如前幾節所述，Citus 是一個擴展，它擴展了最新的 PostgreSQL 以進行分布式執行。這意味著您可以在 Citus 協調器上使用標準 PostgreSQL SELECT 查詢進行查詢。 Citus 將并行化涉及復雜選擇、分組和排序以及 JOIN 的 SELECT 查詢，以加快查詢性能。在高層次上，Citus 將 SELECT 查詢劃分為更小的查詢片段，將這些查詢片段分配給 worker，監督他們的執行，合并他們的結果(如果需要，對它們進行排序)，并將最終結果返回給用戶。

• SELECT

http://www.postgresql.org/docs/current/static/sql-select.html

在以下部分中，我們將討論您可以使用 Citus 運行的不同類型的查詢。

聚合函數

Citus 支持和并行化 PostgreSQL 支持的大多數聚合函數，包括自定義用戶定義的聚合。聚合使用以下三種方法之一執行，優先順序如下：

• 當聚合按表的分布列分組時，Citus 可以將整個查詢的執行下推到每個 worker。在這種情況下支持所有聚合，并在 worker 上并行執行。(任何正在使用的自定義聚合都必須安裝在 worker 身上。)
• 當聚合沒有按表的分布列分組時，Citus 仍然可以根據具體情況進行優化。Citus 對 sum()、avg() 和 count(distinct) 等某些聚合有內部規則，允許它重寫查詢以對 worker 進行部分聚合。例如，為了計算平均值，Citus 從每個 worker 那里獲得一個總和和一個計數，然后 coordinator 節點計算最終的平均值。特殊情況聚合的完整列表：

avg, min, max, sum, count, array_agg, jsonb_agg, jsonb_object_agg, json_agg, json_object_agg, bit_and, bit_or, bool_and, bool_or, every, hll_add_agg, hll_union_agg, topn_add_agg, topn_union_agg, any_value, var_pop(float4), var_pop(float8), var_samp(float4), var_samp(float8), variance(float4), variance(float8) stddev_pop(float4), stddev_pop(float8), stddev_samp(float4), stddev_samp(float8) stddev(float4), stddev(float8) tdigest(double precision, int), tdigest_percentile(double precision, int, double precision), tdigest_percentile(double precision, int, double precision[]), tdigest_percentile(tdigest, double precision), tdigest_percentile(tdigest, double precision[]), tdigest_percentile_of(double precision, int, double precision), tdigest_percentile_of(double precision, int, double precision[]), tdigest_percentile_of(tdigest, double precision), tdigest_percentile_of(tdigest, double precision[])

• 最后的手段：從 worker 中提取所有行并在 coordinator 節點上執行聚合。如果聚合未在分布列上分組，并且不是預定義的特殊情況之一，則 Citus 會退回到這種方法。它會導致網絡開銷，并且如果要聚合的數據集太大，可能會耗盡 coordinator 的資源。(可以禁用此回退，見下文。)

請注意，查詢中的微小更改可能會改變執行模式，從而導致潛在的令人驚訝的低效率。例如，按非分布列分組的 sum(x) 可以使用分布式執行，而 sum(distinct x) 必須將整個輸入記錄集拉到 coordinator。

SELECT sum(value1), sum(distinct value2) FROM distributed_table;

為避免意外將數據拉到 coordinator，可以設置一個 GUC：

SET citus.coordinator_aggregation_strategy TO 'disabled';

請注意，禁用 coordinator 聚合策略將完全阻止 “類型三”(最后的手段) 聚合查詢工作。

Count (Distinct) 聚合

Citus 以多種方式支持 count(distinct) 聚合。如果 count(distinct) 聚合在分布列上，Citus 可以直接將查詢下推給 worker。如果不是，Citus 對每個 worker 運行 select distinct 語句， 并將列表返回給 coordinator，從中獲取最終計數。

請注意，當 worker 擁有更多 distinct 項時，傳輸此數據會變得更慢。對于包含多個 count(distinct) 聚合的查詢尤其如此，例如：

-- multiple distinct counts in one query tend to be slow
SELECT count(distinct a), count(distinct b), count(distinct c)
FROM table_abc;

對于這類查詢，worker 上產生的 select distinct 語句本質上會產生要傳輸到 coordinator 的行的 cross-product(叉積)。

為了提高性能，您可以選擇進行近似計數。請按照以下步驟操作：

• 在所有 PostgreSQL 實例(coordinator 和所有 worker)上下載并安裝 hll 擴展。有關獲取擴展的詳細信息，請訪問 PostgreSQL hll github 存儲庫。

https://github.com/citusdata/postgresql-hll

• 只需從 coordinator 運行以下命令，即可在所有 PostgreSQL 實例上創建 hll 擴展。

CREATE EXTENSION hll;

• 通過設置 Citus.count_distinct_error_rate 配置值啟用計數不同的近似值。此配置設置的較低值預計會提供更準確的結果，但需要更多時間進行計算。我們建議將其設置為 0.005。

