Apache Hudi 在 vivo 湖仓一体的落地实践

作者：vivo 互联网大数据团队 - Xu Yu

在增效降本的大背景下，vivo大数据基础团队引入Hudi组件为公司业务部门湖仓加速的场景进行赋能。主要应用在流批同源、实时链路优化及宽表拼接等业务场景。

Hudi 基础能力及相关概念介绍

流批同源能力

与Hive不同，Hudi数据在Spark/Flink写入后，下游可以继续使用Spark/Flink引擎以流读的形式实时读取数据。同一份Hudi数据源既可以批读也支持流读。

Flink、Hive、Spark的流转批架构：

Hudi流批同源架构：

COW和MOR的概念

Hudi支持COW（Copy On Write）和MOR（Merge On Read）两种类型：

（1）COW写时拷贝

每次更新的数据都会拷贝一份新的数据版本出来，用户通过最新或者指定version的可以进行数据查询。缺点是写入的时候往往会有写内存放大的情况，优点是查询不需要合并，直接读取效率相对比较高。JDK中的CopyOnWriteArrayList/
CopyOnWriteArraySet 容器正是采用了 COW 思想。

COW表的数据组织格式如下：

（2）MOR读时合并

每次更新或者插入新的数据时，并写入parquet文件，而是写入Avro格式的log文件中，数据按照FileGroup进行分组，每个FileGroup由base文件（parquet文件）和若干log文件组成，每个FileGroup有单独的FileGroupID;在读取的时候会在内存中将base文件和log文件进行合并，进而返回查询的数据。缺点是合并需要花费额外的合并时间，查询的效率受到影响；优点是写入的时候效率相较于COW快很多，一般用于要求数据快速写入的场景。

MOR数据组织格式如下：

Hudi的小文件治理方案

Hudi表会针对COW和MOR表制定不同的文件合并方案，分别对应Clustering和Compaction。

Clustering顾名思义，就是将COW表中多个FileGroup下的parquet根据指定的数据大小重新编排合并为新的且文件体积更大的文件块。如下图所示：

Compaction即base parquet文件与相同FileGroup下的其余log文件进行合并，生成最新版本的base文件。如下图所示：

周边引擎查询Hudi的原理

当前主流的OLAP引擎等都是从HMS中获取Hudi的分区元数据信息，从InputFormat属性中判断需要启动HiveCatalog还是HudiCatalog，然后生成查询计划最终执行。当前StarRocks、Presto等引擎都支持以外表的形式对Hudi表进行查询。

Procedure介绍

Hudi 支持多种Procedure，即过程处理程序，用户可以通过这些Procedure方便快速的处理Hudi表的相关逻辑，比如Compaction、Clustering、Clean等相关处理逻辑，不需要进行编码，直接通过sparksql的语句来执行。

项目架构

1. 按时效性要求进行分类

秒级延迟

分钟级延迟

当前Hudi主要还是应用在准实时场景：

上游从Kafka以append模式接入ods的cow表，下游部分dw层业务根据流量大小选择不同类型的索引表，比如bucket index的mor表，在数据去重后进行dw构建，从而提供统一数据服务层给下游的实时和离线的业务，同时ods层和dw层统一以insert overwrite的方式进行分区级别的容灾保障，Timeline上写入一个replacecommit的instant，不会引发下游流量骤增，如下图所示：

线上达成能力

实时场景
支持1亿条/min量级准实时写入；流读延迟稳定在分钟级

离线场景
支持千亿级别数据单批次离线写入；查询性能与查询Hive持平（部分线上任务较查询Hive提高20%以上）

小文件治理
95%以上的合并任务单次执行控制在10min内完成

组件能力优化

组件版本

当前线上所有Hudi的版本已从0.12 升级到 0.14，主要考虑到0.14版本的组件能力更加完备，且与社区前沿动态保持一致。

流计算场景

1. 限流

数据积压严重的情况下，默认情况会消费所有未消费的commits，往往因消费的commits数目过大，导致任务频繁OOM，影响任务稳定性；优化后每次用户可以摄取指定数目的commits，很大程度上避免任务OOM，提高了任务稳定性。

2. 外置clean算子

避免单并行度的clean算子最终阶段影响数据实时写入的性能；将clean单独剥离到
compaction/clustering执行。这样的好处是单个clean算子，不会因为其生成clean计划和执行导致局部某些Taskmanager出现热点的问题，极大程度提升了实时任务稳定性。

3. JM内存优化

部分大流量场景中，尽管已经对Hudi进行了最大程度的调优，但是JM的内存仍然在较高水位波动，还是会间隔性出现内存溢出影响稳定性。这种情况下我们尝试对 state.backend.fs.memory-threshold 参数进行调整；从默认的20KB调整到1KB，JM内存显著下降；同时运行至今state相关数据未产生小文件影响。

