大数据分析查询引擎Impala

impala支持两种分布式join方式， 表广播和哈希重分布：表广播方式保持一个表的数据不动， 将另一个表广播到所有相关节点（图中t3）； 哈希重分布的原理是根据join字段哈希值重新分布两张表数据(譬如图中t1和t2）。分布式计划中的聚集函数分拆为两个阶段执行。第一步针对本地数据进行分组聚合（Pre-AGG）以降低数据量， 并进行数据重分步， 第二步， 进一步汇总之前的聚集结果（mergeAgg）计算出最终结果。 与聚集函数类似， topN也是分为两个阶段执行， （1）本地排序取topN，以降低数据量； （2） merge sort得到最终topN结果。

Backend从frontend接收plan segment并执行， 执行性能非常关键，impala采取的查询性能优化措施有

• 向量执行。 一次getNext处理一批记录， 多个操作符可以做pipeline。

• LLVM编译执行， CPU密集型查询效率提升5倍以上。

• IO本地化。 利用HDFS short-circuit local read功能，实现本地文件读取

• Parquet列存，相比其他格式性能最高提升5倍。

资源管理

impala通常与MR等离线任务运行在一个集群上， 通过YARN统一管理资源， 如何同时满足交互式查询和离线查询两种需求具有较大挑战性。 YARN通过全局唯一的Resource Mananger调度资源， 好处是RM拥有整个集群全局信息，能做出更好调度决策， 缺点是资源分配的性能不足。 Impala每个查询都需要分配资源， 当每秒查询数上千时， YARN资源分配的响应时间变的很长， 影响到查询性能。 目前通过两个措施解决这个问题：（1）引入快速、非集中式的查询准入机制， 控制查询并发度。（2）LLAM（low latency application master）通过缓存资源， 批量分配，增量分配等方式实现降低资源分配延时

Impala相对于Hive所使用的优化技术

• 没有使用MapReduce进行并行计算，虽然MapReduce是非常好的并行计算框架，但它更多的面向批处理模式，而不是面向交互式的SQL执行。与MapReduce相比：Impala把整个查询分成一执行计划树，而不是一连串的MapReduce任务，在分发执行计划后，Impala使用拉式获取数据的方式获取结果，把结果数据组成按执行树流式传递汇集，减少的了把中间结果写入磁盘的步骤，再从磁盘读取数据的开销。Impala使用服务的方式避免每次执行查询都需要启动的开销，即相比Hive没了MapReduce启动时间。

• 使用LLVM产生运行代码，针对特定查询生成特定代码，同时使用Inline的方式减少函数调用的开销，加快执行效率。

• 充分利用可用的硬件指令（2）。

• 更好的IO调度，Impala知道数据块所在的磁盘位置能够更好的利用多磁盘的优势，同时Impala支持直接数据块读取和本地代码计算checksum。

• 通过选择合适的数据存储格式可以得到最好的性能（Impala支持多种存储格式）。

• 最大使用内存，中间结果不写磁盘，及时通过网络以stream的方式传递。

Impala与Hive的异同

相同点：

• 数据存储：使用相同的存储数据池都支持把数据存储于HDFS,HBase。

• 元数据：两者使用相同的元数据。

• SQL解释处理：比较相似都是通过词法分析生成执行计划。

不同点：

执行计划：

• Hive: 依赖于MapReduce执行框架，执行计划分成map->shuffle->reduce->map->shuffle->reduce…的模型。如果一个Query会被编译成多轮MapReduce，则会有更多的写中间结果。由于MapReduce执行框架本身的特点，过多的中间过程会增加整个Query的执行时间。

• Impala: 把执行计划表现为一棵完整的执行计划树，可以更自然地分发执行计划到各个Impalad执行查询，而不用像Hive那样把它组合成管道型的map->reduce模式，以此保证Impala有更好的并发性和避免不必要的中间sort与shuffle。

数据流：

• Hive: 采用推的方式，每一个计算节点计算完成后将数据主动推给后续节点。

• Impala: 采用拉的方式，后续节点通过getNext主动向前面节点要数据，以此方式数据可以流式的返回给客户端，且只要有1条数据被处理完，就可以立即展现出来，而不用等到全部处理完成，更符合SQL交互式查询使用。

