[大数据]架构师之路Learn Day8之Hive生产环境优化&数据倾斜解决方案

• Hive调优作用：在保证业务结果不变的前提下，降低资源的使用量，减少任务的执行时间。

1、调优须知

（1）对于大数据计算引擎来说：数据量大不是问题，数据倾斜是个问题。

（2）Hive的复杂HQL底层会转换成多个MapReduce Job并行或者串行执行，Job数比较多的作业运行效 率相对比较低，比如即使只有几百行数据的表，如果多次关联多次汇总，产生十几个Job，耗时很长。 原因是 MapReduce 作业初始化的时间是比较长的。

（3）在进行Hive大数据分析时，常见的聚合操作比如sum，count，max，min，UDAF等 ，不怕数据倾斜问题**，MapReduce 在 Mappe阶段 的预聚合操作，使数据倾斜不成问题**。 （4）好的建表设计，模型设计事半功倍。

（5）设置合理的 MapReduce 的 Task 并行度，能有效提升性能。(比如，10w+数据量 级别的计算，用 100 个 reduceTask，那是相当的浪费，1个足够，但是如果是 亿级别的数据量，那么1个Task又显得捉 襟见肘)

（6）了解数据分布，自己动手解决数据倾斜问题是个不错的选择。这是通用的算法优化，但算法优化有 时不能适应特定业务背景，开发人员了解业务，了解数据，可以通过业务逻辑精确有效的解决数据倾斜 问题。

（7）对小文件进行合并，是行之有效的提高调度效率的方法，假如所有的作业设置合理的文件数，对任务的整体调度效率也会产生积极的正向影响

（8）优化时把握整体，单个作业最优不如整体最优。

2、Hive的建表设计层面

2.1、建表类型 - 分区VS分桶

（1）分区表

? 当一个 Hive 表的查询大多数情况下，会根据某一个字段进行筛选时，那么非常适合创建为 分区表，该字段即为分区字段。

• 应用场景：数据基本上只会分析增量数据，不会分析全量数据，则应该按照时间来分区

（2）分桶表

? 指将数据以指定列的值为 key 进行 hash，hash 到指定数目的桶中，这样做的 目的和分区表类似，使得筛选时不用全局遍历所有的数据，只需要遍历所在桶就可以了

• 应用场景：AB试验数据采样、Join数据倾斜

2.2、选择合适的文件存储格式

• 优化方案：、表的文件存储格式尽量采用Parquet或ORC，不仅降低存储量，还优化了查询，压缩，表关联等性能

（1）TextFile : 每一行都是一条记录，每行都以换行符（\ n）结尾。数据不做压缩，磁盘开销大，数据解析开销大。可结合Gzip、Bzip2使用（系统自动检查，执行查询时自动解压），但使用这种方式，hive不会对数据进行切分，从而无法对数据进行并行操作。

（2）SequenceFile : 是Hadoop API提供的一种二进制文件支持，其具有使用方便、可分割、可压缩的特点。支持三种压缩选择：NONE, RECORD, BLOCK。 Record压缩率低，一般建议使用BLOCK压缩。

（3）RCFile : 是一种行列存储相结合的存储方式。首先，其将数据按行分块，保证同一个record在一个块上，避免读一个记录需要读取多个block。其次，块数据列式存储，有利于数据压缩和快速的列存取。

ORCFile : ORC文件格式提供了一种将数据存储在Hive表中的高效方法。这个文件系统实际（4）上是为了克服其他Hive文件格式的限制而设计的。Hive从大型表读取，写入和处理数据时，使用ORC文件可以提高性能。

（5）Parquet : 一个面向列的二进制文件格式。Parquet对于大型查询的类型是高效的。对于扫描特定表格中的特定列的查询，Parquet特别有用。

2.3、选择合适的文件压缩格式

• 含义：Hive 语句最终是转化为 MapReduce 程序来执行的，而 MapReduce 的性能瓶颈在与 网络IO 和 磁盘 IO，要解决性能瓶颈，最主要的是减少数据量，对数据进行压缩是个好方式。

