- ROLLUP 中列的聚合方式，与 Base 表完全相同。在创建 ROLLUP 无需指定，也不能修改。
- 查询能否命中 ROLLUP 的一个必要条件（非充分条件）是，查询所涉及的所有列（包括 select list 和 where 中的查询条件列等）都存在于该 ROLLUP 的列中。否则，查询只能命中 Base 表。
- 某些类型的查询（如 count(*)）在任何条件下，都无法命中 ROLLUP。具体参见接下来的 聚合模型的局限性 一节。
- 可以通过
EXPLAIN your_sql;命令获得查询执行计划，在执行计划中，查看是否命中 ROLLUP。 - 可以通过
DESC tbl_name ALL;语句显示 Base 表和所有已创建完成的 ROLLUP。
查询
在 Doris 里 Rollup 作为一份聚合物化视图，其在查询中可以起到两个作用：
- 索引
- 聚合数据（仅用于聚合模型，即aggregate key）
但是为了命中 Rollup 需要满足一定的条件，并且可以通过执行计划中 ScanNode 节点的 PreAggregation 的值来判断是否可以命中 Rollup，以及 Rollup 字段来判断命中的是哪一张 Rollup 表。
索引
前面的前缀索引中已经介绍过 Doris 的前缀索引，即 Doris 会把 Base/Rollup 表中的前 36 个字节（有 varchar 类型则可能导致前缀索引不满 36 个字节，varchar 会截断前缀索引，并且最多使用 varchar 的 20 个字节）在底层存储引擎单独生成一份排序的稀疏索引数据(数据也是排序的，用索引定位，然后在数据中做二分查找)，然后在查询的时候会根据查询中的条件来匹配每个 Base/Rollup 的前缀索引，并且选择出匹配前缀索引最长的一个 Base/Rollup。
-----> 从左到右匹配
+----+----+----+----+----+----+
| c1 | c2 | c3 | c4 | c5 |... |
如上图，取查询中 where 以及 on 上下推到 ScanNode 的条件，从前缀索引的第一列开始匹配，检查条件中是否有这些列，有则累计匹配的长度，直到匹配不上或者36字节结束（varchar类型的列只能匹配20个字节，并且会匹配不足36个字节截断前缀索引），然后选择出匹配长度最长的一个 Base/Rollup，下面举例说明，创建了一张Base表以及四张rollup：
+---------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
| IndexName | Field | Type | Null | Key | Default | Extra |
+---------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
| test | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup_index1 | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup_index2 | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup_index3 | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup_index4 | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
+---------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
这五张表的前缀索引分别为
Base(k1 ,k2, k3, k4, k5, k6, k7)
rollup_index1(k9)
rollup_index2(k9)
rollup_index3(k4, k5, k6, k1, k2, k3, k7)
rollup_index4(k4, k6, k5, k1, k2, k3, k7)
能用的上前缀索引的列上的条件需要是 = < > <= >= in between 这些并且这些条件是并列的且关系使用 and 连接，对于or、!= 等这些不能命中，然后看以下查询：
SELECT * FROM test WHERE k1 = 1 AND k2 > 3;
有 k1 以及 k2 上的条件，检查只有 Base 的第一列含有条件里的 k1，所以匹配最长的前缀索引即 test，explain一下：
| 0:OlapScanNode
| TABLE: test
| PREAGGREGATION: OFF. Reason: No AggregateInfo
| PREDICATES: `k1` = 1, `k2` > 3
| partitions=1/1
| rollup: test
| buckets=1/10
| cardinality=-1
| avgRowSize=0.0
| numNodes=0
| tuple ids: 0
再看以下查询：
SELECT * FROM test WHERE k4 = 1 AND k5 > 3;
有 k4 以及 k5 的条件，检查 rollup_index3、rollup_index4 的第一列含有 k4，但是 rollup_index3 的第二列含有k5，所以匹配的前缀索引最长。
| 0:OlapScanNode
| TABLE: test
| PREAGGREGATION: OFF. Reason: No AggregateInfo
| PREDICATES: `k4` = 1, `k5` > 3
| partitions=1/1
| rollup: rollup_index3
| buckets=10/10
| cardinality=-1
| avgRowSize=0.0
| numNodes=0
| tuple ids: 0
现在我们尝试匹配含有 varchar 列上的条件，如下：
SELECT * FROM test WHERE k9 IN ("xxx", "yyyy") AND k1 = 10;
有 k9 以及 k1 两个条件，rollup_index1 以及 rollup_index2 的第一列都含有 k9，按理说这里选择这两个 rollup 都可以命中前缀索引并且效果是一样的随机选择一个即可（因为这里 varchar 刚好20个字节，前缀索引不足36个字节被截断），但是当前策略这里还会继续匹配 k1，因为 rollup_index1 的第二列为 k1，所以选择了 rollup_index1，其实后面的 k1 条件并不会起到加速的作用。(如果对于前缀索引外的条件需要其可以起到加速查询的目的，可以通过建立 Bloom Filter 过滤器加速。一般对于字符串类型建立即可，因为 Doris 针对列存在 Block 级别对于整型、日期已经有 Min/Max 索引) 以下是 explain 的结果。
