海量数据存储技术与解决方案[通俗易懂]

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。海量数据存储难点
：数据量过大，数据中什么情况都可能存在；软硬件要求高，系统资源占用率高；要求很高的处理方法和技巧。



海量数据存储处理经验

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一、选用优秀的数据库工具


    现在的数据库工具厂家比较多，对海量数据的处理对所使用的数据库工具要求比较高，一般使用Oracle或者DB2，微软公司最近发布的SQL Server 2005性能也不错。另外在BI领域：数据库，数据仓库，多维数据库，数据挖掘等相关工具也要进行选择，象好的ETL工具和好的OLAP工具都十分必要，例如Informatic，Eassbase等。笔者在实际数据分析项目中，对每天6000万条的日志数据进行处理，使用SQL Server 2000需要花费6小时，而使用SQL Server 2005则只需要花费3小时。


二、对海量数据进行分区操作


    对海量数据进行分区操作十分必要，例如针对按年份存取的数据，我们可以按年进行分区，不同的数据库有不同的分区方式，不过处理机制大体相同。例如SQL Server的数据库分区是将不同的数据存于不同的文件组下，而不同的文件组存于不同的磁盘分区下，这样将数据分散开，减小磁盘I/O，减小了系统负荷，而且还可以将日志，索引等放于不同的分区下。


三、编写优良的程序代码


    处理数据离不开优秀的程序代码，尤其在进行复杂数据处理时，必须使用程序。好的程序代码对数据的处理至关重要，这不仅仅是数据处理准确度的问题，更是数据处理效率的问题。良好的程序代码应该包含好的算法，包含好的处理流程，包含好的效率，包含好的异常处理机制等。


四、建立广泛的索引


    对海量的数据处理，对大表建立索引是必行的，建立索引要考虑到具体情况，例如针对大表的分组、排序等字段，都要建立相应索引，一般还可以建立复合索引，对经常插入的表则建立索引时要小心，笔者在处理数据时，曾经在一个ETL流程中，当插入表时，首先删除索引，然后插入完毕，建立索引，并实施聚合操作，聚合完成后，再次插入前还是删除索引，所以索引要用到好的时机，索引的填充因子和聚集、非聚集索引都要考虑。


五、加大虚拟内存


    如果系统资源有限，内存提示不足，则可以靠增加虚拟内存来解决。笔者在实际项目中曾经遇到针对18亿条的数据进行处理，内存为1GB，1个P42.4G的CPU，对这么大的数据量进行聚合操作是有问题的，提示内存不足，那么采用了加大虚拟内存的方法来解决，在6块磁盘分区上分别建立了6个4096M的磁盘分区，用于虚拟内存，这样虚拟的内存则增加为 4096*6 + 1024 =25600 M，解决了数据处理中的内存不足问题。


六、建立缓存机制


    当数据量增加时，一般的处理工具都要考虑到缓存问题。缓存大小设置的好差也关系到数据处理的成败，例如，笔者在处理2亿条数据聚合操作时，缓存设置为100000条/Buffer，这对于这个级别的数据量是可行的。


七、使用临时表和中间表


    数据量增加时，处理中要考虑提前汇总。这样做的目的是化整为零，大表变小表，分块处理完成后，再利用一定的规则进行合并，处理过程中的临时表的使用和中间结果的保存都非常重要，如果对于超海量的数据，大表处理不了，只能拆分为多个小表。如果处理过程中需要多步汇总操作，可按汇总步骤一步步来，不要一条语句完成，一口气吃掉一个胖子。


八、使用文本格式进行处理


    对一般的数据处理可以使用数据库，如果对复杂的数据处理，必须借助程序，那么在程序操作数据库和程序操作文本之间选择，是一定要选择程序操作文本的，原因为：程序操作文本速度快；对文本进行处理不容易出错；文本的存储不受限制等。例如一般的海量的网络日志都是文本格式或者csv格式（文本格式），对它进行处理牵扯到数据清洗，是要利用程序进行处理的，而不建议导入数据库再做清洗。


九、分批处理


    海量数据处理难因为数据量大，那么解决海量数据处理难的问题其中一个技巧是减少数据量。可以对海量数据分批处理，然后处理后的数据再进行合并操作，这样逐个击破，有利于小数据量的处理，不至于面对大数据量带来的问题，不过这种方法也要因时因势进行，如果不允许拆分数据，还需要另想办法。不过一般的数据按天、按月、按年等存储的，都可以采用先分后合的方法，对数据进行分开处理。


十、优化查询SQL语句


    在对海量数据进行查询处理过程中，查询的SQL语句的性能对查询效率的影响是非常大的，编写高效优良的SQL脚本和存储过程是数据库工作人员的职责，也是检验数据库工作人员水平的一个标准，在对SQL语句的编写过程中，例如减少关联，少用或不用游标，设计好高效的数据库表结构等都十分必要。笔者在工作中试着对1亿行的数据使用游标，运行3个小时没有出结果，这是一定要改用程序处理了。


