HiveSQL在使用聚合类函数的时候性能分析和优化详解

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作者:鲁边

概述

前文我们写过简单SQL的性能分析和解读，简单SQL被归类为select-from-where型SQL语句，其主要特点是只有map阶段的数据处理，相当于直接从hive中取数出来，不需要经过行变化。在非多个节点的操作上，其性能甚至不比Tez和Spark差。

而这次我们主要说的是使用聚合类函数的hiveSQL，这类SQL需要完整的map阶段和reduce阶段才能完成数据处理。我们把它可以归类为select-aggr_function-from-where-groupby 类型SQL语句。

在生产环境中我们一般常用的聚合函数见如下列表：

函数	参数格式	解释
count	count(*), count(expr)，count(distinct expr)	返回查找的总行数，count(*)返回的行数包括null值；count(expr)和count(distinct expr) 不包括null值
sum	sum(col), sum(DISTINCT col)	sum(col)返回组内查询列元素的总和，sum(DISTINCT col)返回组内查询列列的不同值的总和
avg	avg(col), avg(DISTINCT col)	sum(col)返回组内查询列元素的平均值，sum(DISTINCT col)返回组内查询列的不同值的平均值
min	min(col)	返回组内查询列的最小值
max	max(col)	返回组内查询列的最大值
variance/var_pop	variance(col)/var_pop(col)	返回组内查询列的方差（也可称为总体方差），也可写成var_pop(col)
var_samp	var_samp(col)	返回组内查询列方差的无偏估计（方差无偏估计中，因为估计期望损失了一个自由度，估计的分母为n-1，也可称为样本方差）
stddev_pop	stddev_pop(col)	返回组内查询列的标准差
stddev_samp	stddev_samp(col)	返回组内查询列标准差的无偏估计方差（无偏估计中，因为估计期望损失了一个自由度，估计的分母为n-1）
covar_pop	covar_pop(col1, col2)	返回组内查询列col1和col2的总体协方差
covar_samp	covar_samp(col1, col2)	返回组内查询列col1和col2的样本协方差
corr	corr(col1, col2)	返回组内查询列col1和col2的相关系数
percentile	percentile(BIGINT col, p)	返回组内查询整数列col所在的分位数，p可以为浮点数或数组，且其中元素大小必须在0-1之间。若col不是整数，需使用percentile_approx
percentile_approx	percentile_approx(DOUBLE col, array(p1[, p2]…) [, B])	返回组内查询列col所在的分位数，p可以为浮点数或数组，且其中元素大小必须在0-1之间。B为可选参数，为精度控制参数
regr_avgx	regr_avgx(independent, dependent)	计算自变量的平均值。该函数将任意一对数字类型作为参数，并返回一个double。任何具有null的对都将被忽略。如果应用于空集：返回null。否则，它计算以下内容：avg(dependent)
regr_avgy	regr_avgy(independent, dependent)	计算因变量的平均值。该函数将任意一对数字类型作为参数，并返回一个double。任何具有null的对都将被忽略。如果应用于空集：返回null。否则，它计算以下内容：avg(independent)
regr_count	regr_count(independent, dependent)	返回independent和dependent都非空的对数
regr_intercept	regr_intercept(independent, dependent)	返回线性回归的截距项
regr_r2	regr_r2(independent, dependent)	返回线性回归的判决系数（R方，coefficient of determination）
regr_slope	regr_slope(independent, dependent)	返回线性回归的斜率系数
regr_sxx	regr_sxx(independent, dependent)	等价于regr_count(independent, dependent) * var_pop(dependent)
regr_sxy	regr_sxy(independent, dependent)	regr_count(independent, dependent) * covar_pop(independent, dependent)
regr_syy	regr_syy(independent, dependent)	regr_count(independent, dependent) * var_pop(independent)
histogram_numeric	histogram_numeric(col, b)	用于画直方图。返回一个长度为b的数组，数组中元素为(x,y)形式的键值对，x代表了直方图中该柱形的中心，y代表可其高度。
collect_set	collect_set(col)	返回查询列col去重后的集合，与distinct不同，distinct查询结果为一列数据，collect_set查询后结果为一个集合形式的元素
collect_list	collect_list(col)	返回查询列col的列表
ntile	ntile(INTEGER x)	将有序分区划分为x个称为存储桶的组，并为该分区中的每一行分配存储桶编号。（此方式存储可以快速计算分位数）

对于带聚合函数的SQL逻辑，我们可以根据其执行过程的不同，将其分成三大类来进行分析：

仅在Reduce阶段聚合的SQL执行逻辑
在Map和Reduce阶段都有聚合操作的SQL执行逻辑
高级分组聚合的执行SQL逻辑

1.仅在Reduce阶段聚合的SQL执行逻辑

我们通过SQL执行计划来解读Reduce阶段聚合的SQL逻辑，如一下实例：

例1 在Reduce阶段进行聚合的SQL逻辑

set hive.map.aggr=false;
explain
-- 小于30岁人群的不同性别平均年龄
select gender,avg(age) as avg_age from temp.user_info_all where ymd = '20230505'
and age < 30 
group by gender;

其执行结果如下内容：

STAGE DEPENDENCIES:
  Stage-1 is a root stage
  Stage-0 depends on stages: Stage-1

