Hive基本架构和原理

2023-11-08

概述

Hive是建立在 Hadoop 上的数据仓库基础构架。

它提供了一系列的工具，可以用来进行数据提取转化加载（ETL），这是一种可以存储、查询和分析存储在 Hadoop 中的大规模数据的机制。

Hive 定义了简单的类 SQL 查询语言，称为 HQL，它允许熟悉 SQL 的用户查询数据。同时，这个语言也允许熟悉 MapReduce 开发者的开发自定义的 mapper 和 reducer 来处理内建的 mapper 和 reducer 无法完成的复杂的分析工作。

可以将SQL 查询转换为MapReduce 的job 在Hadoop集群上执行。

官方文档：https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/Home

Hive架构

Meta store（元数据存储）：通常是存储在关系数据库如mysql/derby中。hive将元数据存储在数据库中，hive中的元数据包括表的名字，表的列和分区，表的属性（内部表、外部表）。

Client（用户接口）：包括CLI、JDBC/ODBC、WebGUI。CLI是shell命令行；JDBC/ODBC是hive的java实现；WebGUI通过浏览器访问hive。

解析器、编译器、优化器、执行器：完成HQL查询语句从词法分析、语法分析、编译、优化以及查询计划的生成。生成的查询计划存储在HDFS中，最后由MapReduce调用执行。

从架构图上可以很清楚地看出Hive和Hadoop（MapReduce，HDFS）的关系。

Hive是最上层，即客户端层或者作业提交层。
MapReduce/Yarn是中间层，也就是计算层。
HDFS是底层，也就是存储层。

facebook的一张架构图

从Facebook的图上可以看出，Hive主要有QL，MetaStore和Serde三大核心组件构成。QL就是编译器，也是Hive中最核心的部分。Serde就是Serializer和Deserializer的缩写，用于序列化和反序列化数据，即读写数据。MetaStore对外暴露Thrift API，用于元数据的修改。比如表的增删改查，分区的增删改查，表的属性的修改，分区的属性的修改等。

Hive数据模型

Hive元数据信息存储在Hive MetaStore中，如文件路径、文件格式、列、数据类型、分隔符，Hive默认的分格符有三种，分别是A(Ctrl+A)、B和^C，即ASCii码的1、2和3，分别用于分隔列，分隔列中的数组元素，和元素Key-Value对中的Key和Value。

Hive 中所有的数据都存储在 HDFS 中，Hive 中包含以下数据模型：Table，External Table，Partition，Bucket。

(1)表table：一个表就是hdfs中的一个目录

(2)区Partition：表内的一个区就是表的目录下的一个子目录

(3)桶Bucket：如果有分区，那么桶就是区下的一个单位，如果表内没有区，那么桶直接就是表下的单位，桶一般是文件的形式。

Hive SQL的编译

一条SQL，进入的Hive。经过上述的过程，其实也是一个比较典型的编译过程变成了一个作业。

Hive是如何将SQL转化为MapReduce任务的，整个编译过程分为六个阶段：

(1)Antlr定义SQL的语法规则，完成SQL词法，语法解析，将SQL转化为抽象语法树AST Tree

(2)遍历AST Tree，抽象出查询的基本组成单元QueryBlock

(3)遍历QueryBlock，翻译为执行操作树OperatorTree

(4)逻辑层优化器进行OperatorTree变换，合并不必要的ReduceSinkOperator，减少shuffle数据量

(5)遍历OperatorTree，翻译为MapReduce任务

(6)物理层优化器进行MapReduce任务的变换，生成最终的执行计划

Hive执行计划

可以通过查看Explain查看一个一个SQL如何变成MapReduce作业的过程的过程，例如在hive cli中执行：explain sql语句就能看到

官网LanguageManual Explain：https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/LanguageManual+Explain#LanguageManualExplain-TheASTClause

下面是执行的一个例子：

Hive Sql的MapReduce实现原理

hive把复杂sql分解成多个MapReduce chain执行，各MR的中间结果存在为hdfs的临时文件，然后链式跑完即可获得最终结果。因此，只需明白其核心即可见微知著，下面介绍join、group by和distinct原理（直接摘抄美团技术团队的总结，so 感谢）：

Join的实现原理

select u.name, o.orderid from order o join user u on o.uid = u.uid;

