快手HBase在千亿级用户特征数据分析中的应用与实

快手建设 HBase 差不多有2年时间，在公司里面有比较丰富的应用场景：如短视频的存储、IM、直播里评论 feed 流等场景。本次只分享其中的一个应用场景：快手 HBase 在千亿级用户特征数据分析中的应用与实践。为什么分享这个 Topic?主要原因：对于大部分公司来说，这都是一个普适的场景，因为很普遍，所以可选择的分析引擎也非常多，但是目前直接用 HBase 这种分析用户特征的比较少，希望通过今天的分享，大家在将来遇到这种场景时, 可以给大家提供一个新的解决方案。

本次分享内容包括：

业务需求及挑战：BitBase 引擎的初衷是什么;
BitBase 解决方案：在 HBase 基础上，BitBase 的架构是什么样;
业务效果：在快手的实际应用场景中，效果如何;
未来规划：中短期的规划。

▌业务需求及挑战

1. 业务需求

用一句话来概括业务需求：在千亿级日志中，选择任意维度，秒级计算7-90日留存。

如上图所示。左边是原始数据，可能跨90天，每一天的数据可以看作是一张 Hive 宽表，在逻辑上可以认为每行数据的 rowkey 是 userId(这里不严谨，userId 可能是重复的)，需要通过90天的原始数据计算得到右边的表，它的横轴和纵轴都是日期，每个格子表示纵轴日期相对于横轴日期的留存率。

该需求的挑战：

日志量大，千亿级;
任意维度，如 city、sex、喜好等，需要选择任意多个维度，在这些维度下计算留存率;
秒级计算，产品面向分析师，等待时间不能过长，最好在1-2秒。

2. 技术选型

面对这些问题，我们当时的技术选型：

① Hive，因为大部分数据可能是存在 Hive 里，可以直接写 SQL 计算，该方案不用做数据迁移和转换，但是时延可能是分钟到小时级别，因此否定了这个方案。

② ES，通过原始数据做倒排索引，然后做一个类似计算 UV 的方式求解，但是在数据需要做精确去重的场景下，它的耗时比较大，需要秒到分钟级。

③ ClickHouse，ClickHouse 是一个比较合适的引擎，也是一个非常优秀的引擎，在业界被广泛应用于 APP 分析，比如漏斗，留存。但是在我们的测试的中，当机器数量比较少时 ( <10台 )，耗时依然在10秒以上。

立足于这种场景，是否存在其它解决方案，延迟可以做到2-3秒(复杂的场景10秒以下)，同时支持任意维度组合?基于 HBase，结合业界简单/通用的技术，我们设计并实现了 BitBase 解决方案，用很少的资源满足业务需求。

▌BitBase 解决方案

1. 数据模型

如上图所示，首先将原始数据的一列的某个值抽象成 bitmap(比特数组)，举例：city=bj，city 是维度，bj (北京) 是维度值，抽象成 bitmap 值就是10100，表示第0个用户在 bj，第1个用户不在北京，依次类推。然后将多维度之间的组合转换为 bitmap 计算：bitmap 之间做与、或、非、异或，举例：比如在北京的用户，且兴趣是篮球，这样的用户有多少个，就转换为图中所示的两个 bitmap 做与运算，得到橙色的 bitmap，最后，再对 bitmap 做 count 运算。count 表示统计“1”的个数，list 是列举“1”所在的数组 index，业务上表示 userId。

2. BitBase 架构

整个 BitBase 架构包括五部分：

数据存储：主要存储两类数据，一类数据是 bitmap 索引和数据，另一类是转换字典的归档文件(见后面描述)。
数据转换：有两种方式，第一种是通过 mrjob 转换，第二种是在线计算或导入;
数据计算：负责计算和调度，并把 IO 数据计算结果返回给 Client;
Client：站在业务的角度，把它们的业务逻辑分装成一个个业务的接口;
ZK：整个系统是一个分布式的服务，用 ZK 做管理。

3. 存储模块

用数据存储设计的核心目的是让计算更快。

如上图，左边为一天的原始数据，包括多个 table，通过 mrjob 或者 rpc 的方式转换成中间的 bitmap。

bitmap 分为两部分，第一部分为 meta 信息(橙色部分)，第二部分是 data 信息：

Meta 信息唯一定位一个 bitmap，db 可以认为是 hive 中的 db，table 也可以认为是 hive 中的 table，event 表示维度 (如:城市)，eventv 表示维度值 (如:bj)，entity 表示 userId(也可能是 photoId)，version 表示版本。

BitmapData 从物理上讲是一个比特数组，把比特数组按照一定的大小进行切块：b1，b2，b3，...，bn，从而实现分块存储，分块计算。

最后把 bitmap 存在 HBase 的3张表中: 两张核心表和一张辅助表。

BitmapMeta，保存 bitmap 的 meta 信息和一些 block 索引信息。
BlockData，直接保存 bitmap block 数据。
BlockMeta，保存 block 的 meta 信息，起辅助作用。

