Apache Kylin的实践与优化

背景

销售业务的特点是规模大、领域多、需求密。美团到店餐饮擎天销售系统（以下简称“擎天”）作为销售数据支持的主要载体，不仅涉及的范围较广，而且面临的技术场景也非常复杂（多组织层级数据展示及鉴权、超过1/3的指标需要精准去重，峰值查询已经达到数万级别）。在这样的业务背景下，建设稳定高效的OLAP引擎，协助分析人员快速决策，已经成为到餐擎天的核心目标。

Apache Kylin是一个基于hadoop大数据平台打造的开源OLAP引擎，它采用了多维立方体预计算技术，利用空间换时间的方法，将查询速度提升至亚秒级别，极大地提高了数据分析的效率，并带来了便捷、灵活的查询功能。基于技术与业务匹配度，擎天于2016年采用Kylin作为OLAP引擎，接下来的几年里，这套系统高效地支撑了我们的数据分析体系。

2020年，美团到餐业务发展较快，数据指标也迅速增加。基于Kylin的这套系统，在构建和查询上均出现了严重的效率问题，从而影响到数据的分析决策，并给用户体验优化带来了很大的阻碍。技术团队经过半年左右的时间，对Kylin进行一系列的优化迭代，包括维度裁剪、模型设计以及资源适配等等等，帮助销售业绩数据SLA从90%提升至99.99%。基于这次实战，我们沉淀了一套涵盖了“原理解读”、“过程拆解”、“实施路线”的技术方案。希望这些经验与总结，能够帮助业界更多的技术团队提高数据产出与业务决策的效率。

问题与目标

销售作为衔接平台和商家的桥梁，包含销售到店和电话拜访两种业务模式，以战区、人力组织架构逐级管理，所有分析均需要按2套组织层级查看。在指标口径一致、数据产出及时等要求下，我们结合Kylin的预计算思想，进行了数据的架构设计。如下图所示：

而Kylin计算维度组合的公式是2^N（N为维度个数），官方提供维度剪枝的方式，减少维度组合个数。但由于到餐业务的特殊性，单任务不可裁剪的组合个数仍高达1000+。在需求迭代以及人力、战区组织变动的场景下，需要回溯全部历史数据，会耗费大量的资源以及超高的构建时长。而基于业务划分的架构设计，虽能够极大地保证数据产出的解耦，保证指标口径的一致性，但是对Kylin构建产生了很大的压力，进而导致资源占用大、耗时长。基于以上业务现状，我们归纳了Kylin的MOLAP模式下存在的问题，具体如下：

• 效率问题命中难（实现原理）：构建过程步骤多，各步骤之间强关联，仅从问题的表象很难发现问题的根本原因，无法行之有效地解决问题。
• 构建引擎未迭代（构建过程）：历史任务仍采用MapReduce作为构建引擎，没有切换到构建效率更高的Spark。
• 资源利用不合理（构建过程）：资源浪费、资源等待，默认平台动态资源适配方式，导致小任务申请了大量资源，数据切分不合理，产生了大量的小文件，从而造成资源浪费、大量任务等待。
  
• 核心任务耗时长（实施路线）：擎天销售交易业绩数据指标的源表数据量大、维度组合多、膨胀率高，导致每天构建的时长超过2个小时。
• SLA质量不达标（实施路线）：SLA的整体达成率未能达到预期目标。
  

在认真分析完问题，并确定提效的大目标后，我们对Kylin的构建过程进行了分类，拆解出在构建过程中能提升效率的核心环节，通过“原理解读”、“层层拆解”、“由点及面”的手段，达成双向降低的目标。具体量化目标如下图所示：

优化前提-原理解读

为了解决效率提升定位难、归因难的问题，我们解读了Kylin构建原理，包含了预计算思想以及By-layer逐层算法。

预计算

根据维度组合出所有可能的维度，对多维分析可能用到的指标进行预计算，将计算好的结果保存成Cube。假设我们有4个维度，这个Cube中每个节点（称作Cuboid）都是这4个维度的不同组合，每个组合定义了一组分析的维度（如group by），指标的聚合结果就保存在每个Cuboid上。查询时，我们根据SQL找到对应的Cuboid，读取指标的值，即可返回。如下图所示：

By-layer逐层算法

一个N维的Cube，是由1个N维子立方体、N个（N-1）维子立方体、N*(N-1)/2个(N-2)维子立方体、……N个1维子立方体和1个0维子立方体构成，总共有 2^N个子立方体。在逐层算法中，按照维度数逐层减少来计算，每个层级的计算（除了第一层，由原始数据聚合而来），是基于上一层级的计算结果来计算的。例如：group by [A,B]的结果，可以基于group by [A,B,C]的结果，通过去掉C后聚合得来的，这样可以减少重复计算，当0维Cuboid计算出来的时候，整个Cube的计算也就完成了。如下图所示：