在map的输出value中为不同表的数据打上tag标记，在reduce阶段根据tag判断数据来源。MapReduce的过程如下（这里只是说明最基本的Join的实现，还有其他的实现方式）

Group By的实现原理

select rank, isonline, count(*) from city group by rank, isonline;

将GroupBy的字段组合为map的输出key值，利用MapReduce的排序，在reduce阶段保存LastKey区分不同的key。MapReduce的过程如下（当然这里只是说明Reduce端的非Hash聚合过程）

Distinct的实现原理

select dealid, count(distinct uid) num from order group by dealid;

当只有一个distinct字段时，如果不考虑Map阶段的Hash GroupBy，只需要将GroupBy字段和Distinct字段组合为map输出key，利用mapreduce的排序，同时将GroupBy字段作为reduce的key，在reduce阶段保存LastKey即可完成去重

Hive文件压缩和文件存储

hive对文件的压缩是对内容的压缩，也就是说对文件的压缩不是先生成文件，再对文件压缩，而是在生成文件时，对其中的内容字段进行压缩，最终压缩后，对外仍体现为某种具体的压缩文件。

常用的压缩编解码器如下表：

常用的文件格式：

（1） Textfile

文本格式，Hive的默认格式，数据不压缩，磁盘开销大、数据解析开销大。可结合Gzip、Bzip2使用，但使用Gzip这种方式，hive不会对数据进行切分，从而无法对数据进行并行操作。行式存储

对应的hive API为：org.apache.hadoop.mapred.TextInputFormat和org.apache.hive.ql.io.HiveIgnoreKeyTextOutputFormat

（2）SequenceFile

Hadoop提供的一种二进制文件格式是Hadoop支持的标准文件格式（其他生态系统并不适用），可以直接将对序列化到文件中,所以sequencefile文件不能直接查看，可以通过Hadoop fs -text查看。具有使用方便，可分割，可压缩，可进行切片。压缩支持NONE, RECORD, BLOCK(优先)等格式，可进行切片。行式存储

对应hive API为：org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat和org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat

（3）RCFile

是一种行列存储相结合的存储方式，先将数据按行进行分块再按列式存储，保证同一条记录在一个块上，避免读取多个块，有利于数据压缩和快速进行列存储。列式存储

对应的hive API为：org.apache.hadoop.hive.ql.io.RCFileInputFormat和org.apache.hadoop.hive.ql.io.RCFileOutputFormat

（4）ORCFile

orcfile是对rcfile的优化，可以提高hive的读写、数据处理性能，提供更高的压缩效率（目前主流选择之一）。列式存储

（5）Parquet

一种列格式, 可提供对其他 hadoop 工具的可移植性, 包括Hive, Drill, Impala, Crunch, and Pig

对应的hive API为：org.apache.hadoop.hive.ql.io.parquet.MapredParquetInputFormat和org.apache.hadoop.hive.ql.io.parquet.MapredParquetOutputFormat

（6）Avro

Avro是一个数据序列化系统，设计用于支持大批量数据交换的应用。它的主要特点有：支持二进制序列化方式，可以便捷，快速地处理大量数据；动态语言友好，Avro提供的机制使动态语言可以方便地处理Avro数据。

对应的hive API为：org.apache.hadoop.hive.ql.io.avro.AvroContainerInputFormat和org.apache.hadoop.hive.ql.io.avro.AvroContainerOutputFormat

几种文件存储格式的性能测试结果：

存储格式	ORC	Sequencefile	Parquet	RCfile	Avro
数据压缩后大小	1.8G	67.0G	11G	63.8G	66.7G
存储耗费时间	535.7s	625.8s	537.3s	543.48	544.3
SQL查询响应速度	19.63s	184.07s	24.22s	88.5s	281.65s

实践中常用的压缩+存储可以选择（部分）

Textfile+Gzip

SequenceFile+Snappy

ORC+Snappy

Hive建表指定文件格式

[STORED AS file_format]

file_format:

  : SEQUENCEFILE

  | TEXTFILE -- (Default, depending on hive.default.fileformat configuration)

  | RCFILE -- (Note: Available in Hive 0.6.0 and later)

  | ORC -- (Note: Available in Hive 0.11.0 and later)

  | PARQUET -- (Note: Available in Hive 0.13.0 and later)

  | AVRO -- (Note: Available in Hive 0.14.0 and later)

  | JSONFILE -- (Note: Available in Hive 4.0.0 and later)

  | INPUTFORMAT input_format_classname OUTPUTFORMAT output_format_classname

注：

Hive wiki CreateTable：https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/LanguageManual+DDL#LanguageManualDDL-CreateTable

