去重计数在企业日常分析中应用广泛，如用户留存、销售统计、广告营销等。海量数据下的去重计数十分消耗资源，动辄几分钟，甚至几小时，Apache Kylin 如何做到秒级的低延迟精确去重呢？
什么是去重计数
去重计数是数据分析中的常用分析函数，指查询某列中不同值的个数，在 SQL 中的函数是 count(distinct col)。它与 count(col) 函数的区别在于有一个 distinct 描述符，意思是去掉重复值，因此称为去重计数。
去重计数使用广泛，例如：在网站/app 使用统计中，PV/UV 是最常用的指标，其中 UV（unique visitor，独立访问用户）就是去重后的数字，即同一个用户的所有访问记录只计入一次。对于网站/app 所有者，PV (page view）代表的使用量的高低，UV 代表用户的多少，两个数字都很重要；只有结合两个数字一起，才能更加准确地了解网站/app的用户、用量增长情况。
图 1：PV/UV 统计
大数据上去重运算的难点与挑战
去重运算因为涉及到数值的比较，因此它的计算要比单纯的 PV 计数要略复杂。当数据量不大的时候，单机运行的性能或许还能忍受。但是当数据量渐长的时候，所花的时间越来越长，依靠单节点处理难以满足，此时就需要依靠分布式框架如 MapReduce 或 Spark 等并行处理，把大数据分而治之。
学习过 MapReduce 的朋友，一定对它的 WordCount 范例非常了解。下图解释了使用MapReduce 进行并行词语出现次数统计的过程：
图 2：WordCount 过程示例
试想，如果你的网站/app，访问用户数较大，如一千万，访问记录一亿（假设一个人平均点击 10 次）。假如每个用户的 ID 已经用 int 表示了，那么一次简单的去重运算，需要 shuffle 的数据量就是：1亿*4字节 = 400 MB = 3200 Mb。以内网千兆网 1000 Mbps 来计算，至少也需要 3 秒的传输；再加上磁盘读写、排序、序列化、反序列化操作，这样的一个计数运算最终的时间基本在 10 秒以上。现实中情况可能更加复杂：
- 用户标识符可能是 email、uuid、身份证、手机号等更长的字符，空间占用更大；
- 去重之前需要某些条件过滤，占用更多计算资源，如查询过去 2 天在某几个地区的 UV；
- 访问记录多（行为日志往往在数十亿以上）；
- 网络和磁盘 IO 忙，查询性能会出现抖动。
总之，大数据上的去重计数是一个耗资源的计算，做到秒级的低延迟响应十分困难；如果这方面查询较频繁，必定需要优化数据结构和算法。
大数据去重算法
事实上，研究人员早就意识到了这里存在优化空间，开发了多种算法和数据结构。最著名的当属 HyperLogLog 和 Bitmap 两种。前不久，Kyligence工程师在 2019 年 4 月的北京 Kylin Meetup 上做了分享，并撰写了技术文章，感兴趣的同学请参考文末的“参考阅读”【1】和【2】。
这两种算法结构的共同点是，以非常精凑的结构存储去重集合的特征（或完整集合），这样不但可以回答去重数，还可以用于后续合并运算（如昨天和今天的去重）。相比较于每次都从原始值上做去重，它的存储和计算效率可以大大提高。
但这两种算法也有明显的差异点：
1) HyperLogLog，以下简称 HLL，它的空间复杂度非常低（log(log(n)) ，故而得名 HLL），几乎不随存储集合的大小而变化；根据精度的不同，一个 HLL 占用的空间从 1KB 到 64KB 不等。而 Bitmap 因为需要为每一个不同的 id 用一个 bit 位表示，所以它存储的集合越大，所占用空间也越大；存储 1 亿内数字的原始 bitmap，空间占用约为 12MB。可以看到，Bitmap 的空间要比 HLL 大约一两个数量级。
2）HLL 支持各种数据类型作为输入，使用方便；Bitmap 只支持 int/long 类型的数字作为输入，因此如果原始值是 string 等类型的话，用户需要自己提前进行到 int/long 的映射。
3）HLL 之所以支持各种数据类型，是因为其采用了哈希函数，将输入值映射成一个二进制字节，然后对这个二进制字节进行分桶以及再判断其首个1出现的最后位置，来估计目前桶中有多少个不同的值。由于使用了哈希函数，以及使用概率估计的方式，因此 HLL 算法的结果注定是非精确的；尽管 HLL 采用了多种纠正方式来减小误差，但无法改变结果非精确的事实，即便最高精度，理论误差也超过了 1%。