过程分析-层层拆解

在了解完Kylin的底层原理后，我们将优化的方向锁定在“引擎选择”、“数据读取”、“构建字典”、“分层构建”、“文件转换”五个环节，再细化各阶段的问题、思路及目标后，我们终于做到了在降低计算资源的同时降低了耗时。详情如下表所示：

构建引擎选择

目前，我们已经将构建引擎已逐步切换为Spark。擎天早在2016年就使用Kylin作为OLAP引擎，历史任务没有切换，仅仅针对MapReduce做了参数优化。其实在2017年，Kylin官网已启用Spark作为构建引擎（官网启用Spark构建引擎），构建效率相较MapReduce提升1至3倍，还可通过Cube设计选择切换，如下图所示：

读取源数据

Kylin以外部表的方式读取Hive中的源数据，表中的数据文件（存储在HDFS）作为下一个子任务的输入，此过程可能存在小文件问题。当前，Kylin上游数据宽表文件数分布比较合理，无需在上游设置合并，如果强行合并反而会增加上游源表数据加工时间。

对于项目需求，要回刷历史数据或增加维度组合，需要重新构建全部的数据，通常采用按月构建的方式回刷历史，加载的分区过多出现小文件问题，导致此过程执行缓慢。在Kylin级别重写配置文件，对小文件进行合并，减少Map数量，可有效地提升读取效率。

合并源表小文件：合并Hive源表中小文件个数，控制每个Job并行的Task个数。调整参数如下表所示：

Kylin级别参数重写：设置Map读取过程的文件大小。调整参数如下表所示：

构建字典

Kylin通过计算Hive表出现的维度值，创建维度字典，将维度值映射成编码，并保存保存统计信息，节约HBase存储资源。每一种维度组合，称为一个Cuboid。理论上来说，一个N维的Cube，便有2^N种维度组合。

组合数量查看

在对维度组合剪枝后，实际计算维度组合难以计算，可通过执行日志（截图为提取事实表唯一列的步骤中，最后一个Reduce的日志），查看具体的维度组合数量。如下图所示：

全局字典依赖

擎天有很多业务场景需要精确去重，当存在多个全局字典列时，可设置列依赖，例如：当同时存在“门店数量”、“在线门店数量”数据指标，可设置列依赖，减少对超高基维度的计算。如下图所示：

计算资源配置

当指标中存在多个精准去重指标时，可适当增加计算资源，提升对高基维度构建的效率。参数设置如下表所示：

分层构建

此过程为Kylin构建的核心，切换Spark引擎后，默认只采用By-layer逐层算法，不再自动选择（By-layer逐层算法、快速算法）。Spark在实现By-layer逐层算法的过程中，从最底层的Cuboid一层一层地向上计算，直到计算出最顶层的Cuboid（相当于执行了一个不带group by的查询），将各层的结果数据缓存到内存中，跳过每次数据的读取过程，直接依赖上层的缓存数据，大大提高了执行效率。Spark执行过程具体内容如下。

Job阶段

Job个数为By-layer算法树的层数，Spark将每层结果数据的输出，作为一个Job。如下图所示：

Stage阶段

每个Job对应两个Stage阶段，分为读取上层缓存数据和缓存该层计算后的结果数据。如下图所示：

Task并行度设置

Kylin根据预估每层构建Cuboid组合数据的大小（可通过维度剪枝的方式，减少维度组合的数量，降低Cuboid组合数据的大小，提升构建效率，本文暂不详细介绍）和分割数据的参数值计算出任务并行度。计算公式如下：

• Task个数计算公式：Min(MapSize/cut-mb ，MaxPartition) ；Max(MapSize/cut-mb ，MinPartition)
  • MapSize：每层构建的Cuboid组合大小，即：Kylin对各层级维度组合大小的预估值。
  • cut-mb：分割数据大小，控制Task任务并行个数，可通过kylin.engine.spark.rdd-partition-cut-mb参数设置。
  • MaxPartition：最大分区，可通过kylin.engine.spark.max-partition参数设置。
  • MinPartition：最小分区，可通过kylin.engine.spark.min-partition参数设置。
    