Hive建表指定压缩

CREATE EXTERNAL TABLE IF NOT EXISTS tb_test(
     id bigint COMMENT 'id',
     name string COMMENT 'name'     
 )
COMMENT 'test table'
PARTITIONED BY (dt string)
STORED AS ORC
tblproperties ('orc.compress'='SNAPPY');

Hive动态设置压缩

压缩格式 Hadoop压缩编码/解码器

Deflate org.apache.hadoop.io.compress.DeflateCodec

gzip org.apache.hadoop.io.compress.GzipCodec

bzip2 org.apache.hadoop.io.compress.BZip2Codec

LZO com.hadoop.compression.lzo.LzopCodec

Lz4 org.apache.hadoop.io.compress.Lz4Codec

Snappy org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec

Hive中间数据压缩

hive.exec.compress.intermediate：默认该值为false，设置为true为激活中间数据压缩功能。就是在MapReduce的shuffle阶段对mapper产生的中间结果数据压缩。在这个阶段，优先选择一个低CPU开销的算法。

set hive.exec.compress.intermediate=true;
set mapred.map.output.compression.codec=org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec;

Hive最终数据压缩

hive.exec.compress.output：用户可以对最终生成的Hive表的数据通常也需要压缩。该参数控制这一功能的激活与禁用，设置为true来声明将结果文件进行压缩。

set hive.exec.compress.output=true;
set mapred.output.compression.codec=org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec;

参考:

Hive支持的文件格式与压缩算法：https://my.oschina.net/hulubo/blog/915072?tdsourcetag=s_pctim_aiomsg（推荐）

File Formats：https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/FileFormats

Hive文件存储格式：https://www.jianshu.com/p/694f044d1c34

Hive压缩格式：https://www.cnblogs.com/skyl/p/4740301.html

如何在MapReduce中使用SequenceFile数据格式？http://blog.itpub.net/31077337/viewspace-2214505

如何在MapReduce中使用Avro数据格式？http://blog.itpub.net/31077337/viewspace-2214709

Hive Map和Reduce数量计算

Map数量

num_Map_tasks = max[${Mapred.min.split.size}，min(${dfs.block.size}， ${Mapred.max.split.size})]

Mapred.min.split.size指的是数据的最小分割单元大小。

Mapred.max.split.size指的是数据的最大分割单元大小。

dfs.block.size指的是HDFS设置的数据块大小。

一般来说dfs.block.size这个值是一个已经指定好的值，而且这个参数Hive是识别不到的，所以实际上只有Mapred.min.split.size和Mapred.max.split.size这两个参数（本节内容后面就以min和max指代这两个参数）来决定Map数量。在Hive中min的默认值是1B，max的默认值是256MB。所以如果不做修改的话，就是1个map task处理256MB数据，我们就以调整max为主。通过调整max可以起到调整Map数的作用，减小max可以增加Map数，增大max可以减少Map数。需要提醒的是，直接调整Mapred.Map.tasks这个参数是没有效果的。

Reduce数量

这里说的Reduce阶段，是指前面流程图中的Reduce phase（实际的Reduce计算）而非图中整个Reduce task。Reduce阶段优化的主要工作也是选择合适的Reducetask数量，跟上面的Map优化类似。

与Map优化不同的是，Reduce优化时，可以直接设置Mapred。Reduce。tasks参数从而直接指定Reduce的个数。当然直接指定Reduce个数虽然比较方便，但是不利于自动扩展。Reduce数的设置虽然相较Map更灵活，但是也可以像Map一样设定一个自动生成规则，这样运行定时Job的时候就不用担心原来设置的固定Reduce数会由于数据量的变化而不合适。

Hive估算Reduce数量的时候，使用的是下面的公式：

num_Reduce_tasks = min[${Hive.exec.Reducers.max}，(${input.size} / ${ Hive.exec.Reducers.bytes.per.Reducer})]

也就是说，根据输入的数据量大小来决定Reduce的个数，默认Hive.exec.Reducers.bytes.per.Reducer为1G，而且Reduce个数不能超过一个上限参数值，这个参数的默认取值为999。所以我们可以调整Hive.exec.Reducers.bytes.per.Reducer来设置Reduce个数。