SET citus.count_distinct_error_rate to 0.005;

在這一步之后，count(distinct) 聚合會自動切換到使用 HLL，而無需對您的查詢進行任何更改。您應該能夠在表的任何列上運行近似 count distinct 查詢。

HyperLogLog 列

某些用戶已經將他們的數據存儲為 HLL 列。在這種情況下，他們可以通過調用 hll_union_agg(hll_column) 動態匯總這些數據。

估計 Top N 個項

通過應用 count、sort 和 limit 來計算集合中的前 n 個元素很簡單。然而，隨著數據大小的增加，這種方法變得緩慢且資源密集。使用近似值更有效。

Postgres 的開源 TopN 擴展可以快速獲得 “top-n” 查詢的近似結果。該擴展將 top 值具體化為 JSON 數據類型。TopN 可以增量更新這些 top 值，或者在不同的時間間隔內按需合并它們。

• TopN 擴展

https://github.com/citusdata/postgresql-topn

基本操作

在查看 TopN 的實際示例之前，讓我們看看它的一些原始操作是如何工作的。首先 topn_add 更新一個 JSON 對象，其中包含一個 key 被看到的次數：

select topn_add('{}', 'a');
-- => {"a": 1}

-- record the sighting of another "a"
select topn_add(topn_add('{}', 'a'), 'a');
-- => {"a": 2}

該擴展還提供聚合以掃描多個值：

-- for normal_rand
create extension tablefunc;

-- count values from a normal distribution
SELECT topn_add_agg(floor(abs(i))::text)
  FROM normal_rand(1000, 5, 0.7) i;
-- => {"2": 1, "3": 74, "4": 420, "5": 425, "6": 77, "7": 3}

如果 distinct 值的數量超過閾值，則聚合會丟棄那些最不常見的信息。這可以控制空間使用。閾值可以由 topn.number_of_counters GUC 控制。它的默認值為 1000。

現實例子

現在來看一個更現實的例子，說明 TopN 在實踐中是如何工作的。讓我們提取 2000 年的亞馬遜產品評論，并使用 TopN 快速查詢。首先下載數據集：

curl -L https://examples.citusdata.com/customer_reviews_2000.csv.gz | \
  gunzip > reviews.csv

接下來，將其攝取到分布式表中：

CREATE TABLE customer_reviews
(
    customer_id TEXT,
    review_date DATE,
    review_rating INTEGER,
    review_votes INTEGER,
    review_helpful_votes INTEGER,
    product_id CHAR(10),
    product_title TEXT,
    product_sales_rank BIGINT,
    product_group TEXT,
    product_category TEXT,
    product_subcategory TEXT,
    similar_product_ids CHAR(10)[]
);

SELECT create_distributed_table('customer_reviews', 'product_id');

\COPY customer_reviews FROM 'reviews.csv' WITH CSV

接下來我們將添加擴展，創建一個目標表來存儲 TopN 生成的 json 數據，并應用我們之前看到的 topn_add_agg 函數。

-- run below command from coordinator, it will be propagated to the worker nodes as well
CREATE EXTENSION topn;

-- a table to materialize the daily aggregate
CREATE TABLE reviews_by_day
(
  review_date date unique,
  agg_data jsonb
);

SELECT create_reference_table('reviews_by_day');

-- materialize how many reviews each product got per day per customer
INSERT INTO reviews_by_day
  SELECT review_date, topn_add_agg(product_id)
  FROM customer_reviews
  GROUP BY review_date;

現在，我們無需在 customer_reviews 上編寫復雜的窗口函數，只需將 TopN 應用于 reviews_by_day。例如，以下查詢查找前五天中每一天最常被評論的產品：

SELECT review_date, (topn(agg_data, 1)).*
FROM reviews_by_day
ORDER BY review_date
LIMIT 5;

┌─────────────┬────────────┬───────────┐
│ review_date │    item    │ frequency │
├─────────────┼────────────┼───────────┤
│ 2000-01-01  │ 0939173344 │        12 │
│ 2000-01-02  │ B000050XY8 │        11 │
│ 2000-01-03  │ 0375404368 │        12 │
│ 2000-01-04  │ 0375408738 │        14 │
│ 2000-01-05  │ B00000J7J4 │        17 │
└─────────────┴────────────┴───────────┘

TopN 創建的 json 字段可以與 topn_union 和 topn_union_agg 合并。我們可以使用后者來合并整個第一個月的數據，并列出該期間最受好評的五個產品。

SELECT (topn(topn_union_agg(agg_data), 5)).*
FROM reviews_by_day
WHERE review_date >= '2000-01-01' AND review_date < '2000-02-01'
ORDER BY 2 DESC;

┌────────────┬───────────┐
│    item    │ frequency │
├────────────┼───────────┤
│ 0375404368 │       217 │
│ 0345417623 │       217 │
│ 0375404376 │       217 │
│ 0375408738 │       217 │
│ 043936213X │       204 │
└────────────┴───────────┘