4）Bitmap 忠实地为每个 id 使用一个 bit 位来代表其出现（1）或不出现（0）；所以只要能保证不同的用户被映射成不同的 id 值，那么 Bitmap 的结果就是精确的。
综合看下来，这两个算法都有各自明显的优劣：HLL 各种好，但是不精确；Bitmap 虽然占用空间比 HLL多，但能保证精确。
为什么精确去重如此重要
其实，Kylin 在最开始的时候只支持 HLL 算法，因为 HLL 在大数据领域被普遍使用：无奈数据量大性能要求高呀，那就损失点精度吧。如果有人问起有误差的事情该怎么回答呢，当时我们的说法是：在几千万上亿的结果上，你还在意那 1% 的误差吗？
然而，用户不是这么想的，在一些场景下，有误差的结果是难以被接受的。
例如：在渠道导流或广告投放方面，费用的结算按导流或点击用户数来统计的。有误差的数字，对于业务双方来说都是难以接受的：购买方担心多付钱，服务方担心少收钱。更何况，HLL 的误差率也是有几率的，也就是说，可能 99% 的情况下它的错误范围在 1% 内，剩下 1% 的情况下误差有多大就不好说了，万一大不少，岂不要造成生产事故了？
此外，如果 UV 结果还要做乘除法，那么这个误差率会进一步放大。例如用户增长率=今天用户数/昨天用户数；如果分子的数字偏大，分母的数字偏小，那么最终的误差就更大了，并且你还不知道误差是多少。一亿用户基数下，1% 的误差就是一百万用户，对于流量比较平稳的网站/app，这点误差率足以将实际运营效果直接掩盖，从而失去指导业务的意义。所以，如果你不想某天半夜被老板或业务方叫起来查数据，那还是想想办法一次解决准确性这个难题吧，以确保日后睡个安稳觉。
所以，没过多久，我们便意识到，仅有近似算法是不够的，Kylin 需要支持精确的去重，否则在重要场景中将失去机会。
Kylin 精确去重是如何做到的
如果读者对 Kylin 有一定了解的话会知道，Kylin 会按照用户指定的维度、度量对数据进行预计算，将计算出来的度量值，以维度的值为索引存储在 Cube （默认 HBase 表）中，例如每天的销售记录数、销售额等。
图3：OLAP Cube
对于 count distinct 度量，只存储一个数字是不够的，因为用户的查询可能需要遍历许多单元格然后再做合并，单纯的 int 数字不能再做去重合并。因此，过去Kylin 会将 HLL 对象整个序列化后，存储在 Cube 中维度值所对应的 cell 中。查询时，将其反序列化，交给 SQL 执行器做合并运算（通过 Kylin 的聚合函数），最后返回结果时，再从 HLL 对象中获取去重数。同样的道理，只要把 HLL替换成 Bitmap，理论上就可以实现精确的去重计数的存储和查询。
思路清楚了，但这里依然面临两个挑战：
1）Bitmap 空间占用大
如前面提到的，Bitmap 的空间占用相比于 HLL 是比较大的，但是相比于存储原始值的集合来说，它又是最小的。一个存储最大基数是1亿的 Bitmap，大约需要（1亿/8） 个字节，也就是 12MB，当维度多、基数高的时候，可想而知，这个 Cube 构建出来会占用很大存储。
调研以后，Kylin 引入了带压缩的 Bitmap 实现：Roaring Bitmap。Roaring Bitmap 把一个 32 位的 Integer 划分为高 16 位和低 16 位，取高 16 位找到该条数据所对应的 key，每个 key 都有自己的一个 Container。把剩余的低 16 位放入该 Container 中。依据不同的场景，有 3 种不同的 Container，分别是 Array Container、Bitmap Container 和 Run Container，它们分别通过不同的压缩方法来压缩。实践证明，Roaring Bitmap 可以显著减小 Bitmap 的存储空间和内存占用。
2）Bitmap 只接受 int/long 类型作为输入
前面提到过，Bitmap 只接受int/long（或可以直接 cast 成这两种的类型）为输入值。因此当去重列的类型不是这两个的时候，用户需要做一个 1:1 的映射，方能利用 Bitmap 进行去重，这样使用的难度大大提高了。
比较巧的是，Kylin 默认会对维度构建数据字典（dictionary），然后通过字典将 string 等值 1:1 映射成 int 值，这样在后续 Cube 运算和存储时，使用 int 值代替 string 值，可以大大减少空间占用。让 Kylin 对去重列也用字典先进行编码，岂不就可以支持 Bitmap 了？
