Apache Doris RuntimeFilter 原理及使用

2021-09-29 | 阅读：次

Apache Doris RuntimeFilter 原理及使用

1. 介绍

Runtime Filter 是在 Doris 0.15 版本中正式加入的新功能。旨在为某些 Join 查询在运行时动态生成过滤条件，来减少扫描的数据量，避免不必要的I/O和网络传输，从而加速查询。

Runtime Filter 目前不支持所有外表，只支持 Doris 内部的表

Runtime Filter主要用于优化针对大表的join，如果左表的数据量太小，或者右表的数据量太大，则Runtime Filter可能不会取得预期效果

Runtime Filte r和谓词下推、分区裁剪不同，Runtime Filter是在运行时动态生成的过滤条件，即在查询运行时解析join on clause 确定过滤表达式，并将表达式广播给正在读取左表的 ScanNode，从而减少扫描的数据量，进而减少 probe hash table 的次数，避免不必要的I/O和网络传输，从而达到提升性能的效果。

2.Runtime Filter相关解释

左表：Join查询时，左边的表。进行Probe操作。可被Join Reorder调整顺序。
右表：Join查询时，右边的表。进行Build操作。可被Join Reorder调整顺序。
Fragment：FE会将具体的SQL语句的执行转化为对应的Fragment并下发到BE进行执行。BE上执行对应Fragment，并将结果汇聚返回给FE。
Join on clause: A join B on A.a=B.b中的A.a=B.b，在查询规划时基于此生成join conjuncts，包含join Build和Probe使用的expr，其中Build expr在Runtime Filter中称为src expr，Probe expr在Runtime Filter中称为target expr

3.使用方式

3.1 Runtime Filter 查询选项

与Runtime Filter相关的查询选项信息，请参阅以下部分:

第一个查询选项是调整使用的Runtime Filter类型，大多数情况下，您只需要调整这一个选项，其他选项保持默认即可。
- runtime_filter_type: 包括Bloom Filter、MinMax Filter、IN predicate，默认会保守的只使用IN predicate，部分情况下同时使用Bloom Filter、MinMax Filter、IN predicate时性能更高。
其他查询选项通常仅在某些特定场景下，才需进一步调整以达到最优效果。通常只在性能测试后，针对资源密集型、运行耗时足够长且频率足够高的查询进行优化。
- runtime_filter_mode: 用于调整Runtime Filter的下推策略，包括OFF、LOCAL、GLOBAL三种策略，默认设置为GLOBAL策略
- runtime_filter_wait_time_ms: 左表的ScanNode等待每个Runtime Filter的时间，默认1000ms
- runtime_filters_max_num: 每个查询可应用的Runtime Filter中Bloom Filter的最大数量，默认10
- runtime_bloom_filter_min_size: Runtime Filter中Bloom Filter的最小长度，默认1048576（1M）
- runtime_bloom_filter_max_size: Runtime Filter中Bloom Filter的最大长度，默认16777216（16M）
- runtime_bloom_filter_size: Runtime Filter中Bloom Filter的默认长度，默认2097152（2M）
- runtime_filter_max_in_num: 如果join右表数据行数大于这个值，我们将不生成IN predicate，默认1024

下面对查询选项做进一步说明

3.1.1 runtime_filter_type

使用的Runtime Filter类型。

类型: 数字(1, 2, 4)或者相对应的助记符字符串(IN, BLOOM_FILTER, MIN_MAX)，默认1(IN predicate)，使用多个时用逗号分隔，注意需要加引号，或者将任意多个类型的数字相加，例如:

set runtime_filter_type="BLOOM_FILTER,IN,MIN_MAX";

等价于:

set runtime_filter_type=7;

