基于MRS-ClickHouse构建用户画像系统方案介绍

业务场景 用户画像是对用户信息的标签化。用户画像系统通过对收集的各维度数据,进行深度的分析和挖掘,给不同的用户打上不同的标签,从而刻画出客户的全貌。通过用户画像系统,可以对各个用户进行精准定位,从而将其应用于个性化推荐、精准营销等业务场景中。用户画像系统已经被各个企业广泛采用,是大数据落地的重要方式之一。
在移动互联网时代,用户数量庞大,标签数量众多,用户标签的数据量巨大。用户画像系统中,对于标签的存储和查询,不同的企业有不同的实现方案。当前主流的实现方案采用ElasticSearch方案。但基于ElasticSearch构建用户画像平台,往往面临灵活性不足、资源开销大、无SQL接口开发不便等问题。为此,本文提供了一种基于华为MRS ClickHouse构建用户画像系统的方法。
为什么基于MRS-ClickHouse构建标签查询系统 1.MRS-ClickHouse简介
MRS-ClickHouse是一款面向联机分析处理的列式数据库。其最核心的特点是极致压缩率和极速查询性能。MRS-ClickHouse支持SQL查询,且查询性能好,特别是基于大宽表的聚合分析查询性能非常优异,比其他分析型数据库速度快一个数量级。
基于MRS-ClickHouse构建用户画像系统方案介绍
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ClickHouse有如下特点:
完备的DBMS功能
ClickHouse拥有完备的数据库管理功能,具备一个DBMS基本的功能,包括DDL、DML、权限控制、数据备份与恢复、分布式管理。
列式存储与数据压缩
ClickHouse是一款使用列式存储的数据库,数据按列进行组织,属于同一列的数据会被保存在一起,列与列之间也会由不同的文件分别保存。在执行数据查询时,列式存储可以减少数据扫描范围和数据传输时的大小,提高了数据查询的效率。
向量化执行引擎
ClickHouse利用CPU的SIMD指令实现了向量化执行。SIMD的全称是Single Instruction Multiple Data,即用单条指令操作多条数据,通过数据并行以提高性能的一种实现方式,它的原理是在CPU寄存器层面实现数据的并行操作。
关系模型与SQL查询
ClickHouse完全使用SQL作为查询语言,提供了标准协议的SQL查询接口,使得现有的第三方分析可视化系统可以轻松与它集成对接。
同时ClickHouse使用了关系模型,所以将构建在传统关系型数据库或数据仓库之上的系统迁移到ClickHouse的成本会变得更低。
数据分片与分布式查询
ClickHouse集群由1到多个分片组成,而每个分片则对应了ClickHouse的1个服务节点。分片的数量上限取决于节点数量(1个分片只能对应1个服务节点)。
ClickHouse提供了本地表 (Local Table)与分布式表 (Distributed Table)的概念。一张本地表等同于一份数据的分片。而分布式表本身不存储任何数据,它是本地表的访问代理,其作用类似分库中间件。借助分布式表,能够代理访问多个数据分片,从而实现分布式查询。
2.位图索引介绍
位图是一种通过数组下标与某些特定的值进行关联的数据结构。在位图中,每一个元素占用1个比特位。比特位为1时,表示对应的元素有该特定的值。反之则表示没有。
举例:
ID集合:[0,1,4,5,6,7,9,10,13,14]
通过位图可以表示为:11001111 01100110
如下图所示:
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位图索引是一种使用位图的特殊索引,主要针对大量相同值的列而创建。位图中位置编码中的每一位表示对应的数据行的有无。位图索引适合固定值的列,如性别、婚姻状况、行政区等等。而不适合像身份证号、消费金额这种离散值的列。用户画像场景中,每一个标签,对应大量的人群。标签的数量是有限的枚举值,这一特点非常适合位图索引。
举例:
假设有两个标签,一个是标签1-持有贵金属,另一个是标签2-持有保险。各个持卡人拥有的标签情况如下表所示。
从中,我们可以看到,有标签1-持有贵金属的持卡人ID集合是:[0,1,4,5,6,7,9,10,13,14]。有标签2-持有保险的持卡人ID集群是:[2,3,5,7,8,11,12,13,15]。
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当我们需要查询同时有这个标签的用户时,基于位图索引,只需要将两个标签相应的位图进行位运算,即可得到最终结果。这样,标签数据的存储空间占用非常小,标签计算的速度非常快。
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3.MRS-ClickHouse原生支持位图索引
【基于MRS-ClickHouse构建用户画像系统方案介绍】在ClickHouse出现之前,如果要将位图索引应用于用户画像场景,需要自己构建位图数据结构、管理位图索引,使用门槛较高。好消息是,MRS-ClickHouse原生提供了对位图数据结构和位置索引的支持,将位图的构建及维护封装在ClickHouse内部。使用者基于ClickHouse构建位图索引变成非常的简单。
ClickHouse位图构造函数:

