[大数据]HIVE数据的压缩与存储格式

1 压缩

1.1 压缩概述

压缩技术能够有效减少底层存储系统（HDFS）读写字节数。压缩提高了网络带宽和磁盘空间的效率。在运行MR程序时，I/O操作、网络数据传输、 Shuffle和Merge要花大量的时间，尤其是数据规模很大和工作负载密集的情况下，因此，使用数据压缩显得非常重要。

鉴于磁盘I/O和网络带宽是Hadoop的宝贵资源，数据压缩对于节省资源、最小化磁盘I/O和网络传输非常有帮助。可以在任意MapReduce阶段启用压缩。不过，尽管压缩与解压操作的CPU开销不高，其性能的提升和资源的节省并非没有代价。

1.2 压缩策略与原则

压缩是提高Hadoop运行效率的一种优化策略。通过对Mapper、Reducer运行过程的数据进行压缩，以减少磁盘IO，
提高MR程序运行速度。

注意：采用压缩技术减少了磁盘IO，但同时增加了CPU运算负担。所以，压缩特性运用得当能提高性能，但运用不当也可能降低性能。

压缩基本原则：

1. 运算密集型的job，少用压缩
2. IO密集型的job，多用压缩

2 Hadoop压缩配置

2.1 MR支持的压缩编码

为了支持多种压缩/解压缩算法，Hadoop引入了编码/解码器，如下表所示：

压缩性能的比较：

2.2 压缩方式选择

2.2.1 Gzip压缩

优点：压缩率比较高，而且压缩/解压速度也比较快；Hadoop本身支持，在应用中处理Gzip格式的文件就和直接处理文本一样；大部分Linux系统都自带Gzip命令，使用方便。

缺点：不支持Split。

应用场景：当每个文件压缩之后在130M以内的（1个块大小内），都可以考虑用Gzip压缩格式。例如说一天或者一个小时的日志压缩成一个Gzip文件。

2.2.2 Bzip2压缩

优点：支持Split；具有很高的压缩率，比Gzip压缩率都高；Hadoop本身自带，使用方便。

缺点：压缩/解压速度慢。

应用场景：适合对速度要求不高，但需要较高的压缩率的时候；或者输出之后的数据比较大，处理之后的数据需要压缩存档减少磁盘空间并且以后数据用得比较少的情况；或者对单个很大的文本文件想压缩减少存储空间，同时又需要支持Split，而且兼容之前的应用程序的情况。

2.2.3 Lzo压缩

优点：压缩/解压速度也比较快，合理的压缩率；支持Split，是Hadoop中最流行的压缩格式；可以在Linux系统下安装lzop命令，使用方便。

缺点：压缩率比Gzip要低一些；Hadoop本身不支持，需要安装；在应用中对Lzo格式的文件需要做一些特殊处理（为了支持Split需要建索引，还需要指定InputFormat为Lzo格式）。

应用场景：一个很大的文本文件，压缩之后还大于200M以上的可以考虑，而且单个文件越大，Lzo优点越越明显。

2.2.4 Snappy压缩

优点：高速压缩速度和合理的压缩率。

缺点：不支持Split；压缩率比Gzip要低；Hadoop本身不支持，需要安装。

应用场景：当MapReduce作业的Map输出的数据比较大的时候，作为Map到Reduce的中间数据的压缩格式；或者作为一个MapReduce作业的输出和另外一个MapReduce作业的输入。

2.3 压缩参数配置

要在Hadoop中启用压缩，可以配置如下参数（mapred-site.xml文件中）：

3 开启Map输出阶段压缩

开启map输出阶段压缩可以减少job中map和Reduce task间数据传输量。具体配置如下：

1. 开启hive中间传输数据压缩功能

hive (default)>set hive.exec.compress.intermediate=true;

2. 开启mapreduce中map输出压缩功能

hive (default)>set mapreduce.map.output.compress=true;

3. 设置mapreduce中map输出数据的压缩方式

hive (default)>set mapreduce.map.output.compress.codec=
 org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec;

4. 执行查询语句

hive (default)> select count(ename) name from emp;

4 开启Reduce输出阶段压缩

当Hive将输出写入到表中时，输出内容同样可以进行压缩。属性hive.exec.compress.output控制着这个功能。用户可能需要保持默认设置文件中的默认值false，这样默认的输出就是非压缩的纯文本文件了。用户可以通过在查询语句或执行脚本中设置这个值为true，来开启输出结果压缩功能。

1. 开启hive最终输出数据压缩功能

   hive (default)>set hive.exec.compress.output=true;
   

2. 开启mapreduce最终输出数据压缩

   hive (default)>set mapreduce.output.fileoutputformat.compress=true;
   

3. 设置mapreduce最终数据输出压缩方式

   hive (default)> set mapreduce.output.fileoutputformat.compress.codec =
    org.apache.hadoop.io.compress.SnappyCodec;
   

4. 设置mapreduce最终数据输出压缩为块压缩

   hive (default)> set mapreduce.output.fileoutputformat.compress.type=BLOCK;
   

5. 测试一下输出结果是否是压缩文件

   hive (default)> insert overwrite local directory
    '/opt/module/hive/datas/distribute-result' select * from emp distribute by deptno sort by empno desc;
   

5 文件存储格式

Hive支持的存储数据的格式主要有：TEXTFILE 、SEQUENCEFILE、ORC、PARQUET。（前两个行存，后两个列存）

5.1 列式存储和行式存储

如图所示，左边为逻辑表，右边是底层存储格式，其中第一个为行式存储，第二个为列式存储。

1. 行存储的特点

   查询满足条件的一整行数据的时候，列存储则需要去每个聚集的字段找到对应的每个列的值，行存储只需要找到其中一个值，其余的值都在相邻地方，所以此时行存储查询的速度更快。