STAGE PLANS:
  Stage: Stage-1
    Map Reduce
      Map Operator Tree:
          TableScan
            alias: user_info_all
            Statistics: Num rows: 32634295 Data size: 783223080 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
            Filter Operator
              predicate: (age < 30) (type: boolean)
              Statistics: Num rows: 10878098 Data size: 261074352 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
              Reduce Output Operator
                key expressions: gender (type: int)
                sort order: +
                Map-reduce partition columns: gender (type: int)
                Statistics: Num rows: 10878098 Data size: 261074352 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
                value expressions: age (type: bigint)
      Reduce Operator Tree:
        Group By Operator
          aggregations: avg(VALUE._col0)
          keys: KEY._col0 (type: int)
          mode: complete
          outputColumnNames: _col0, _col1
          Statistics: Num rows: 5439049 Data size: 130537176 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
          File Output Operator
            compressed: true
            Statistics: Num rows: 5439049 Data size: 130537176 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
            table:
                input format: org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat
                output format: org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat
                serde: org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe

  Stage: Stage-0
    Fetch Operator
      limit: -1
      Processor Tree:
        ListSink

以上内容的具体关键字就不作解读了，在Hive执行计划之一文读懂Hive执行计划中已经做了完整的解释，看不懂请回看。

从上述信息中可以看到Map阶段的解析被分解为常规的三大步骤。

TableScan
Filter Operator
Reduce Output Operator

Reduce阶段的解析被分解为两步：

Group By Operator
File Output Operator

对比之前简单SQL执行步骤过程。

可以直观看出简单SQL的执行逻辑主要是在进行列投影后就直接将数据写入本地。而在聚合函数的SQL执行过程中使用到了Reduce阶段，多了输出到reduce阶段和分组聚合操作。

其中从map阶段输出到reduce阶段的这个流程，我们称之为数据的shuffle。后续有机会可以详细讲解其过程。

通过以上案例，可以直观的看出该SQL逻辑在map阶段没有计算的操作，只是对数据进行了一个重新组织，之后在写入reduce，即shuffle的过程进行排序，写内存，写磁盘，然后网络传输等工作。这块如果在map阶段的数据量很大，就会占用比较多的资源。

那么如何进行优化呢？

2.在map和reduce阶段聚合的SQL逻辑

以上例1，可以看到我设置了一个参数set hive.map.aggr=false;

该参数我的集群是默认开启的，为了演示我这里设置关闭。这参数本身开启后起到的作用是提前在map阶段进行数据汇总，即Combine操作。

map端数据过大一般的优化方式有两种：

启用Combine操作，进行提前聚合，进而减少shuffle的数据量，减少资源消耗。
启用数据压缩来减少Map和Reduce之间传输的数据量。

一般的数据压缩方式就是我们在hive上使用的数据存储格式和数据压缩方法。

启用Combine操作，在hive中提供了对应的参数，set hive.map.aggr=true;通过该配置可以控制是否启用Map端的聚合。

可以看如下例子：

例2 启用Map端聚合的SQL逻辑

同样的SQL逻辑

set hive.map.aggr=true;
explain
-- 小于30岁人群的不同性别平均年龄
select gender,avg(age) as avg_age from temp.user_info_all where ymd = '20230505'
and age < 30 
group by gender;

其执行计划结果如下：

STAGE DEPENDENCIES:
  Stage-1 is a root stage
  Stage-0 depends on stages: Stage-1

STAGE PLANS:
  Stage: Stage-1
    Map Reduce
      Map Operator Tree:
          TableScan
            alias: user_info_all
            Statistics: Num rows: 32634295 Data size: 783223080 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
            Filter Operator
              predicate: (age < 30) (type: boolean)
              Statistics: Num rows: 10878098 Data size: 261074352 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
              Group By Operator
                aggregations: avg(age)
                keys: gender (type: int)
                mode: hash
                outputColumnNames: _col0, _col1
                Statistics: Num rows: 10878098 Data size: 261074352 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
                Reduce Output Operator
                  key expressions: _col0 (type: int)
                  sort order: +
                  Map-reduce partition columns: _col0 (type: int)
                  Statistics: Num rows: 10878098 Data size: 261074352 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
                  value expressions: _col1 (type: struct<count:bigint,sum:double,input:bigint>)
      Reduce Operator Tree:
        Group By Operator
          aggregations: avg(VALUE._col0)
          keys: KEY._col0 (type: int)
          mode: mergepartial
          outputColumnNames: _col0, _col1
          Statistics: Num rows: 5439049 Data size: 130537176 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
          File Output Operator
            compressed: true
            Statistics: Num rows: 5439049 Data size: 130537176 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
            table:
                input format: org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat
                output format: org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat
                serde: org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe

  Stage: Stage-0
    Fetch Operator
      limit: -1
      Processor Tree:
        ListSink

这里说明一下 value expressions: _col1 (type: struct<count:bigint,sum:double,input:bigint>)

在map阶段的最后map端最终输出的结果为一个结构体struct。其中map阶段不能计算平均值，只能计算总数和对应个数，这两者分别对应结构体中的sum和count。

将以上逻辑进行流程化。

对比例1 操作流程图，可以看出来例2 在map阶段多了一个分组聚合操作。

文字描述：先将本地节点的数据进行一个初步聚合，求出该性别的年龄相加总数和用户个数。这就已经极大的减少了数据量。之后再进行数据shuffle（分发）过程，将各个节点的数据进行汇总，之后在reduce阶段，再进行二次聚合。将各个节点的求和值和计数值汇总。在得到具体的平均值。该计算完成，输出。

以上，开启map端聚合，这也是hive在使用聚合函数过程中的最常用的一个优化方式。

hive.map.aggr=true;

那么，有一个问题，如何解决map端的数据倾斜问题？以下为常规手段。

在mr程序上我们可以说开启Combine模式，进行map端聚合，hive上我们可以说开启map端聚合参数。
还有，采用更优的压缩算法和数据存储格式。

思考一下，以上方式其实更多的是提供一个将大量数据变小的方式，那么map端真正的数据倾斜是什么造成的，核心该如何处理。

下一期：什么是hive的高级分组聚合，它的用法和注意事项有哪些

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