基本可行，但是 Kylin 维度字典不是完全适用去重。主要原因是：
a) 维度字典是保序的（order preserving），因此构建后不能再追加修改;
b) 维度字典是对应于每一个 segment 来创建的，当构建下一个 segment 的时候，会重新创建另一个字典。这样会导致同一个 string 值在两个 segment 中可能会被编码成不同的 int 值；或者不同的 string 值，在不同的 cube segment 中可能被编码成相同的 int 值，那么用在 bitmap 的话，会造成跨 segment 的去重合并后的数值错误，所以行不通。
因此，Kylin 需要引入一个可以被追加的、保证在所有segment 中做到唯一映射的字典；因为只是为了回答去重数，它不需要支持反向映射，为了跟普通字典相区分，我们称之为全局字典（Global Dictionary）（代码中称为 AppendTrieDictionary），意思是它服务于所有 segment 的（当然也可以服务多个 cube）。跟普通字典相比，全局字典放弃了保序性，也不再支持双向映射（从 int 再解码回原始 string 值），它是完全为非 int 数值的精确去重而准备的，在使用中请注意区分。更多关于全局字典的介绍，请参考文末的“参考阅读”文章【3】【4】。
在解决了上述挑战之后，Kylin 就可以对海量数据集，根据用户建立的模型进行 Cube 计算，各维度组合、各维度值组合下的去重集合以 Bitmap 形式存储下来：
图 4：含 Bitmap 的 Cube 构建示例
查询时基于 Bitmap 进行后续运算，如：
select count(distinct 用户ID) from access_log where 日期 = ‘2019/09/09’
图 5：含Bitmap 的查询示例
工作还不是到这里就结束了，在多年的实践中，Kylin 社区开发者们不断完善 Kylin 的精确去重能力，使得其越来越健壮和完善，其中的一些重要改进包括：
1. 使用Segment Global Dictionary
前面提到，为了确保跨 segment 的合并时，同一值可以被始终映射成一个 int，所以开发了全局字典（Global dictionary），它是可以增长的。那么随着数据的增加，这个全局字典会逐渐变大，加载它会变得吃力；虽然全局字典内部做了分页处理，不用一次全部加载到内存，但是如果内存不足的话，依然会影响效率。而有些场景中，业务只看按天的去重结果，不做跨天的去重合并，这样一来，维护全局的映射也就没必要了，而只需要维护一个 segment 级别的字典映射（segment 往往按天构建），就能够满足需求。这样的局部全局字典相比于正常全局字典会更小，更易于加载到内存中处理；当构建完成后，它甚至可以被删除以节省空间；缺点是，这样的 cube 的 segment 将不支持合并，因此在使用的时候需要略加注意。
2. 切分小字典提速 Cube 构建
刚提到，全局字典变大以后，在构建的时候，会加载其中的某些页到内存，内存不够的时候再载出；如果输入数据比较乱序，分布在全局字典的很多页，那么这种载入载出会消耗大量时间。所以，Kylin 引入一种优化策略，在进行编码之前，先翻出每一个 Mapper 数据中的去重列的 distinct 值，然后用此值去全局字典中查找对应的 int 值，然后生成一个仅供当前 mapper 使用的小字典；在 Cube 构建的时候，使用此小字典而非大字典给当前 Mapper 来使用，从而减少字典页换入换出操作，提高构建性能。
3. 使用 Hive/Spark 分布式构建外部全局字典
使用全局字典也存在一些局限，例如：
1）字典的构建在任务节点单机上完成，存在性能瓶颈，当有多个去重任务并行执行时，造成任务等待；
2）全局字典不能用于解码，也不能被其它大数据应用直接使用，导致数据资产浪费。
因此，社区贡献者提出将全局字典外置成一张 Hive 表（两个列，一个是原始值，一个是编码的int值），利用 Hive/Spark 进行分布式的生成和追加，并在 Cube 构建的时候可以做分布式映射，使 Kylin 任务节点的负载得以减轻，同时外部全局字典可以很容易地被复用，成为企业的数据资产。目前这个功能已经开发完成，将在 Kylin 3.0 中正式发布，敬请期待。