有關更多詳細信息和示例，請參閱 TopN readme。

百分位計算

在大量行上找到精確的百分位數可能會非常昂貴， 因為所有行都必須轉移到 coordinator 以進行最終排序和處理。另一方面，找到近似值可以使用所謂的 sketch 算法在 worker 節點上并行完成。 coordinator 節點然后將壓縮摘要組合到最終結果中，而不是讀取完整的行。

一種流行的百分位數 sketch 算法使用稱為 t-digest 的壓縮數據結構，可在 tdigest 擴展中用于 PostgreSQL。Citus 集成了對此擴展的支持。

以下是在 Citus 中使用 t-digest 的方法：

• 在所有 PostgreSQL 節點( coordinator 和所有 worker)上下載并安裝 tdigest 擴展。tdigest 擴展 github 存儲庫有安裝說明。

https://github.com/tvondra/tdigest

• 在數據庫中創建 tdigest 擴展。在 coordinator 上運行以下命令：

CREATE EXTENSION tdigest;

coordinator 也會將命令傳播給 worker。

當在查詢中使用擴展中定義的任何聚合時，Citus 將重寫查詢以將部分 tdigest 計算下推到適用的 worker。

T-digest 精度可以通過傳遞給聚合的 compression 參數來控制。權衡是準確性與 worker 和 coordinator 之間共享的數據量。有關如何在 tdigest 擴展中使用聚合的完整說明，請查看官方 tdigest github 存儲庫中的文檔。

限制下推

Citus 還盡可能將限制條款下推到 worker 的分片，以最大限度地減少跨網絡傳輸的數據量。

但是，在某些情況下，帶有 LIMIT 子句的 SELECT 查詢可能需要從每個分片中獲取所有行以生成準確的結果。例如，如果查詢需要按聚合列排序，則需要所有分片中該列的結果來確定最終聚合值。由于大量的網絡數據傳輸，這會降低 LIMIT 子句的性能。在這種情況下，如果近似值會產生有意義的結果，Citus 提供了一種用于網絡高效近似 LIMIT 子句的選項。

LIMIT 近似值默認禁用，可以通過設置配置參數 citus.limit_clause_row_fetch_count 來啟用。在這個配置值的基礎上，Citus 會限制每個任務返回的行數，用于在 coordinator 上進行聚合。由于這個 limit，最終結果可能是近似的。增加此 limit 將提高最終結果的準確性，同時仍提供從 worker 中提取的行數的上限。

SET citus.limit_clause_row_fetch_count to 10000;

分布式表的視圖

Citus 支持分布式表的所有視圖。有關視圖的語法和功能的概述，請參閱 CREATE VIEW 的 PostgreSQL 文檔。

• https://www.postgresql.org/docs/current/static/sql-createview.html

請注意，某些視圖導致查詢計劃的效率低于其他視圖。有關檢測和改進不良視圖性能的更多信息，請參閱子查詢/CTE 網絡開銷。(視圖在內部被視為子查詢。)

• https://docs.citusdata.com/en/v11.0beta/performance/performance_tuning.html#subquery-perf

Citus 也支持物化視圖，并將它們作為本地表存儲在 coordinator 節點上。

連接(Join)

Citus 支持任意數量的表之間的 equi-JOIN，無論它們的大小和分布方法如何。查詢計劃器根據表的分布方式選擇最佳連接方法和 join 順序。它評估幾個可能的 join 順序并創建一個 join 計劃，該計劃需要通過網絡傳輸最少的數據。

共置連接

當兩個表共置時，它們可以在它們的公共分布列上有效地 join。co-located join(共置連接) 是 join 兩個大型分布式表的最有效方式。

• https://docs.citusdata.com/en/v11.0-beta/sharding/data_modeling.html#colocation

注意

確保表分布到相同數量的分片中，并且每個表的分布列具有完全匹配的類型。嘗試加入類型略有不同的列(例如 `int` 和 `bigint`)可能會導致問題。

引用表連接

引用表可以用作“維度”表， 以有效地與大型“事實”表連接。因為引用表在所有 worker 上完全復制， 所以 reference join 可以分解為每個 worker 上的本地連接并并行執行。 reference join 就像一個更靈活的 co-located join 版本， 因為引用表沒有分布在任何特定的列上，并且可以自由地 join 到它們的任何列上。

• https://docs.citusdata.com/en/v11.0-beta/develop/reference_ddl.html#reference-tables

引用表也可以與 coordinator 節點本地的表連接。

重新分區連接

在某些情況下，您可能需要在除分布列之外的列上連接兩個表。對于這種情況，Citus 還允許通過動態重新分區查詢的表來連接非分布 key 列。

在這種情況下，要分區的表由查詢優化器根據分布列、連接鍵和表的大小來確定。使用重新分區的表，可以確保只有相關的分片對相互連接，從而大大減少了通過網絡傳輸的數據量。

通常，co-located join 比 repartition join 更有效，因為 repartition join 需要對數據進行混洗。因此，您應該盡可能通過 common join 鍵來分布表。