2024-03-12
分类：Java笔记
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[来源：blog.csdn.net/weixin_56270372
/article/details/135936319](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
* [背景](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
* [分布式联接算法](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
* [Shuffle Join（洗牌联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
* [Broadcast Join（广播联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
* [MapReduce Join（MapReduce联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
* [Sort-Merge Join（排序-合并联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&chksm=fa496f8ecd3ee698f4954c00efb80fe955ec9198fff3ef4011e331aa37f55a6a17bc8c0335a8&scene=21&token=899450012&lang=zh_CN#wechat_redirect)
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[背景](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
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最近在阅读查询优化器的论文，发现System R中对于Join操作的定义一般分为了两种，即嵌套循环、排序-合并联接。
考虑到我的领域是在处理分库分表或者其他的分区模式，这让我开始不由得联想我们怎么在分布式场景应用这个Join逻辑，对于两个不同库里面的不同表我们是没有办法直接进行Join操作的。查阅资料后发现原来早有定义，即分布式联接算法。
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[分布式联接算法](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
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跨界点处理数据即分布式联接算法，常见的有四种模型：`Shuffle Join`（洗牌联接）、`Broadcast Join`（广播联接）、`MapReduce Join`（MapReduce联接）、`Sort-Merge Join`（排序-合并联接）。
接下来将进行逐一了解与分析，以便后续开发的应用。
### [Shuffle Join（洗牌联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
先上原理解释：
> "
>
> `Shuffle Join`的核心思想是将来自不同节点的数据重新分发（洗牌），使得可以联接的数据行最终位于同一个节点上。
>
> "
>
> 通常，对于要联接的两个表，会对联接键应用相同的哈希函数，哈希函数的结果决定了数据行应该被发送到哪个节点。这样，所有具有相同哈希值的行都会被送到同一个节点，然后在该节点上执行联接操作。
可能解释完还是有点模糊，举个例子，有两张表，分别以id字段进行分库操作，且哈希算法相同（为了简单，这里只介绍分库场景，分库分表同理。算法有很多种，这里举例是hash算法），那么这两张表的分片或许可以在同一个物理库中，这样我们不需要做大表维度的处理，我们可以直接下推Join操作到对应的物理库操作即可。
在`ShardingSphere`中，这种场景类似于绑定表的定义，如果两张表的算法相同，可以直接配置绑定表的关系，进行相同算法的连接查询，避免复杂的笛卡尔积。
这样做的好处是可以尽量下推到数据库操作，在中间件层面我们可以做并行处理，适合大规模的数据操作。
但是，这很理想，有多少表会采用相同算法处理呢。
### [Broadcast Join（广播联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
先上原理解释：
> "
>
> 当一个表的大小相对较小时，可以将这个小表的全部数据广播到所有包含另一个表数据的节点上。
>
> "
>
> 每个节点上都有小表的完整副本，因此可以独立地与本地的大表数据进行联接操作，而不需要跨节点通信。
举个例子，有一张非常小的表A，还有一张按照ID分片的表B，我们可以在每一个物理库中复制一份表A，这样我们的Join操作就可以直接下推到每一个数据库操作了。
这种情况比Shuffle Join甚至还有性能高效，这种类似于`ShardingSphere`中的广播表的定义，其存在类似于字典表，在每一个数据库都同时存在一份，每次写入会同步到多个节点。
这种操作的好处显而易见，不仅支持并行操作而且性能极佳。
但是缺点也显而易见，如果小表不够小数据冗余不说，广播可能会消耗大量的网络带宽和资源。
### [MapReduce Join（MapReduce联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
先上原理解释：
MapReduce是一种编程模型，用于处理和生成大数据集，其中的联接操作可以分为两个阶段：Map阶段和Reduce阶段。