（1）压缩比：压缩比越高，压缩后文件越小，所以压缩比越高越好

（2）压缩时间：越快越好

（3）已经压缩的格式文件是否可以再分割：可以分割的格式允许单一文件由多个Mapper程序处理，可以更好的并行化

• 是否压缩的前提

1、计算密集型，不压缩，否则进一步增加了CPU的负担
2、网络密集型，推荐压缩，减小网络数据传输

3、HiveSQL语句优化

3.1、列裁剪

• 含义： Hive 在读数据的时候，可以只读取查询中所需要用到的列，而忽略其它列。【裁剪所对应的参数项为：hive.optimize.cp=true（默认值为真）】

set hive.optimize.cp = true; ## 列裁剪，取数只取查询中需要用到的列，默认是true

• 主要作用：节省了读取开销，中间表存储开销和数据整合开销。【减少磁盘读写开销、网络IO开销】

3.2、谓词下推

• 含义：将 SQL 语句中的 where 谓词逻辑都尽可能提前执行，减少下游处理的数据量。对应逻辑优化器是 PredicatePushDown。

set hive.optimize.ppd=true; ## 默认是true

select a.*, b.* from a join b on a.id = b.id where b.age > 20;

#优化后
select a.*, c.* from a join (select * from b where age > 20) c on a.id = c.id

3.3、分区裁剪

• 含义： 可以在查询的过程中减少不必要的分区。【分区参数为：hive.optimize.pruner=true（默认值为真）】

set hive.optimize.pruner=true; ## 默认是true

• 主要作用：减少读取开销以及中间表存储开销和数据整合开销，减少磁盘IO与网络IO

3.4、合并小文件

• 含义：合理设置map数量，map数又和文件块数量有关，一个文件块对应一个map，小文件过多势必造成启动map任务和初始划的时间远远大于逻辑处理时间，所以在map执行前合并小文件，减少map数

# 1、在 map only 的任务结束时合并小文件
set hive.merge.mapfiles = true 

# 2、true 时在 MapReduce 的任务结束时合并小文件
set hive.merge.mapredfiles = false              						

# 3、合并文件的大小
set hive.merge.size.per.task = 256*1000*1000     				

# 4、每个 Map 最大分割大小
set mapred.max.split.size=256000000;            						        
# 5、一个节点上 split 的最少值
set mapred.min.split.size.per.node=1;  

# 6、执行Map前进行小文件合并
set hive.input.format=org.apache.hadoop.hive.ql.io.CombineHiveInputFormat;   

• 注意事项：
  • ①默认情况先把这个节点上的所有数据进行合并，如果合并的那个文件的大小超过了256M就开启另外一个文 件继续合并
  • ②如果当前这个节点上的数据不足256M，那么就都合并成一个逻辑切片。

3.5、合理设置MapTask并行度

3.6、合理控制ReduceTask并行度

3.7、Join优化

3.8、Group By优化

• 含义：Map端部分聚合：事实上并不是所有的聚合操作都需要在 Reduce 部分进行，很多聚合操作都可以先在 Map 端进行部分 聚合，然后在 Reduce 端的得出最终结果。

## 开启Map端聚合参数设置
set hive.map.aggr=true;

# 设置map端预聚合的行数阈值，超过该值就会分拆job，默认值100000
set hive.groupby.mapaggr.checkinterval=100000

3.9、Order By优化

• 含义：order by 只能是在一个 reduce 进程中进行，所以如果对一个大数据集进行 order by ，会导致一个 reduce 进程中处理的数据相当大，造成查询执行缓慢。

• 解决方案：分桶后进行区间排序

? 如果是取排序后的前N条数据，可以使用distribute by和sort by在各个reduce上进行排序后前N 条，然后再对各个reduce的结果集合合并后在一个reduce中全局排序，再取前N条，因为参与全局排序的 order by的数据量最多是reduce个数 * N，所以执行效率会有很大提升。