内存使用：

• Hive: 在执行过程中如果内存放不下所有数据，则会使用外存，以保证Query能顺序执行完。每一轮MapReduce结束，中间结果也会写入HDFS中，同样由于MapReduce执行架构的特性，shuffle过程也会有写本地磁盘的操作。

• Impala: 在遇到内存放不下数据时，当前版本0.1是直接返回错误，而不会利用外存，以后版本应该会进行改进。这使用得Impala目前处理Query会受到一定的限制，最好还是与Hive配合使用。Impala在多个阶段之间利用网络传输数据，在执行过程不会有写磁盘的操作（insert除外）。

调度：

• Hive: 任务调度依赖于Hadoop的调度策略。

• Impala: 调度由自己完成，目前只有一种调度器simple-schedule，它会尽量满足数据的局部性，扫描数据的进程尽量靠近数据本身所在的物理机器。调度器目前还比较简单，在SimpleScheduler::GetBackend中可以看到，现在还没有考虑负载，网络IO状况等因素进行调度。但目前Impala已经有对执行过程的性能统计分析，应该以后版本会利用这些统计信息进行调度吧。

容错：

• Hive: 依赖于Hadoop的容错能力。

• Impala: 在查询过程中，没有容错逻辑，如果在执行过程中发生故障，则直接返回错误（这与Impala的设计有关，因为Impala定位于实时查询，一次查询失败，再查一次就好了，再查一次的成本很低）。但从整体来看，Impala是能很好的容错，所有的Impalad是对等的结构，用户可以向任何一个Impalad提交查询，如果一个Impalad失效，其上正在运行的所有Query都将失败，但用户可以重新提交查询由其它Impalad代替执行，不会影响服务。对于State Store目前只有一个，但当State Store失效，也不会影响服务，每个Impalad都缓存了State Store的信息，只是不能再更新集群状态，有可能会把执行任务分配给已经失效的Impalad执行，导致本次Query失败。

适用面：

• Hive: 复杂的批处理查询任务，数据转换任务。

• Impala：实时数据分析，因为不支持UDF，能处理的问题域有一定的限制，与Hive配合使用,对Hive的结果数据集进行实时分析。

Impala的优缺点

优点：

• 支持SQL查询，快速查询大数据。

• 可以对已有数据进行查询，减少数据的加载，转换。

• 多种存储格式可以选择（Parquet,Text,Avro,RCFile,SequeenceFile）。

• 可以与Hive配合使用。

缺点：

• 不支持用户定义函数UDF。

• 不支持text域的全文搜索。

• 不支持Transforms。

• 不支持查询期的容错。

• 对内存要求高。

在Cloudera的测试中，Impala的查询效率比Hive有数量级的提升。从技术角度上来看，Impala之所以能有好的性能，主要有以下几方面的原因。

• Impala不需要把中间结果写入磁盘，省掉了大量的I/O开销。

• 省掉了MapReduce作业启动的开销。MapReduce启动task的速度很慢（默认每个心跳间隔是3秒钟），Impala直接通过相应的服务进程来进行作业调度，速度快了很多。

• Impala完全抛弃了MapReduce这个不太适合做SQL查询的范式，而是像Dremel一样借鉴了MPP并行数据库的思想另起炉灶，因此可做更多的查询优化，从而省掉不必要的shuffle、sort等开销。

• 通过使用LLVM来统一编译运行时代码，避免了为支持通用编译而带来的不必要开销。

• 用C++实现，做了很多有针对性的硬件优化，例如使用SSE指令。

• 使用了支持Data locality的I/O调度机制，尽可能地将数据和计算分配在同一台机器上进行，减少了网络开销。

虽然Impala是参照Dremel来实现的，但它也有一些自己的特色，例如Impala不仅支持Parquet格式，同时也可以直接处理文本、SequenceFile等Hadoop中常用的文件格式。另外一个更关键的地方在于，Impala是开源的，再加上Cloudera在Hadoop领域的领导地位，其生态圈有很大可能会在将来快速成长。

（编辑：西安站长网）

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