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Doris的向量化执行如何支撑分布式架构和复杂查询

news 来源：原创 2025/8/18 16:39:57

Doris 的向量化执行能力与其 分布式架构 和 复杂查询优化 深度结合，通过 批处理 + 列式计算 + 分布式调度 的协同设计，解决传统分布式数据库在复杂查询场景下的性能瓶颈。以下是具体原理展开：

一、向量化如何适配分布式架构？

Doris 的分布式架构（MPP）天然依赖数据分片和并行计算，而向量化通过以下机制与其深度协同：

1. 数据分片与批处理的结合

  • 数据分片存储：数据按分区、分桶规则分布在不同节点，每个分片（Tablet）内部数据按列存储。

  • 向量化批处理单元：每个节点在处理分片数据时，以固定大小的数据块（如4096行）为单位加载到内存，按列批量处理。

  • 优势：

    • 减少跨节点网络传输次数（批量传输代替逐行传输）。

    • 单节点内利用 CPU 缓存局部性，减少内存随机访问。

2. 分布式任务的向量化调度

  • Pipeline 并行执行：将查询拆分为多个阶段（Scan、Filter、Join、Aggregation），每个阶段以向量化批次为单位处理，形成流水线。

  • 动态资源分配：根据数据批次的处理速度，动态调整节点间的任务分配，避免单个节点成为瓶颈。

  • 示例：
    一个聚合查询会拆分为：

    复制

    扫描分片数据（向量化批次）→ 过滤（按列批量计算）→ 网络传输聚合中间结果（按批次压缩）→ 全局聚合（向量化计算）
3. 网络传输优化

  • 列式压缩传输：数据在节点间传输时，按列进行压缩（如字典编码、RLE），减少网络带宽占用。

  • 批处理传输：单次传输一个数据块（如4096行），而非逐行传输，降低序列化/反序列化开销。

二、向量化如何优化复杂查询？

复杂查询（如多表 JOIN、子查询、窗口函数）需要大量中间计算和内存操作，Doris 的向量化通过以下方式优化：

1. 列式计算减少冗余开销

  • 按列批量处理：在 JOIN 或聚合时，直接操作整列数据，避免逐行解析字段。

  • 内存连续访问：列式数据在内存中连续存储，结合 SIMD 指令（如 AVX-512）加速计算。
    例如：计算 WHERE age > 30，直接对整列 age 数据批量比较。

2. 动态优化执行计划

  • 运行时过滤下推：在向量化处理过程中，动态将过滤条件（如 Bloom Filter）下推到扫描层，提前减少需处理的数据量。

  • JOIN 顺序调整：根据实时统计信息（如中间结果的数据量），动态选择最优的 JOIN 顺序，减少中间数据集大小。

3. 高效内存管理

  • 批处理内存池：为每个批次分配连续内存空间，减少内存碎片。

  • 延迟物化：在数据流转过程中，尽量保留列式结构，仅在实际需要时转换为行格式（如最终输出结果）。

4. 复杂算子优化

  • 向量化 JOIN：

    • 使用 Hash Join 时，批量构建哈希表，按批次匹配右表数据。

    • 支持 Broadcast Join 和 Shuffle Join，按数据分布选择最优策略。

  • 向量化聚合：

    • 聚合操作（如 SUM、GROUP BY）直接对列数据批量计算，利用 SIMD 加速。

    • 支持两级聚合（本地聚合 + 全局聚合），减少数据传输量。

5. 预聚合与物化视图

  • 预计算加速：通过物化视图提前按维度聚合数据，查询时直接命中预聚合结果（按列批量读取）。

  • 动态分区裁剪：利用元数据统计信息，跳过无需扫描的分区（如时间范围过滤）。

三、对比非向量化的分布式数据库

若 Doris 不使用向量化执行，在复杂查询场景下会面临以下问题：

  1. CPU 利用率低：逐行处理导致大量分支预测失败，无法利用 SIMD 指令。

  2. 网络开销大：逐行传输数据增加序列化成本和网络往返次数。

  3. 内存压力大：中间结果逐行生成，占用更多内存且缓存不友好。

总结：Doris 向量化与分布式架构的协同效应

设计机制解决的问题性能提升
列式批处理 + 内存连续访问减少 CPU 分支预测失败、缓存失效单节点计算效率提升 3-5 倍
流水线并行 + 动态调度避免节点空闲等待，提升集群利用率复杂查询延迟降低 50% 以上
列式压缩传输减少网络带宽占用网络传输开销减少 60%-80%
预聚合 + 动态过滤下推减少冗余数据处理扫描数据量降低 90%（依赖查询模式）

通俗类比

想象一个快递仓库（Doris 集群）：

  • 非向量化：工人（CPU）每次处理一个包裹（单行数据），频繁往返仓库和卡车（网络传输），效率低下。

  • 向量化：工人使用大型集装箱（批量数据块），用叉车（SIMD 指令）一次性搬运多个包裹，同时仓库调度系统（分布式优化）动态规划最优路线，最终大幅提升吞吐量。

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