##### [Map阶段：](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
* 每个节点读取其数据分片，并对需要联接的键值对应用一个映射函数，生成中间键值对。
##### [Reduce阶段：](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
* 中间键值对会根据键进行排序（在某些实现中排序发生在Shuffle阶段）和分组，然后发送到Reduce节点。
* 在Reduce节点上，具有相同键的所有值都会聚集在一起，这时就可以执行联接操作。
`MapReduce Join`不直接应用于传统数据库逻辑，而是适用于Hadoop这样的分布式处理系统中。但是为了方便理解，还是用SQL语言来分析，例如一条SQL：
```
SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;
```
会被转换为两个SQL：
```
SELECT customer_id, order_id, date FROM orders;
SELECT customer_id, name FROM customers;
```
这个过程就是Map阶段，即读取orders和customers表的数据，并为每条记录输出键值对，键是`customer_id`，值是记录的其余部分。
下一个阶段可有可无，即Shuffle阶段。如果不在这里排序可能会在Map阶段执行SQL时候排序/分组或者在接下来的Reduce阶段进行额外排序/分组。在这个阶段主要将收集到的数据按照`customer_id`排序分组，以确保相同的`customer_id`的数据达到Reduce阶段。
Reduce阶段将每个对应的`customer_id`进行联接操作，输出并返回最后的结果。
这种操作普遍应用于两个算法完全不相同的表单，也是一种标准的处理模型，在这个过程中，我们以一张逻辑表的维度进行操作。这种算法可能会消耗大量内存，甚至导致内存溢出，并且在处理大数据量时会相当耗时，因此不适合需要低延迟的场景。
##### [额外补充](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
内存溢出场景普遍在如下场景：
* **大键值对数量：** 如果Map阶段产生了大量的键值对，这些数据需要在内存中进行缓存以进行排序和传输，这可能会消耗大量内存。
* **数据倾斜：** 如果某个键非常常见，而其他键则不那么常见，那么处理这个键的Reducer可能会接收到大量的数据，导致内存不足。这种现象称为数据倾斜。
* **大值列表：** 在Reduce阶段，如果某个键对应的值列表非常长，处理这些值可能会需要很多内存。
* **不合理的并行度：** 如果Reduce任务的数量设置得不合适（太少或太多），可能会导致单个任务处理不均匀，从而导致内存问题。
我能想到的相应解决方案：
* 内存到磁盘的溢写：当Map任务的输出缓冲区满了，它会将数据溢写到磁盘。这有助于限制内存使用，但会增加I/O开销。
* 通过设置合适的Map和Reduce任务数量，可以更有效地分配资源，避免某些任务过载。具体操作可以将Map操作的分段比如1\~100，100～200，Reduce阶段开设较少的并发处理。
* 优化数据分布，比如使用范围分区（`range partitioning`）或哈希分区（`hash partitioning`）来减少数据倾斜。
### [Sort-Merge Join（排序-合并联接）](https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMTA2NTU2Ng==&mid=2247487551&idx=1&sn=18f64ba49f3f0f9d8be9d1fdef8857d9&scene=21#wechat_redirect)
先上原理解释：
> "
>
> 在分布式环境中，`Sort-Merge Join`首先在每个节点上对数据进行局部排序，然后将排序后的数据合并起来，最后在合并的数据上执行联接操作。
>
> "
>
> 这通常涉及到多阶段处理，包括局部排序、数据洗牌（重新分发），以及最终的排序和合并。
举个理解，还是上面的SQL。
```
SELECT orders.order_id, orders.date, customers.name
FROM orders
JOIN customers ON orders.customer_id = customers.customer_id;
```
* 对orders表按`customer_id`进行排序。
* 对customers表按`customer_id`进行排序。
* 同时遍历两个已排序的表，将具有相同`customer_id`的行配对。
这个就有点类似于原生的排序-合并联接了。也是数据库场景的标准处理办法。
对于已经排序的数据集或数据分布均匀的情况，这种方法非常有效。如果数据未预先排序，这种方法可能会非常慢，因为它要求数据在联接之前进行排序。
当然，这个算法也会造成内存溢出的场景，解决方案如下：
* 当数据集太大而无法一次性加载到内存中时，可以使用外部排序算法。外部排序算法会将数据分割成多个批次，每个批次单独排序，然后将排序后的批次合并。这种方法通常涉及到磁盘I/O操作，因此会比内存中操作慢。
* 对于合并步骤，可以使用流式处理技术，一次只处理数据的一小部分，并持续将结果输出到下一个处理步骤或存储系统。这样可以避免一次性加载大量数据到内存中。
* 当内存不足以处理数据时，可以使用磁盘空间作为临时存储。数据库管理系统通常有机制来处理内存溢出，比如创建磁盘上的临时文件来存储过程中的数据。
* 在分布式系统中，可以将数据分散到多个节点上进行处理，这样每个节点只需要处理数据的一部分，从而减少单个节点上的内存压力。
```
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```
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