批计算场景

1. Bucket index下的BulkInsert优化

0.14版本后支持了bucket表的bulkinsert，实际使用过程中发现分区数很大的情况下，写入延迟耗时与计算资源消耗较高；分析后主要是打开的句柄数较多，不断CPU IO 频繁切换影响写入性能。

因此在hudi内核进行了优化，主要是基于partition path和bucket id组合进行预排序，并提前关闭空闲写入句柄，进而优化cpu资源使用率。

这样原先50分钟的任务能降低到30分钟以内，数据写入性能提高约30% ~ 40%。

优化前：

优化后：

2. 查询优化

0.14版本中，部分情况下分区裁剪会失效，从而导致条件查询往往会扫描不相关的分区，在分区数庞大的情况下，会导致driver OOM，对此问题进行了修复，提高了查询任务的速度和稳定性。
eg：select * from hudi_test.tmp_hudi_test where day='2023-11-20' and hour=23;
（其中tmp_hudi_test是一张按日期和小时二级分区的表）

修复前：

修复后：

优化后不仅包括减少分区的扫描数目，也减少了一些无效文件RPC的stage。

3. 多种OLAP引擎支持

此外，为了提高MOR表管理的效率，我们禁止了RO/RT表的生成；同时修复了原表的元数据不能正常同步到HMS的缺陷(这种情况下，OLAP引擎例如Presto、StarRocks查询原表数据默认仅支持对RO/RT表的查询，原表查询为空结果）。

小文件合并

1. 序列化问题修复

0.14版本Hudi在文件合并场景中，Compaction的性能相较0.12版本有30%左右的资源优化，比如：原先0.12需要6G资源才能正常启动单个executor的场景下，0.14版本 4G就可以启动并稳定执行任务；但是clustering存在因TypedProperties重复序列化导致的性能缺陷。完善后，clustering的性能得到30%以上的提升。

可以从executor的修复前后的火焰图进行比对。

修复前：

修复后：

2. 分批compaction/clustering

compaction/clustering默认不支持按commits数分批次执行，为了更好的兼容平台调度能力，对compaction/clustering相关procedure进行了改进，支持按批次执行。

同时对其他部分procedure也进行了优化，比如copy_to_table支持了列裁剪拷贝、
delete_procedures支持了批量执行等，降低sparksql的执行时间。

3. clean优化

Hudi0.14 在多分区表的场景下clean的时候很容易OOM，主要是因为构建
HoodieTableFileSystemView的时候需要频繁访问TimelineServer，因产生大量分区信息请求对象导致内存溢出。具体情况如下：

对此我们对partition request Job做了相关优化，将多个task分为多个batch来执行，降低对TimelineSever的内存压力，同时增加了请求前的缓存判断，如果已经缓存的将不会发起请求。

改造后如下：

此外实际情况下还可以在FileSystemViewManager构建过程中将 remoteview 和 secondview 的顺序互调，绝大部分场景下也能避免clean oom的问题，直接优先从secondview中获取分区信息即可。

生命周期管理

当前计算平台支持用户表级别生命周期设置，为了提高删除的效率，我们设计实现了直接从目录对数据进行删除的方案，这样的收益有：

1. 降低了元数据交互时间，执行时间快；
2. 无须加锁、无须停止任务；
3. 不会影响后续compaction/clustering 相关任务执行（比如执行合并的时候不会报文件不存在等异常）。

删除前会对compaction/clustering等instants的元数据信息进行扫描，经过合法性判断后区分用户需要删除的目录是否存在其中，如果有就保存；否则直接删除。流程如下：

总结

我们分别在流批场景、小文件治理、生命周期管理等方向做了相关优化，上线后的收益主要体现这四个方向：

1. 部分实时链路可以进行合并，降低了计算和存储资源成本；
2. 基于watermark有效识别分区写入的完成度，接入湖仓的后续离线任务平均SLA提前时间不低于60分钟；
3. 部分流转批后的任务上线后执行时间减少约40%（比如原先执行需要150秒的任务可以缩短到100秒左右完成 ;
4. 离线增量更新场景，部分任务相较于原先Hive任务可以下降30%以上的计算资源。

同时跟进用户实际使用情况，发现了一些有待优化的问题：

1. Hudi生成文件的体积相较于原先Hive，体积偏大（平均有1.3 ~ 1.4的比例）；
2. 流读的指标不够准确；
3. Hive -> Hudi迁移需要有一定的学习成本；

针对上述问题，我们也做了如下后续计划：

1. 对hoodie parquet索引文件进行精简优化，此外业务上对主键的重新设计也会直接影响到文件体积大小；
2. 部分流读的指标不准，我们已经完成初步的指标修复，后续需要补充更多实时的任务指标来提高用户体验；
3. 完善Hudi迁移流程，提供更快更简洁的迁移工具，此外也会向更多的业务推广Hudi组件，进一步挖掘Hudi组件的潜在使用价值。