4、Hive配置参数（Hive架构层面）

4.1、Fetch抓取

Fetch抓取：Hive中对某些情况的查询可以不必使用MapReduce计算，在全局查找、字段查找、limit查找等都不走mapreduce。

（1）把hive.fetch.task.conversion设置成none，然后执行查询语句，都会执行mapreduce程序。

hive (default)> **set hive.fetch.task.conversion=none;**

hive (default)> select * from emp;

hive (default)> select ename from emp;

hive (default)> select ename from emp limit 3;

（2）把hive.fetch.task.conversion设置成more，如下查询方式都不会执行mapreduce程序。

hive (default)> **set hive.fetch.task.conversion=more;**

hive (default)> select * from emp;

hive (default)> select ename from emp;

hive (default)> select ename from emp limit 3;

4.2、本地执行优化

? 对于小数据集，可以通过本地模式，在单台机器上处理所有任务，执行时间明显被缩短。

## 打开hive自动判断是否启动本地模式的开关
set hive.exec.mode.local.auto=true;

## map任务数最大值，不启用本地模式的task最大个数
set hive.exec.mode.local.auto.input.files.max=4;

## map输入文件最大大小，不启动本地模式的最大输入文件大小
set hive.exec.mode.local.auto.inputbytes.max=134217728;

4.3、JVM重用

? 如果任务花费时间很短，又要多次启动 JVM 的情况下，JVM 的启动时间会变成一个比较大的消耗，这时，可以通过重用 JVM 来解决。

set mapred.job.reuse.jvm.num.tasks=5;

• 注意事项：JVM也是有缺点的，开启JVM重用会一直占用使用到的 task 的插槽，以便进行重用，直到任务完成后才 会释放。

4.4、并行度优化

• 含义：**Hive会将一个查询转化成一个或者多个阶段，MapReduce阶段、抽样阶段、合并阶段、limit阶段，默认情况hive一次只会执行一个阶段。**而这些阶段可能并非完全互相依赖的，也就是说有些阶段是可以并行执行的，这样可能使得整个job的执行时间缩短。

set hive.exec.parallel=true; 			 #打开任务并行执行

set hive.exec.parallel.thread.number=16; #同一个sql允许最大并行度，默认为8。

4.5、推测执行

? Hadoop采用了推测执行（Speculative Execution）机制，它 根据一定的法则推测出“拖后腿”的任务，并为这样的任务启动一个备份任务，让该任务与原始任务同时处理同一份数据，并最终选用最先成功运行完成任务的计算结果作为最终结果。

# 启动mapper阶段的推测执行机制
set mapreduce.map.speculative=true;

# 启动reducer阶段的推测执行机制
set mapreduce.reduce.speculative=true;

• 注意事项：如果用户因为输入数据量很大而需要执行长时间的 mapTask 或者 reduceTask 的话，那么启动推测执行造成的浪费是非常巨大。

5、Hive数据倾斜

5.1、数据倾斜定义

? 数据分布不均，造成大量数据集中到一点，造成数据热点。

5.2、数据倾斜的表现

（1）在执行任务的时候，任务进度长时间维持在99%左右；

（2）查看stage的执行情况时，卡在最后1-2个task长时间不动，查看task监控页面，发现某个或某两三个task运行的时间远远大于其他task的运行时间，这些task处理的数据量也远远大于其他task。

• 注意事项：关于Hive On Spark，一个spark任务的运行时间是由最后一个执行成功的task决定的，如果某个task发生了数据倾斜，会拖慢整个spark任务执行效率，即便其他没有倾斜的task已经执行完毕，甚至会导致OOM

3、查看数据倾斜方法

在yarn界面查看是否产生数据倾斜：

上图是yarn界面task的监控页面，从上图可以看出大部分task的执行时间是25s，处理记录数为几万到几十万不等(处理数据量大部分为几兆到几十兆)，但是有一个task处理时间为1小时处理数据量高达72G且还没执行完，此时可以推断数据发生了倾斜，可以通过group by或者抽样找出倾斜key。