序号 函数原型 用途
1 bitmapBuild(array) 将无符号整数数组构建位图对象
2 groupBitmapState() 通过ID列表聚合构建位图对象
ClickHouse位置操作函数:
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ClickHouse位图运算结果获取函数:
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综上,为什么是选择基于ClickHouse构建标签查询系统?
  1. ClickHouse查询速度快,最快可达亚秒级响应;
  2. ClickHouse内置位图数据结构,方便构建位图索引,提升标签查询性能;
  3. 基于JDBC/SQL接口,开发更简单;
  4. 基于MPP架构,可横向扩展。
如何基于MRS-ClickHouse构建标签查询系统 在ClickHouse中创建一张原始标签表,将原始标签数据导入其中。然后基于标签原始表构建标签位图表,并创建对应的分布式表。上层标签查询应用基于标签位图表(分布式表)进行标签查询。
流程如下图所示:
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详细过程如下文所述。
Step 1:创建标签原始表,导入标签原始数据
首先,创建一张标签原始表,保存标签原始数据。上游系统计算出的标签结果数据,写入本表中。本表为本地表。其建表语句如下:
CREATE TABLE IF NOT EXISTS tbl_tag_src ON CLUSTER default_cluster( tagname String,--标签名称 tagvalue String,--标签值 userid UInt64 )ENGINE = ReplicatedMergeTree('/clickhouse/default/tables/{shard}/tbl_tag_src ','{replica}') PARTITION BY tagname ORDER BY tagvalue;

然后创建分布式表:
CREATE TABLE IF NOT EXISTS default.tbl_tag_src_all ON CLUSTER default_cluster AS tbl_tag_src ENGINE = Distributed(default_cluster, default, tbl_tag_src, rand());

数据预览如下:
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Step 2:创建标签位图表,构建标签位图
创建一张标签位图表,先创建本地表。本地表用于保存标签位图数据。其创建语句如下:
-- 创建位图表,先创建本地表 CREATE TABLE IF NOT EXISTS tbl_tag_bitmap ON CLUSTER default_cluster ( tagname String,--标签名称 tagvalue String,--标签值 tagbitmap AggregateFunction(groupBitmap, UInt64 )--userid集合 ) ENGINE = ReplicatedAggregatingMergeTree('/clickhouse/default/tables/{shard}/ tbl_tag_bitmap ','{replica}') PARTITION BY tagname ORDER BY (tagname, tagvalue) SETTINGS index_granularity = 128;

然后再创建对应的分布式表。分布式表用于上层应用查询标签。其建表语句如下:
CREATE TABLE IF NOT EXISTS default.tbl_tag_bitmap_all ON CLUSTER default_cluster ( tagname String,--标签名称 tagvalue String,--标签值 tagbitmap AggregateFunction(groupBitmap, UInt64 )--userid集合 ) ENGINE = Distributed(default_cluster, default, tbl_tag_bitmap, rand());

将标签原始表的数据导入标签位图表中。并在导入过程中,使用groupBitmapState()函数构建位图。SQL语句如下:
-- 导入数据, 将同一个标签的所有userid使用groupBitmapState函数合并成一个bitmap INSERT INTO tbl_tag_bitmap_all SELECT tagname,tagvalue,groupBitmapState(userid) FROM tbl_tag_src_all GROUP BY tagname,tagvalue;

Step 3:基于分布式表快速检索标签
查询持有贵金属产品,并且性别是男的userid列表:
WITH ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '持有产品' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/贵金属' LIMIT 1 ) AS bitmap1, ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '性别' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/男' LIMIT 1 ) AS bitmap2 SELECT bitmapToArray(bitmapAnd(bitmap1, bitmap2)) AS res

分别统计持有保险的客户中,男性和女性的总人数:
---- 查询持有保险的客户中,男性人数: WITH ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '持有产品' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/保险' LIMIT 1 ) AS bitmap1, ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '性别' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/男' LIMIT 1 ) AS bitmap2 SELECT bitmapCardinality(bitmapAnd(bitmap1, bitmap2)) AS res---- 查询持有保险的客户中,女性人数: WITH ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '持有产品' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/保险' LIMIT 1 ) AS bitmap1, ( SELECT tagbitmap FROM tbl_tag_bitmap_all WHERE tagname = '性别' AND tagvalue = 'https://www.it610.com/article/女' LIMIT 1 ) AS bitmap2 SELECT bitmapCardinality(bitmapAnd(bitmap1, bitmap2)) AS res

总结 针对用户画像场景中的海量标签查询,传统的方案存在灵活性不足、资源消耗大、缺少SQL接口开发难度大等问题。基于华为MRS-ClickHouse,可以非常方便的构建位图索引,实现海量标签数据的实时检索。MRS-ClickHouse让开发成本大幅降低,标签查询更快响应,让精准营销更便捷。
华为云FusionInsight MRS云原生数据湖已广泛应用于政府、金融、运营商、大企业、互联网等行业,携手800+合作伙伴,服务于全球60+国家和地区3000+政企客户。

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