4. Bitmap 数值直接返回
Kylin 保存 Bitmap 是为了 UV 值的二次计算；然而有的查询是比较简单的，Cube 预计算已经一步到位了，Bitmap 不会参与二次计算，这种情况下各个HBase 节点就不需要将 Bitmap 传输给Kylin，而只要把结果值返回就可以，从而大大减少各个 HBase 节点到Kylin查询节点的网络传输。Kylin 会自动判断查询是否精准匹配预计算结果，决定是否使用此优化。
为什么 Kylin 是唯一能做到秒级去重的引擎
我们知道，Apache Kylin 是为数不多的能够在超大数据集上做到亚秒级低延迟的 OLAP 分析引擎；Apache Kylin 基于独特的预计算思想，将整个过程分为离线的 Cube 构建过程和在线的 Cube 查询两个阶段，且这两步可以分在两个独立集群，互不影响。虽然 Cube 构建会花费一定的时间，但带来的是后续查询的大大提速，对于频繁需要进行检索/查询的场景来说，一次构建多次受益，是非常值得的。而没有预计算的引擎，每次都需要从原始数据开始计算，不但占用大量计算资源，而且在性能、并发和效率方面都难以满足业务用户的苛刻要求。
图 6：Apache Kylin 架构图
引入 Bitmap 和全局字典后，Kylin 实现了秒级的精确去重查询，在大数据领域可以说是唯一的通用型方案（这句话来自某大型互联网用户）。有读者可能会问，大数据分析引擎这么多，Spark SQL，Presto，ClickHouse，Phoenix，Redshift等等，难道它们做不到吗？其实没有什么是做不到，只是受架构的限制，没有预先的数据准备，要想做到快速的精确去重，需要投入大量的计算资源，例如数据都预热在内存中、节点之间使用万兆网连接等等，但这恰恰是多数用户无法承担的。此外，随着数据量和并发的增长，性能和稳定性往往会出现显著下降，造成用户体验急剧下降，也就失去了可行性。当然，如果用户对性能和并发的要求不高，使用频率也不高，那么这些技术都是可以满足的。
总结
Kylin 既支持非精确去重，也支持精确去重，用户可以根据自己的场景要求选择合适的去重算法。Kylin 精确去重相比于其它技术的优势在于：
- 数据离线自动生成压缩 Bitmap，查询时没有数据 shuffle 和落盘，保证了低延迟的同时 100% 准确；
- UV 值可二次合并，满足灵活查询的需要；
- 查询使用标准 SQL 的标准函数，无缝兼容已有系统；
- 既支持整数类型，也支持 string 等类型；
- 使用简单，无需编程开发；
- 基于 Kylin 的 UDAF，Bitmap 还可以做交集（intersect）运算，实现留存、漏斗等分析功能；
- 已经在 eBay、美团点评、滴滴、丁香园、Vivo、华为、满帮集团等大型用户生产环境平稳使用数年。
Apache Kylin 精确去重功能，是 Kylin 社区开发者们在各种复杂情况下不断研究和努力的成果，凝结了许多人的汗水和智慧，在此向孙业锐、高大月、康凯森、钟阳红、靳国卫等同学表示感谢！引入 Bitmap 后，Kylin 的能力大大加强，使用场景得到丰富，这部分内容我们将在下次文章中为您分享。
Q：想体验 Kylin 秒级精确去重？
A：Kylin 官网文档中有操作指南哦：https://kylin.apache.org/docs/tutorial/create_cube.html
参考阅读
【1】陶加涛 《大数据分析常用去重算法分析『HyperLogLog 篇』》https://kyligence.io/zh/blog/count-distinct-hyperloglog/
【2】陶加涛 《大数据分析常用去重算法分析『Bitmap 篇』》https://kyligence.io/zh/blog/count-distinct-bitmap/
【3】康凯森，《Apache Kylin 精确去重和全局字典权威指南》， https://blog.bcmeng.com/post/kylin-distinct-count-global-dict.html
【4】孙业锐，贺小桥《Apache Kylin精确计数与全局字典揭秘》， https://hexiaoqiao.github.io/blog/2016/11/27/exact-count-and-global-dictionary-of-apache-kylin/