| 0:OlapScanNode
| TABLE: test
| PREAGGREGATION: OFF. Reason: No AggregateInfo
| PREDICATES: `k9` IN ('xxx', 'yyyy'), `k1` = 10
| partitions=1/1
| rollup: rollup_index1
| buckets=1/10
| cardinality=-1
| avgRowSize=0.0
| numNodes=0
| tuple ids: 0
最后看一个多张Rollup都可以命中的查询：
SELECT * FROM test WHERE k4 < 1000 AND k5 = 80 AND k6 >= 10000;
有 k4,k5,k6 三个条件，rollup_index3 以及 rollup_index4 的前3列分别含有这三列，所以两者匹配的前缀索引长度一致，选取两者都可以，当前默认的策略为选取了比较早创建的一张 rollup，这里为 rollup_index3。
| 0:OlapScanNode
| TABLE: test
| PREAGGREGATION: OFF. Reason: No AggregateInfo
| PREDICATES: `k4` < 1000, `k5` = 80, `k6` >= 10000.0
| partitions=1/1
| rollup: rollup_index3
| buckets=10/10
| cardinality=-1
| avgRowSize=0.0
| numNodes=0
| tuple ids: 0
如果稍微修改上面的查询为：
SELECT * FROM test WHERE k4 < 1000 AND k5 = 80 OR k6 >= 10000;
则这里的查询不能命中前缀索引。（甚至 Doris 存储引擎内的任何 Min/Max,BloomFilter 索引都不能起作用)
聚合数据
当然一般的聚合物化视图其聚合数据的功能是必不可少的，这类物化视图对于聚合类查询或报表类查询都有非常大的帮助，要命中聚合物化视图需要下面一些前提：
- 查询或者子查询中涉及的所有列都存在一张独立的 Rollup 中。
- 如果查询或者子查询中有 Join，则 Join 的类型需要是 Inner join。
以下是可以命中Rollup的一些聚合查询的种类，
| 列类型 查询类型 | Sum | Distinct/Count Distinct | Min | Max | APPROX_COUNT_DISTINCT |
|---|---|---|---|---|---|
| Key | false | true | true | true | true |
| Value(Sum) | true | false | false | false | false |
| Value(Replace) | false | false | false | false | false |
| Value(Min) | false | false | true | false | false |
| Value(Max) | false | false | false | true | false |
如果符合上述条件，则针对聚合模型在判断命中 Rollup 的时候会有两个阶段：
- 首先通过条件匹配出命中前缀索引索引最长的 Rollup 表，见上述索引策略。
- 然后比较 Rollup 的行数，选择最小的一张 Rollup。
如下 Base 表以及 Rollup：
+-------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
| IndexName | Field | Type | Null | Key | Default | Extra |
+-------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
| test_rollup | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k6 | CHAR(5) | Yes | true | N/A | |
| | k7 | DATE | Yes | true | N/A | |
| | k8 | DATETIME | Yes | true | N/A | |
| | k9 | VARCHAR(20) | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup2 | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
| | | | | | | |
| rollup1 | k1 | TINYINT | Yes | true | N/A | |
| | k2 | SMALLINT | Yes | true | N/A | |
| | k3 | INT | Yes | true | N/A | |
| | k4 | BIGINT | Yes | true | N/A | |
| | k5 | DECIMAL(9,3) | Yes | true | N/A | |
| | k10 | DOUBLE | Yes | false | N/A | MAX |
| | k11 | FLOAT | Yes | false | N/A | SUM |
+-------------+-------+--------------+------+-------+---------+-------+
看以下查询：
SELECT SUM(k11) FROM test_rollup WHERE k1 = 10 AND k2 > 200 AND k3 in (1,2,3);
首先判断查询是否可以命中聚合的 Rollup表，经过查上面的图是可以的，然后条件中含有 k1,k2,k3 三个条件，这三个条件 test_rollup、rollup1、rollup2 的前三列都含有，所以前缀索引长度一致，然后比较行数显然 rollup2 的聚合程度最高行数最少所以选取 rollup2。
| 0:OlapScanNode |
| TABLE: test_rollup |
| PREAGGREGATION: ON |
| PREDICATES: `k1` = 10, `k2` > 200, `k3` IN (1, 2, 3) |
| partitions=1/1 |
| rollup: rollup2 |
| buckets=1/10 |
| cardinality=-1 |
| avgRowSize=0.0 |
| numNodes=0 |
| tuple ids: 0 |