• 输出文件个数计算：每个Task任务将执行完成后的结果数据压缩，写入HDFS，作为文件转换过程的输入。文件个数即为：Task任务输出文件个数的汇总。
  

资源申请计算

平台默认采用动态方式申请计算资源，单个Executor的计算能力包含：1个逻辑CPU（以下简称CPU）、6GB堆内内存、1GB的堆外内存。计算公式如下：

• CPU = kylin.engine.spark-conf.spark.executor.cores * 实际申请的Executors个数。
• 内存 =（kylin.engine.spark-conf.spark.executor.memory + spark.yarn.executor.memoryOverhead）* 实际申请的Executors个数。
• 单个Executor的执行能力 = kylin.engine.spark-conf.spark.executor.memory / kylin.engine.spark-conf.spark.executor.cores，即：1个CPU执行过程中申请的内存大小。
• 最大Executors个数 = kylin.engine.spark-conf.spark.dynamicAllocation.maxExecutors，平台默认动态申请，该参数限制最大申请个数。
  

在资源充足的情况下，若单个Stage阶段申请1000个并行任务，则需要申请资源达到7000GB内存和1000个CPU，即：CPU：1*1000=1000；内存：（6+1）*1000=7000GB。

资源合理化适配

由于By-layer逐层算法的特性，以及Spark在实际执行过程中的压缩机制，实际执行的Task任务加载的分区数据远远小于参数设置值，从而导致任务超高并行，占用大量资源，同时产生大量的小文件，影响下游文件转换过程。因此，合理的切分数据成为优化的关键点。通过Kylin构建日志，可查看各层级的Cuboid组合数据的预估大小，以及切分的分区个数（等于Stage阶段实际生成的Task个数）。如下图所示：

结合Spark UI可查看实执行情况，调整内存的申请，满足执行所需要的资源即可，减少资源浪费。

1.整体资源申请最小值大于Stage阶段Top1、Top2层级的缓存数据之和，保证缓存数据全部在内存。如下图所示：

计算公式：Stage阶段Top1、Top2层级的缓存数据之和 < kylin.engine.spark-conf.spark.executor.memory * kylin.engine.spark-conf.spark.memory.fraction * spark.memory.storageFraction *最大Executors个数

2.单个Task实际所需要的内存和CPU（1个Task执行使用1个CPU）小于单个Executor的执行能力。如下图所示：

计算公式：单个Task实际所需要的内存 < kylin.engine.spark-conf.spark.executor.memory * kylin.engine.spark-conf.spark.memory.fraction * spark.memory.st·orageFraction / kylin.engine.spark-conf.spark.executor.cores。参数说明如下表所示：

文件转换

Kylin将构建之后的Cuboid文件转换成HTable格式的Hfile文件，通过BulkLoad的方式将文件和HTable进行关联，大大降低了HBase的负载。此过程通过一个MapReduce任务完成，Map个数为分层构建阶段输出文件个数。日志如下：

此阶段可根据实际输入的数据文件大小（可通过MapReduce日志查看），合理申请计算资源，避免资源浪费。

计算公式：Map阶段资源申请 = kylin.job.mr.config.override.mapreduce.map.memory.mb * 分层构建阶段输出文件个数。具体参数如下表所示：

实施路线-由点及面交易试点实践

我们通过对Kylin原理的解读以及构建过程的层层拆解，选取销售交易核心任务进行试点实践。如下图所示：

实践结果对比

针对销售交易核心任务进行实践优化，对比调整前后资源实际使用情况和执行时长，最终达到双向降低的目标。如下图所示：

成果展示资源整体情况

擎天现有20+的Kylin任务，经过半年时间持续优化迭代，对比Kylin资源队列月均CU使用量和Pending任务CU使用量，在同等任务下资源消耗已明显降低。如下图所示：

SLA整体达成率

经过了由点及面的整体优化，擎天于2020年6月SLA达成率达到100%。如下图所示：

展望

Apache Kylin在2015年11月正式成为Apache基金会的顶级项目。从开源到成为Apache顶级项目，只花了13个月的时间，而且它也是第一个由中国团队完整贡献到Apache的顶级项目。目前，美团采用比较稳定的V2.0版本，经过近4年的使用与积累，到餐技术团队在优化查询性能以及构建效率层面都积累了大量经验，本文主要阐述了在Spark构建过程的资源适配方法。值得一提的是，Kylin官方在2020年7月发布了V3.1版本，引入了Flink作为构建引擎，统一使用Flink构建核心过程，包含数据读取阶段、构建字典阶段、分层构建阶段、文件转换阶段，以上四部分占整体构建耗时的95%以上。此次版本的升级也大幅度提高了Kylin的构建效率。详情可查看：Flink Cube Build Engine。

回顾Kylin构建引擎的升级过程，从MapReduce到Spark，再到如今的Flink，构建工具的迭代始终向更加优秀的主流引擎在靠拢，而且Kylin社区有很多活跃的优秀代码贡献者，他们也在帮助扩大Kylin的生态，增加更多的新功能，非常值得大家学习。最后，美团到店餐饮技术团队再次表达对Apache Kylin项目团队的感谢。

作者简介

岳庆，2019年加入美团，到店餐饮研发中心工程师。

来源：美团技术团队