4. 计算模块

一个完整的计算流程涉及到三个组件：BitBase Client、BitBase Server 和 HBase regionServer。

① BitBase Client 首先把业务的需求封装成计算表达式，然后把计算表达式发给 BitBase Server;

② BitBaseServe 接收到请求后，从 BitmapMeta 表中查询 Block 索引，然后根据索引将表达式切分为 n 个子表达式;

③ 如果所有 bitmap 的 db 相同，则走 coprocessor 路由，否则按照数据亲和性，将 block 计算分发到其它 bitbaseServer 中。

④ 根据第3步的调度策略，分两条不同的路径计算 block 表达式

⑤ BitBase Server 聚合 block 计算表达式的结果，然后返回给 BitBase Client。

两种计算方式的对比：

非本地计算，解决跨 db 计算的需求，它主要的瓶颈在于网卡和 GC。

本地计算，解决同 db 计算的需求，它主要的瓶颈在 CPU 和 GC 上。整体上看本地计算的性能比非本地计算的性能提高3-5倍，所以要尽量采用本地计算方式。

5. DeviceId 问题

在引入 Bitmap 数据模型之后，我们隐含的也引入了一个非常大的问题：无法支持 deviceId。要支持 deviceId，首先需要将 deviceId 转化为数字类型，并且转换之后的 DeviceIdIndex 必须要满足四个条件：

① 连续：deviceIdIndex 如果存在空洞，会降低压缩效率，同时 Block 数量会增加，计算复杂度相应增加，最终计算变慢;

② 一致：deviceId 和 deviceIdIndex 必须是一一对应的，否则计算结果不准确;

③ 反解：根据 deviceIdIndex 能够准确、快速地反解成原始的 deviceId;

④ 转换快：在亿级数据规模下，deviceId 转化为 deviceIdIndex 的过程不能太长。

6. DeviceId 方案

连续、一致、支持反解：

如何保证连续、一致、支持反解?解决方案非常简单，利用 HBase 实现两阶段提交协议。如上图中间实线部分所示，定义 deviceId 到 deviceIdIndex 的映射为字典。第一张表存储字典的 meta 信息;第二张表存储 index 到 deviceId 的映射;第三张表存储 deviceId 到 index 的映射。

生成 Index 的过程。举例说明, 假设我们已经生成了 1w 个 deviceId 映射，那么此时 f:max=1w，现在将新生成 1k 条映射：

① 将 f:nextMax=f:max+1k=1.1w;
② 写 Index 到 deviceId 的反向映射表，1k 条;
③ 写 deviceId 到 Index 的正向映射表，1k 条;
④ 把 f:max=f:nextMax=1.1w 更新到 meta 表，生成过程结束。

如果在生成过程中出现异常或服务器宕机，则执行回滚流程：

① 如果我们检测到 f:nextMax 不等于 f:max(f:nextMax>f:max)，则从表2中查询 max 到 nextMax 的数据，从表3中删掉相应的 deviceId 到 index 的映射记录;

② 再删掉表2中相应的 index 到 deviceId 的记录;
③ 最后把 f:nextMax=f:max，从而实现数据100%一致。

用 HBase 实现两阶段提交协议要求 index 生成流程和回滚流程一定是单线程的，从而出现性能瓶颈，所以 BitBase 设计了归档流程，以支持快速转换(见后面的描述)。Meta 表中有两个字段，如果发现新产生的数据大于 f:archive_num 就发起归档，把表3中的新数据直接写到 HDFS 中 archive_path 目录下。

快速转化：

这里我们用到了 MRjob 中的 Join：

① 同时输入原始数据和字典归档数据，在 MRjob 中根据 deviceId 做 join;
② 判断 deviceId 是否 join 成功;
③ 如果成功了，直接写 hdfs，这样就得到了转化后的数据;
④ 如果 join 失败，直接请求单实例 BitBase Master，BitBase Master 通过两阶段提交协议生成新的映射;
⑤ 然后返回给 join task 执行替换 deviceId;
⑥ 把转换后的数据写入 hdfs。

反解的过程很简单，直接多并发读取 HBase。

▌业务效果

如上图所示，第一个图是，2维度，不同时间跨度计算留存的时间延迟，第2个图是15日留存在不同维度上的时延，时延并不会随着维度的增长而增长，原因是维度越多，表达式中可能不需要计算的 block 块也越多。

如上图所示，BitBase 可以应用在 app 分析，用户增长，广告 DMP，用户画像等多个业务场景中。

▌未来规划

根据现在面临的业务场景，BitBase 后续会在多个方面做优化。支持实时聚合，在一些业务场景下，如运营效果监测，导入时效需要 <5min，BitBase 需要支持实时聚合;支持 SQL 查询，目前只支持 api 的接入方式，在一些简单场景下比较复杂;开源，希望通过开源，和大家一起挖掘 BitBase 的业务场景。