2. 列存储的特点

   因为每个字段的数据聚集存储，在查询只需要少数几个字段的时候，能大大减少读取的数据量；每个字段的数据类型一定是相同的，列式存储可以针对性的设计更好的设计压缩算法。

5.2 TextFile格式

默认格式，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，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。

5.3 Orc格式

Orc (Optimized Row Columnar)是Hive 0.11版里引入的新的存储格式。

如下图所示可以看到每个Orc文件由1个或多个stripe组成，每个stripe一般为HDFS的块大小，每一个stripe包含多条记录，这些记录按照列进行独立存储，对应到Parquet中的row group的概念。每个Stripe里有三部分组成，分别是Index Data，Row Data，Stripe Footer：

1. Index Data：一个轻量级的index，默认是每隔1W行做一个索引。这里做的索引应该只是记录某行的各字段在Row Data中的offset。
2. Row Data：存的是具体的数据，先取部分行，然后对这些行按列进行存储。对每个列进行了编码，分成多个Stream来存储。
3. Stripe Footer：存的是各个Stream的类型，长度等信息。

每个文件有一个File Footer，这里面存的是每个Stripe的行数，每个Column的数据类型信息等；每个文件的尾部是一个PostScript，这里面记录了整个文件的压缩类型以及FileFooter的长度信息等。在读取文件时，会seek到文件尾部读PostScript，从里面解析到FileFooter长度，再读FileFooter，从里面解析到各个Stripe信息，再读各个Stripe，即从后往前读。

5.4 Parquet格式

Parquet文件是以二进制方式存储的，所以是不可以直接读取的，文件中包括该文件的数据和元数据，因此Parquet格式文件是自解析的。

1. 行组(Row Group)：每一个行组包含一定的行数，在一个HDFS文件中至少存储一个行组，类似于orc的stripe的概念。
2. 列块(Column Chunk)：在一个行组中每一列保存在一个列块中，行组中的所有列连续的存储在这个行组文件中。一个列块中的值都是相同类型的，不同的列块可能使用不同的算法进行压缩。
3. 页(Page)：每一个列块划分为多个页，一个页是最小的编码的单位，在同一个列块的不同页可能使用不同的编码方式。

通常情况下，在存储Parquet数据的时候会按照Block大小设置行组的大小，由于一般情况下每一个Mapper任务处理数据的最小单位是一个Block，这样可以把每一个行组由一个Mapper任务处理，增大任务执行并行度。Parquet文件的格式。

上图展示了一个Parquet文件的内容，一个文件中可以存储多个行组，文件的首位都是该文件的Magic Code，用于校验它是否是一个Parquet文件，Footer length记录了文件元数据的大小，通过该值和文件长度可以计算出元数据的偏移量，文件的元数据中包括每一个行组的元数据信息和该文件存储数据的Schema信息。除了文件中每一个行组的元数据，每一页的开始都会存储该页的元数据，在Parquet中，有三种类型的页：数据页、字典页和索引页。数据页用于存储当前行组中该列的值，字典页存储该列值的编码字典，每一个列块中最多包含一个字典页，索引页用来存储当前行组下该列的索引，目前Parquet中还不支持索引页。

5.5 主流文件存储格式对比实验

log.data文件下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1fvnZ29iMZqRtrdzy5JoAQg
提取码：9wi0

1. TextFile

-- 创建表，存储数据格式为TEXTFILE
create table log_text (
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as textfile;
-- 向表中加载数据
hive (default)> load data local inpath '/opt/module/hive/datas/log.data' into table log_text ;
-- 查看表中数据大小
hive (default)> dfs -du -h /user/hive/warehouse/log_text;

2. ORC

-- 创建表，存储数据格式为ORC
create table log_orc(
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as orc
tblproperties("orc.compress"="NONE"); -- 设置orc存储不使用压缩
-- 向表中加载数据（直接load会报编码格式不匹配的错误）
hive (default)> insert into table log_orc select * from log_text ;
-- 查看表中数据大小
hive (default)> dfs -du -h /user/hive/warehouse/log_orc/ ;

3. Parquet

-- 创建表，存储数据格式为parquet
create table log_parquet(
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as parquet ;
-- 向表中加载数据
hive (default)> insert into table log_parquet select * from log_text;
-- 查看表中数据大小
hive (default)> dfs -du -h /user/hive/warehouse/log_parquet/;

TextFile：18.13 MB->18.13 MB，time: 0.504 s

ORC：18.13 MB->7.69 MB，time: 4.698 s

Parquet：18.13MB->13.09 MB，time: 5.506 s

5.6 存储和压缩结合

1. ZLIB压缩的ORC存储方式

-- 建表
create table log_orc_zlib(
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as orc
tblproperties("orc.compress"="ZLIB");
-- 导数据
insert into log_orc_zlib select * from log_text;

2. 创建一个SNAPPY压缩的ORC存储方式

-- 建表
create table log_orc_snappy(
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as orc
tblproperties("orc.compress"="SNAPPY");
-- 导数据
insert into log_orc_snappy select * from log_text;

3. 创建一个SNAPPY压缩的parquet存储方式

-- 建表
create table log_parquet_snappy(
track_time string,
url string,
session_id string,
referer string,
ip string,
end_user_id string,
city_id string
)
row format delimited fields terminated by '\t'
stored as parquet
tblproperties("parquet.compression"="SNAPPY");
-- 导数据
insert into log_parquet_snappy select * from log_text;

ORC_ZLIB：18.13 MB->2.78 MB，time: 4.949 s

ORC_SNAPPY：18.13 MB->3.75 MB，time: 3.87 s

Parquet_SNAPPY：18.13MB->6.07 MB，time: 3.877 s