十一、避免使用32位机子（极端情况）


    目前的计算机很多都是32位的，那么编写的程序对内存的需要便受限制，而很多的海量数据处理是必须大量消耗内存的，这便要求更好性能的机子，其中对位数的限制也十分重要。


十二、使用数据仓库和多维数据库存储


    数据量加大是一定要考虑OLAP的，传统的报表可能5、6个小时出来结果，而基于Cube的查询可能只需要几分钟，因此处理海量数据的利器是OLAP多维分析，即建立数据仓库，建立多维数据集，基于多维数据集进行报表展现和数据挖掘等。


十三、建立视图或者物化视图


    视图中的数据来源于基表，对海量数据的处理，可以将数据按一定的规则分散到各个基表中，查询或处理过程中可以基于视图进行，这样分散了磁盘I/O，正如10根绳子吊着一根柱子和一根吊着一根柱子的区别。


十四、使用采样数据，进行数据挖掘


    基于海量数据的数据挖掘正在逐步兴起，面对着超海量的数据，一般的挖掘软件或算法往往采用数据抽样的方式进行处理，这样的误差不会很高，大大提高了处理效率和处理的成功率。一般采样时要注意数据的完整性和，防止过大的偏差。笔者曾经对1亿2千万行的表数据进行采样，抽取出400万行，经测试软件测试处理的误差为千分之五，客户可以接受。




海量数据存储并行计算解决方案
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    解决大规模数据处理的方法之一就是并行计算。将大量数据分散到多个节点上，将计算并行化，利用多机的计算资源，从而加快数据处理的速度。目前，这种并行计算的模型主要分为三大类：


1）MPI 


    MPI 即消息传递接口（MessagePassing Interface），是一种编程接口标准，而不是一种具体的编程语言。


    MPI 是一种工业标准的 API规范，专为在多处理器计算机、计算机集群和超级计算机上进行高性能计算而设计。该标准是由大量计算机供应商和软件开发商于 1994 年共同设计完成。 


    MPI 作为目前国际上最流行的并行编程环境之一，因其良好的可移植性和易用性、完备的异步通信功能等优点，而在机群高性能计算中得到广泛应用。在基于 MPI 编程模型中，计算任务是由一个或多个彼此间通过调用库函数进行消息收、发通信的进程所组成。绝大部分 MPI 实现在程序初始化时生成一组固定的通信进程。这些进程在不同的节点上运行（通常一个处理器一个进程） ，执行着相同或不同的程序，以点对点通信或者集合通信的方式进行进程间交互，共同协作完成同一个计算任务。 


    以任务之间的消息传递驱动的 MPI，其进行大规模数据处理的基本思路就是，将任务划分成为可以独立完成的不同计算部分， 将每个计算部分需要处理的数据分发到相应的计算节点分别进行计算，计算完成后各个节点将各自的结果集中到主计算节点进行结果的最终汇总。 


2） MapReduce编程


    MapReduce是谷歌在 2004 年提出的应用于大规模集群进行大规模数据处理的并行计算模型。 Map（映射）和 Reduce（化简）的概念，以及他们的主要思想，都来自于函数式语言。


    在一个计算任务中，计算被抽象并简化成为两个阶段：Map 和 Reduce。Map 阶段，系统调用用户提供的 Map 函数，完成从一组键值到新一组键值的映射计算；而 Reduce 阶段，用户指定的 Reduce 函数则被用来将所有 Map 计算完成的结果进行一次化简归约。 与 MPI 有所不同的是，Map/Reduce 是通过将计算（Map 或者Reduce）分发到相应的数据存储节点或靠近的节点，让计算（Map 或者 Reduce）在数据存储节点就地或者就近完成，尽可能减轻大量数据在网络上传输所产生的压力。


3）Dryad


       Dryad 是微软在 2007 年提出的数据并行计算模型。目前已经在 Microsoft Ad’Center 投入使用。 与 MapReduce的思路类似， Dryad 也是通过将计算任务移动到相应的数据存储节点或靠近的节点，让计算就地或者就近完成，从而减轻网络上传输的压力。 在 Dryad 中，每个计算任务被表示成一个有向无环图（Directed Acyclic Graph, DAG） ，计算任务按照有向无环图的方向按照依赖关系执行。DAG 相对于两阶段式的 MapReduce，可以表达更加丰富的计算类型；同时，它支持在子任务之间通过 TCP管道、Shared-memory FIFOs（共享内存先进先出）进行结果传递，尽量避免一些不必要的磁盘输入输出，加速计算的执行。

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