4、数据倾斜条件

数据计算时发生了shuffle，即对数据进行了重新分区。

5、数据倾斜的解决方案

5.1、特殊情形处理

①同数据类型关联产生数据倾斜

• 情形：比如用户表中user_id字段为int，log表中user_id字段string类型。当按照user_id进行两个表的Join操作时。

• 解决方式：把数字类型转换成字符串类型

select * from users a
left outer join logs b
on a.usr_id = cast(b.user_id as string)

②null key不参与关联

select
	a.*
from(
    select
	    *
	from log
    where user_id is not null
	 ) a
	join
	users b on a.user_id = b.user_id
	union all
	select
	*
	from log where user_id is null

③数据加盐：赋予null值随机值

1. select *
2. from log a
3. left outer join users b
4. on case when a.user_id is null then concat('hive',rand() ) else a.user_id end = b.user_id;

• 两种方式优缺点比较

方法2比方法1效率更好，不但io少了，而且作业数也少了。
	解决方法1中 log读取两次，jobs是2。解决方法2 job数是1 ;
	这个优化适合无效 id (比如 -99 , ’’, null 等) 产生的倾斜问题。
	把空值的 key 变成一个字符串加上随机数，就能把倾斜的数据分到不同的reduce上 ,解决数据倾斜问题。

④提高reduce并行度

设置reduce个数:set mapred.reduce.tasks=15,可以通过改参数提高reduce端并行度，从而缓解数据倾斜的情况。

Ⅰ、未优化前，假设key1、key2、key3、key4的数据量都是50w，key5是10w，此时key1和key3shuffle到了一个reduce,key2和key4shuffle到了一个reduce，导致有两个reduce task需要处理100w数据，而有一个task只需要处理10w数据，此时数据出现了10倍的倾斜。

Ⅱ、优化后，如图所示，为优化前reduce的并行度为3，单个task处理的最大数据量为100w，现在将并行度提高到5，单个task处理的最大数据量为50w，相比之前缓解了5倍的倾斜程度。此方案适合倾斜的程度不是很严重，并有两个以上的倾斜key到shuffle到了同一个reduce。

5.2、group by导致的数据倾斜

（1）开启负载均衡

• 含义：有数据倾斜的时候进行负载均衡（默认是false）

set hive.groupby.skewindata = true

• 当选项设定为 true，生成的查询计划会有两个MR Job。

①第一个MR Job：Map的输出结果会随机分布到Reduce中，每个Reduce做部分聚合操作，并输出结果，这样处理的结果是相同的Group By Key有可能被分发到不同的Reduce中，从而达到负载均衡的目的；

②第二个MR Job：根据预处理的数据结果按照Group By Key分布到Reduce中（这个过程可以保证相同的Group By Key被分布到同一个Reduce中），最后完成最终的聚合操作。

（2）group by 双重聚合

当使用group by进行聚合统计时，如果存在某个或某几个key发生了倾斜，会导致某个倾斜key shuffle到一个reduce。

select
    split(sp_app_id,'_')[0] sp_app_id
   ,sum(pv)
from
(
	select
    sp_app_id||'_'||CAST(CAST(MOD(rand() * 10000,10) AS BIGINT) AS STRING) sp_app_id
    ,sum(nvl(op_cnt, 1)) pv
	from t1
   group by sp_app_id||'_'||CAST(CAST(MOD(rand() * 10000,10) AS BIGINT) AS STRING)
) group by split(sp_app_id,'_')[0]

5.3、join导致的数据倾斜

（1）reduce join 转换成 map join(此方案适合小表join大表的时候)

select /+ mapjoin(t2)/ column from table

（2）过滤倾斜join单独进行join（此方案适合大表关联达标）

所以如果把倾斜key过滤出来单独去join，这个倾斜key就会分散到多个task去进行join操作，最后union all。

select
    *
from
(
    select
        *
    from t1
    where rowkey <> '123456789'
) a1 join a2 on a1.rowkey = a2.rowkey
union all
select
    *
from
(
    select
        *
    from t1
    where rowkey = '123456789'
)a1 join a2 on a1.rowkey = a2.rowkey