使用注意事项

Bloom Filter: 有一定的误判率，导致过滤的数据比预期少一点，但不会导致最终结果不准确，在大部分情况下Bloom Filter都可以提升性能或对性能没有显著影响，但在部分情况下会导致性能降低。
- Bloom Filter构建和应用的开销较高，所以当过滤率较低时，或者左表数据量较少时，Bloom Filter可能会导致性能降低。
- 目前只有左表的Key列应用Bloom Filter才能下推到存储引擎，而测试结果显示Bloom Filter不下推到存储引擎时往往会导致性能降低。
- 目前Bloom Filter仅在ScanNode上使用表达式过滤时有短路(short-circuit)逻辑，即当假阳性率过高时，不继续使用Bloom Filter，但当Bloom Filter下推到存储引擎后没有短路逻辑，所以当过滤率较低时可能导致性能降低。
MinMax Filter: 包含最大值和最小值，从而过滤小于最小值和大于最大值的数据，MinMax Filter的过滤效果与join on clause中Key列的类型和左右表数据分布有关。
- 当join on clause中Key列的类型为int/bigint/double等时，极端情况下，如果左右表的最大最小值相同则没有效果，反之右表最大值小于左表最小值，或右表最小值大于左表最大值，则效果最好。
- 当join on clause中Key列的类型为varchar等时，应用MinMax Filter往往会导致性能降低。
IN predicate: 根据join on clause中Key列在右表上的所有值构建IN predicate，使用构建的IN predicate在左表上过滤，相比Bloom Filter构建和应用的开销更低，在右表数据量较少时往往性能更高。
- 默认只有右表数据行数少于1024才会下推（可通过session变量中的runtime_filter_max_in_num调整）。
- 目前IN predicate没有实现合并方法，即无法跨Fragment下推，所以目前当需要下推给shuffle join左表的ScanNode时，如果没有生成Bloom Filter，那么我们会将IN predicate转为Bloom Filter，用于处理跨Fragment下推，所以即使类型只选择了IN predicate，实际也可能应用了Bloom Filter；

3.1.2 runtime_filter_mode

用于控制Runtime Filter在instance之间传输的范围。

类型: 数字(0, 1, 2)或者相对应的助记符字符串(OFF, LOCAL, GLOBAL)，默认2(GLOBAL)。

使用注意事项

LOCAL：相对保守，构建的Runtime Filter只能在同一个instance（查询执行的最小单元）上同一个Fragment中使用，即Runtime Filter生产者（构建Filter的HashJoinNode）和消费者（使用RuntimeFilter的ScanNode）在同一个Fragment，比如broadcast join的一般场景；

GLOBAL：相对激进，除满足LOCAL策略的场景外，还可以将Runtime Filter合并后通过网络传输到不同instance上的不同Fragment中使用，比如Runtime Filter生产者和消费者在不同Fragment，比如shuffle join。

大多数情况下GLOBAL策略可以在更广泛的场景对查询进行优化，但在有些shuffle join中生成和合并Runtime Filter的开销超过给查询带来的性能优势，可以考虑更改为LOCAL策略。

如果集群中涉及的join查询不会因为Runtime Filter而提高性能，您可以将设置更改为OFF，从而完全关闭该功能。

3.1.3 runtime_filter_wait_time_ms

Runtime Filter的等待耗时。

类型: 整数，默认1000，单位ms

使用注意事项

在开启Runtime Filter后，左表的ScanNode会为每一个分配给自己的Runtime Filter等待一段时间再扫描数据，即如果ScanNode被分配了3个Runtime Filter，那么它最多会等待3000ms。

因为Runtime Filter的构建和合并均需要时间，ScanNode会尝试将等待时间内到达的Runtime Filter下推到存储引擎，如果超过等待时间后，ScanNode会使用已经到达的Runtime Filter直接开始扫描数据。

如果Runtime Filter在ScanNode开始扫描之后到达，则ScanNode不会将该Runtime Filter下推到存储引擎，而是对已经从存储引擎扫描上来的数据，在ScanNode上基于该Runtime Filter使用表达式过滤，之前已经扫描的数据则不会应用该Runtime Filter，这样得到的中间数据规模会大于最优解，但可以避免严重的裂化。