数据倾斜

定义：由于数据分布不均匀，造成数据热点。

现象：一个或几个key的记录数与平均记录数差异过大，最长时长远大于平均时长。任务进度长时间维持在99%（或100%），查看任务监控页面，发现只有少量（1个或几个）reduce子任务未完成。

数据倾斜优化：一般分为join引起和group by引起分别解决。

Group by ：分组key集中处理某key值的reduce非常耗时
Join ：关联key集中（例如关联字段空值过多）处理某key值的reduce非常耗时

Group by引起的数据倾斜

分两方面优化：

第一个：

set hive.map.aggr=true;
set hive.groupby.mapaggr.checkinterval=100000;
set hive.map.aggr.hash.min.reduction=0.5;

hive.map.aggr=true（默认）参数控制在group by的时候是否map局部聚合，但也不是都会局部聚合，如果聚合前后差别不是很大，聚合也就没什么意义了。

后两个设置是判断是否需要做map局部聚合，即：预先取100000条数据聚合，如果聚合后的条数/100000>0.5，则不再聚合。

第二个：

set Hive.groupby.skewindata=true;

控制启动两个MR Job完成，第一个Job先不按GroupBy字段分发，而是随机分发做一次聚合，然后启动第二个Job，拿前面聚合过的数据按GroupBy字段分发计算出最终结果。但是否生效还存在限制，详情见 Hive-hive.groupby.skewindata配置相关问题调研

Join引起的数据倾斜

优化主要分两个方向：skew join和重写业务逻辑

Skew join

set hive.optimize.skewjoin=true;
set hive.skewjoin.key=100000;

记录超过hive.skewjoin.key（默认100000）阈值的key值先写入hdfs，然后再进行一个map join的job任务，最终和其他key值的结果合并为最终结果。其过程如下图：

重写业务逻辑

这个需要结合具体的场景重写，例如：在日志表与用户表关联时候（通过user_id关联），直接关联可能导致user_id为null的发生数据倾斜，此时可以把日志表中user_id为null的单独处理，如下：

SELECT a.xx, b.yy FROM log a JOIN users b
            ON a.user_id IS NOT NULL
                AND a.user_id = b.user_id
UNION ALL
SELECT a.xx, NULL AS yy FROM log a WHERE a.user_id IS NULL;

参考：

HiveQL中如何排查数据倾斜问题：https://blog.csdn.net/u012151684/article/details/77074356

Hive性能优化

见另一篇博文 Hive常用优化参数

常见问题

请说明hive中 Sort By，Order By，Cluster By，Distrbute By各代表什么意思

order by：会对输入做全局排序，因此只有一个reducer（多个reducer无法保证全局有序）。只有一个reducer，会导致当输入规模较大时，需要较长的计算时间。

sort by：对分区内的数据进行排序，不是全局排序，其在数据进入reducer前完成排序。

distribute by：对map输出进行分区，按照指定的字段对数据进行划分输出到不同的reduce中。常和sort by一起使用，例如：select mid, money, name from store distribute by mid sort by mid asc, money asc

cluster by：当 distribute by 和 sorts by 字段相同时，可使用 cluster by 方式替代，cluster by 具有 distribute by 和 sort by 的组合功能。但是排序只能是升序排序，不能指定排序规则为ASC或者DESC

NULL在hive的一般处理

NULL默认的存储都是\N，可以在建表时通过serialization.null.format的设置。

NULL 值的过滤，一般是is null 和 is not null。

multi-group新特性的好处？

multi group by 可以将查询中的多个group by操作组装到一个MapReduce任务中，起到优化作用。例如：

from area
    insert overwrite table temp1
        select Provice,city,county,count(rainfall) from area where data="2018-09-02" group by provice,city,count
    insert overwrite table temp2
        select Provice,count(rainfall) from area where data="2018-09-02" group by provice

参考

官方文档：https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/Home

HiveSQL的编译过程(美团)：https://tech.meituan.com/2014/02/12/hive-sql-to-mapreduce.html

HiveSQL编译过程: https://www.slideshare.net/recruitcojp/internal-hive

Hive的核心原理以及查询优化：http://www.pianshen.com/article/4247149029

深入浅出数据仓库中SQL性能优化之Hive篇：http://www.codeceo.com/article/sql-hive.html

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