③md5+分桶处理进行关联（PB级别数据关联PB级别数据，提效100倍+）

• 热点数据处理方式：热点数据直接过滤出来分开Join，md5(key1，Key2)后分桶关联

5.4、企业实战案例之日志表和用户表做连接

• 业务场景：事实表和维度表做关联，即大表关联小表，但是不能直接使用mapJoin

（1）实际业务需求

? users 表有 600w+ （假设有5G）的记录，把 users 分发到所有的 map 上也是个不小的开销，而且 MapJoin 不支持这么大的小表。如果用普通的 join，又会碰到数据倾斜的问题。

（2）解决方案

• 原理：提前排除user表中的没用的ID，减少小表的数据量 ==》可以分别建立用户的全量表/天级全量表

①先得到过滤的userid

select distinct user_id from log  ==》 a

②再获取有日志记录得以用户的信息

select b.*  from a join users b on a.user_id = b.user_id;  ==》b

③让C表与log表做关联

select /*+mapjoin(x)*/ * from log c left outer join d
on a.user_id = x.user_id;

5.5、企业实战案例之位图法求连续七天的朋友圈用户

• 业务场景：事实表和事实表做关联，即大表关联大表

（1）实际业务需求

每天都要求 微信朋友圈 过去连续7天都发了朋友圈的小伙伴有哪些？ 假设每个用户每发一次朋友圈都记录了一条日志。每一条朋友圈包含的内容：

日期，用户ID，朋友圈内容.....
dt, userid, content, .....

如果 微信朋友圈的 日志数据，按照日期做了分区。

2020-07-06 file1.log(可能会非常大)
2020-07-05 file2.log
.......

（2）解決方案

• 原理：位图法BitMaps，即维护一个位数组

假设微信有10E用户，我们每天生成一个长度为10E的二进制数组，每个位置要么是0，要么是1，如果为1，代
表该用户当天发了朋友圈。如果为0，代表没有发朋友圈。
然后每天：10E / 8 / 1024 / 1024 = 119M左右
求Join实现：两个数组做 求且、求或、异或、求反、求新增

5.6、企业实战案例之用户留存

• 业务场景：事实表与实时表做关联，即大表关联大表

（1）实际业务需求

? 一般在运营或者BI报表里面，关于渠道用户分析时，用户留存是个不可缺少的过程，也是业界多渠道用户质量比较成熟的判断标准，主要指标，包括计算用户次日、3日、7日、30天、90天等的留存率。

• 指标说明：用户留存率 -今天新增了100名用户，第二天登陆了50名，则次日留存率为50/100=50%，第三天登录了30名，则第二日留存率为30/100=30%

（2）解决方案

• 原理：建立天级全量用户表
  步骤一：从数据库中提取user_id和login_time, 并计算 first_day, 用于存储每个用户ID最早登录日期（最小日期）；
  步骤二：用登录日期-最早登录日期，得到每个登录日期距离最早登录日期的时间间隔，即留存日期；
  步骤三：对不同留存日期的user_id进行汇总就是留存人数，除以首日登录人数，就得到了不同留存时间的留存率。

select 
    a.dt
    ,count(distinct a.id) as `日活跃用户`
    ,count(distinct b.id) as `次日留存数`
    ,count(distinct c.id) as `三日留存数`
    ,count(distinct d.id) as `七日留存数`
    ,concat(round(count(distinct b.id) / count(distinct a.id) * 100, 2), '%') as `次日留存率`
    ,concat(round(count(distinct c.id) / count(distinct a.id) * 100, 2), '%') as `三日留存率`
    ,concat(round(count(distinct d.id) / count(distinct a.id) * 100, 2), '%') as `七日留存率`
-- select * 
from yhlc a 
LEFT join yhlc b on a.id=b.id and b.dt=a.dt+1
LEFT join yhlc c on a.id=c.id and c.dt=a.dt+3
LEFT join yhlc d on a.id=d.id and d.dt=a.dt+7
group by a.dt;

6、终极大招

• 向老板要钱申请加资源