如果集群比较繁忙，并且集群上有许多资源密集型或长耗时的查询，可以考虑增加等待时间，以避免复杂查询错过优化机会。如果集群负载较轻，并且集群上有许多只需要几秒的小查询，可以考虑减少等待时间，以避免每个查询增加1s的延迟

3.1.4 runtime_filters_max_num

每个查询生成的Runtime Filter中Bloom Filter数量的上限。

类型: 整数，默认10

使用注意事项 目前仅对Bloom Filter的数量进行限制，因为相比MinMax Filter和IN predicate，Bloom Filter构建和应用的代价更高。

如果生成的Bloom Filter超过允许的最大数量，则保留选择性大的Bloom Filter，选择性大意味着预期可以过滤更多的行。这个设置可以防止Bloom Filter耗费过多的内存开销而导致潜在的问题。

选择性=(HashJoinNode Cardinality / HashJoinNode left child Cardinality)
-- 因为目前FE拿到Cardinality不准，所以这里Bloom Filter计算的选择性与实际不准，因此最终可能只是随机保留了部分Bloom Filter。

仅在对涉及大表间join的某些长耗时查询进行调优时，才需要调整此查询选项

3.1.5 Bloom Filter长度相关参数

包括runtime_bloom_filter_min_size、runtime_bloom_filter_max_size、runtime_bloom_filter_size，用于确定Runtime Filter使用的Bloom Filter数据结构的大小（以字节为单位）。

类型: 整数

使用注意事项 因为需要保证每个HashJoinNode构建的Bloom Filter长度相同才能合并，所以目前在FE查询规划时计算Bloom Filter的长度。

如果能拿到join右表统计信息中的数据行数(Cardinality)，会尝试根据Cardinality估计Bloom Filter的最佳大小，并四舍五入到最接近的2的幂(以2为底的log值)。如果无法拿到右表的Cardinality，则会使用默认的Bloom Filter长度runtime_bloom_filter_size。runtime_bloom_filter_min_size和runtime_bloom_filter_max_size用于限制最终使用的Bloom Filter长度最小和最大值。

更大的Bloom Filter在处理高基数的输入集时更有效，但需要消耗更多的内存。假如查询中需要过滤高基数列（比如含有数百万个不同的取值），可以考虑增加runtime_bloom_filter_size的值进行一些基准测试，这有助于使Bloom Filter过滤的更加精准，从而获得预期的性能提升。

Bloom Filter的有效性取决于查询的数据分布，因此通常仅对一些特定查询额外调整其Bloom Filter长度，而不是全局修改，一般仅在对涉及大表间join的某些长耗时查询进行调优时，才需要调整此查询选项

3.2 查看 Query 生成的 Runtime Filter

explain命令可以显示的查询计划中包括每个Fragment使用的join on clause信息，以及Fragment生成和使用Runtime Filter的注释，从而确认是否将Runtime Filter应用到了期望的join on clause上。

生成Runtime Filter的Fragment包含的注释例如runtime filters: filter_id[type] <- table.column。
使用Runtime Filter的Fragment包含的注释例如runtime filters: filter_id[type] -> table.column。

下面例子中的查询使用了一个ID为RF000的Runtime Filter。

CREATE TABLE test (t1 INT) DISTRIBUTED BY HASH (t1) BUCKETS 2 PROPERTIES("replication_num" = "1");
INSERT INTO test VALUES (1), (2), (3), (4);

CREATE TABLE test2 (t2 INT) DISTRIBUTED BY HASH (t2) BUCKETS 2 PROPERTIES("replication_num" = "1");
INSERT INTO test2 VALUES (3), (4), (5);

