Apache Impala

  • Impala基本介绍
  • Impala与Hive关系
  • Impala与Hive异同
  • Impala使用的优化技术
  • 执行计划
  • 数据流
  • 内存使用
  • 调度
  • 容错
  • 适用面
  • Impala架构
  • Impalad
  • Impala State Store
  • CLI
  • Catalogd（目录）
  • Impala查询处理过程


Impala基本介绍

  • impala是cloudera提供的一款高效率的sql查询工具，提供实时的查询效果，官方测试性能比hive快10到100倍，其sql查询比sparkSQL还要更加快速，号称是当前大数据领域最快的查询sql工具，
  • impala是参照谷歌的新三篇论文（Caffeine–网络搜索引擎、Pregel–分布式图计算、Dremel–交互式分析工具）当中的Dremel实现而来，其中旧三篇论文分别是（BigTable，GFS，MapReduce）分别对应HBase HDFS以及MapReduce。
  • impala是基于hive并使用内存进行计算，兼顾数据仓库，具有实时，批处理，多并发等优点。

Impala与Hive关系

  • impala是基于hive的大数据分析查询引擎，直接使用hive的元数据库metadata，意味着impala元数据都存储在hive的metastore当中，并且impala兼容hive的绝大多数sql语法。所以需要安装impala的话，必须先安装hive，保证hive安装成功，并且还需要启动hive的metastore服务。
  • Hive元数据包含用Hive创建的database、table等元信息。元数据存储在关系型数据库中，如Derby、MySQL等。
  • 客户端连接metastore服务，metastore再去连接MySQL数据库来存取元数据。有了metastore服务，就可以有多个客户端同时连接，而且这些客户端不需要知道MySQL数据库的用户名和密码，只需要连接metastore 服务即可。
    nohup hive --service metastore >> ~/metastore.log 2>&1 &

    • impala 系统架构 impala apache_hive


  • Hive适合于长时间的批处理查询分析，而Impala适合于实时交互式SQL查询。可以先使用hive进行数据转换处理，之后使用Impala在Hive处理后的结果数据集上进行快速的数据分析。

Impala与Hive异同

  • Impala 与Hive都是构建在Hadoop之上的数据查询工具各有不同的侧重适应面，但从客户端使用来看Impala与Hive有很多的共同之处，如数据表元数据、ODBC/JDBC驱动、SQL语法、灵活的文件格式、存储资源池等。
  • 但是Impala跟Hive最大的优化区别在于：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。
Impala使用的优化技术
  • 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。(C++特性)
  • 充分利用可用的硬件指令（SSE4.2）。
  • 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。
  • 通过选择合适数据存储格式可以得到最好性能（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。
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，版本1.0.1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。
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）。
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架构

Impala主要由Impalad、 State Store、Catalogd和CLI组成。

impala 系统架构 impala apache_impala 系统架构_02

Impalad
  • Impalad: 与DataNode运行在同一节点上，由Impalad进程表示，它接收客户端的查询请求（接收查询请求的Impalad为Coordinator，Coordinator通过JNI调用java前端解释SQL查询语句，生成查询计划树，再通过调度器把执行计划分发给具有相应数据的其它Impalad进行执行），读写数据，并行执行查询，并把结果通过网络流式的传送回给Coordinator，由Coordinator返回给客户端。同时Impalad也与State Store保持连接，用于确定哪个Impalad是健康和可以接受新的工作。
  • 在Impalad中启动三个ThriftServer: beeswax_server（连接客户端），hs2_server（借用Hive元数据）， be_server（Impalad内部使用）和一个ImpalaServer服务。
Impala State Store
  • Impala State Store: 跟踪集群中的Impalad的健康状态及位置信息，由statestored进程表示，它通过创建多个线程来处理Impalad的注册订阅和与各Impalad保持心跳连接，各Impalad都会缓存一份State Store中的信息，当State Store离线后（Impalad发现State Store处于离线时，会进入recovery模式，反复注册，当State Store重新加入集群后，自动恢复正常，更新缓存数据）因为Impalad有State Store的缓存仍然可以工作，但会因为有些Impalad失效了，而已缓存数据无法更新，导致把执行计划分配给了失效的Impalad，导致查询失败。
CLI
  • CLI: 提供给用户查询使用的命令行工具（Impala Shell使用python实现），同时Impala还提供了Hue，JDBC， ODBC使用接口。
Catalogd（目录）
  • Catalogd：作为metadata访问网关，从Hive Metastore等外部catalog中获取元数据信息，放到impala自己的catalog结构中。impalad执行ddl命令时通过catalogd由其代为执行，该更新则由statestored广播。

Impala查询处理过程

  • Impalad分为Java前端与C++处理后端，接受客户端连接的Impalad即作为这次查询的Coordinator，Coordinator通过JNI调用Java前端对用户的查询SQL进行分析生成执行计划树。
  • Java前端产生的执行计划树以Thrift数据格式返回给C++后端（Coordinator）（执行计划分为多个阶段，每一个阶段叫做一个PlanFragment，每一个PlanFragment在执行时可以由多个Impalad实例并行执行(有些PlanFragment只能由一个Impalad实例执行,如聚合操作)，整个执行计划为一执行计划树）。
  • Coordinator根据执行计划，数据存储信息（Impala通过libhdfs与HDFS进行交互。通过hdfsGetHosts方法获得文件数据块所在节点的位置信息），通过调度器（现在只有simple-scheduler, 使用round-robin算法）Coordinator::Exec对生成的执行计划树分配给相应的后端执行器Impalad执行（查询会使用LLVM进行代码生成，编译，执行），通过调用GetNext()方法获取计算结果。
  • 如果是insert语句，则将计算结果通过libhdfs写回HDFS当所有输入数据被消耗光，执行结束，之后注销此次查询服务。