EXPLAIN SELECT t1 FROM test JOIN test2 where test.t1 = test2.t2;
+-------------------------------------------------------------------+
| Explain String                                                    |
+-------------------------------------------------------------------+
| PLAN FRAGMENT 0                                                   |
|  OUTPUT EXPRS:`t1`                                                |
|                                                                   |
|   4:EXCHANGE                                                      |
|                                                                   |
| PLAN FRAGMENT 1                                                   |
|  OUTPUT EXPRS:                                                    |
|   PARTITION: HASH_PARTITIONED: `default_cluster:ssb`.`test`.`t1`  |
|                                                                   |
|   2:HASH JOIN                                                     |
|   |  join op: INNER JOIN (BUCKET_SHUFFLE)                         |
|   |  equal join conjunct: `test`.`t1` = `test2`.`t2`              |
|   |  runtime filters: RF000[in] <- `test2`.`t2`                   |
|   |                                                               |
|   |----3:EXCHANGE                                                 |
|   |                                                               |
|   0:OlapScanNode                                                  |
|      TABLE: test                                                  |
|      runtime filters: RF000[in] -> `test`.`t1`                    |
|                                                                   |
| PLAN FRAGMENT 2                                                   |
|  OUTPUT EXPRS:                                                    |
|   PARTITION: HASH_PARTITIONED: `default_cluster:ssb`.`test2`.`t2` |
|                                                                   |
|   1:OlapScanNode                                                  |
|      TABLE: test2                                                 |
+-------------------------------------------------------------------+
-- 上面`runtime filters`的行显示了`PLAN FRAGMENT 1`的`2:HASH JOIN`生成了ID为RF000的IN predicate，
-- 其中`test2`.`t2`的key values仅在运行时可知，
-- 在`0:OlapScanNode`使用了该IN predicate用于在读取`test`.`t1`时过滤不必要的数据。

SELECT t1 FROM test JOIN test2 where test.t1 = test2.t2; 
-- 返回2行结果[3, 4];

-- 通过query的profile（set is_report_success=true;）可以查看查询内部工作的详细信息，
-- 包括每个Runtime Filter是否下推、等待耗时、以及OLAP_SCAN_NODE从prepare到接收到Runtime Filter的总时长。
RuntimeFilter:in:
    -  HasPushDownToEngine:  true
    -  AWaitTimeCost:  0ns
    -  EffectTimeCost:  2.76ms

-- 此外，在profile的OLAP_SCAN_NODE中还可以查看Runtime Filter下推后的过滤效果和耗时。
    -  RowsVectorPredFiltered:  9.320008M  (9320008)
    -  VectorPredEvalTime:  364.39ms

4. Runtime Filter 的规划规则

只支持对join on clause中的等值条件生成Runtime Filter，不包括Null-safe条件，因为其可能会过滤掉join左表的null值。
不支持将Runtime Filter下推到left outer、full outer、anti join的左表；
不支持src expr或target expr是常量；
不支持src expr和target expr相等；
不支持src expr的类型等于HLL或者BITMAP；
目前仅支持将Runtime Filter下推给OlapScanNode；
不支持target expr包含NULL-checking表达式，比如COALESCE/IFNULL/CASE，因为当outer join上层其他join的join on clause包含NULL-checking表达式并生成Runtime Filter时，将这个Runtime Filter下推到outer join的左表时可能导致结果不正确；
不支持target expr中的列（slot）无法在原始表中找到某个等价列；
不支持列传导，这包含两种情况：
- 一是例如join on clause包含A.k = B.k and B.k = C.k时，目前C.k只可以下推给B.k，而不可以下推给A.k；
- 二是例如join on clause包含A.a + B.b = C.c，如果A.a可以列传导到B.a，即A.a和B.a是等价的列，那么可以用B.a替换A.a，然后可以尝试将Runtime Filter下推给B（如果A.a和B.a不是等价列，则不能下推给B，因为target expr必须与唯一一个join左表绑定）；
Target expr和src expr的类型必须相等，因为Bloom Filter基于hash，若类型不等则会尝试将target expr的类型转换为src expr的类型；
不支持PlanNode.Conjuncts生成的Runtime Filter下推，与HashJoinNode的eqJoinConjuncts和otherJoinConjuncts不同，PlanNode.Conjuncts生成的Runtime Filter在测试中发现可能会导致错误的结果，例如IN子查询转换为join时，自动生成的join on clause将保存在PlanNode.Conjuncts中，此时应用Runtime Filter可能会导致结果缺少一些行。