如何基于 BitMap 来作为底层的数据模型

作者：陈凯
GrowingIO 数据开发工程师，主要负责 SaaS 和 OP 产品数据平台的开发和设计，目前专攻于微服务、数仓建设方向。

GrowingIO 每天需要处理近千亿的用户行为数据，平台的「事件分析」模块是使用比较频繁的功能，简单且强大。在事件分析中，客户可以很灵活地使用多种维度组合去查看某个指标，并且查询的速度也十分可观。

本文抽取 GrowingIO 在事件分析中的通用数据模型，揭晓该功能背后的存储模型和实现原理。

在用户行为的数据分析中，无论是无埋点，还是埋点，对于某一条行为数据的表达形式往往是：「某人」于「某个时间」在「某个维度」下做了「某个动作」「多少次」。

所以在数据统计中，这种表达形式可以拆解成「指标量」和「维度」，指标量可以是用户量、页面浏览量、某个埋点的次数等，维度可以是时间、城市、浏览器、用户属性等。

在海量数据的背景下，如何比较高效地完成指标+维度的计算，一直是大数据分析领域比较热门的话题，下面将讲述在 GrowingIO ，我们是如何高效解决的。

1. 从一个数据需求说起📈

假设给定如下一组用户行为的原始数据：

1.1 使用 SQL 分析统计

🤔 现在业务想计算「过去7天」在「地区」维度下，「设备: Mac」的人数是多少？So Easy，一个 SQL 搞定

使用 GrowingIO 平台的分析工具可以表示如下：

但是通过 SQL 这种现查的方式，随着数据量的越来越大，几十亿或上百亿的时候，对计算所需要的资源和响应时间也会线性地增长，此时客户在使用平台工具最直观的感受就是“菊花”转转转，图表一直加载不出来。

1.2 如何使查询更加高效

1.2.1 堆机器，加资源

最直接粗暴的方式，就是增加更多的计算资源，或者对查询的结果进行缓存、预热。但是对于 SaaS 产品来讲，在查询并发比较高的时候，再多的计算资源也会因为查询排队而遇到性能瓶颈。

1.2.2 数据分层

😼 在数仓的分层架构中，对于经常使用的查询结果，我们可以通过离线计算的方式生成了一个结果表「过去7天-地区-设备-指标表」，示例如下：

这样在特性的查询场景中，只需要查询结果表就行，很大的减少了计算量，响应时间也短了不少。

😱 但是业务那边的需求往往是千变万化的，然后一堆统计的需求砸到了你的脑袋上

「过去 30 天」的「总用户的量」和「总访问量」是多少？
「昨天」「设备: Windows」的「用户量」是多少？
「获取 30 天」按「平台」拆分的「用户量」是多少？
「11 月- 11 日」来了哪些用户？请导出这个用户列表
其他更多漏斗、留存、画像等数不尽的需求让人头晕目眩。
…

😫 你看了看生成结果表，发现并不能完全解决这些问题，你觉得需要生成更多的结果表来满足更多的需求。然而到最后你发现有些表居然仅仅只使用了一次，数仓里面堆了一堆垃圾。

1.2.3 数据预聚合

和数仓分层的理念类似，对数据进行预计算、预聚合，使用空间换时间的思想加快计算。这也是目前一些主流开源框架的解决思路，比如 SparkSQL 的物化视图、Kylin的 Cube、Druid 的 Segment 、Carbondata 的 MV 等。

下面使用一张图展示主要区别：

基于我们所追求的方式，我们首先需要寻找一种高效并且灵活的存储模型。

1.3 优化存储模型

基于上节中数据预聚合的思路，从预聚合的结果中，我们不难发现，其中有几个没有摆脱的点：
多个维度依然是横向存储在一起
维度和指标绑定在一条记录中
因为存在这种局限性，刚好限制了我们灵活进行「维度+指标」的任意组装和扩展

🤔 如何才能更好的让维度和指标随心所欲地组合呢？我们在预聚合结果的基础之上做了一些改进：
将每个维度纵向存储
将维度和指标分开存储

2. 基于 BitMap 的存储模型 💻

2.1 纵向存储维度（人数）

依然以开篇的那组数据为例，此时将维度进行纵向存储：

此时想取「地区: 北京」和「设备: Mac」的「用户量」

OK！这样可以很灵活的解决各种维度组合起来的问题了，而且连用户的群体也能直接获取。

😇 但是从表格中发现，用户存储「用户集合」的数据结构还没有解决。那么既能以类似数组的方式存储整数值，还能使用交集（and）操作，还需要达到更好的数据压缩和计算。

此时你应该想到了 BitMap 这种数据结构

至于为何选用 BitMap 的数据结构，以及 BitMap 的功能和基本使用，这里不再探讨。可以参考 java 的实现 BitSet 以及优化的库 RoaringBitmap。

2.2 存储指标量（次数）

为了解决存储指标次数的存储问题，你需要用一个Map 的结构来存储「总的次数」: Map<Int, BitMap> （其中key为次数，value为符合访问次数的人）

访问量表示: 总共访问「1次」有哪些人，访问「2次」的有哪些人等等。

此时计算「地区: 北京」和「设备: Mac」的「访问量」

2.3 使用更优雅的方式存储次数

在 Map<Int, BitMap> 这个结构中，key 存储的是 10 进制的数字。这就会导致 Map 的 key 变得特别特别多，所以需要有一种方式来优化一下结构。

方式就是用将 10 进制转化为 2 进制的方式去存储次数，此时 Map 的 key 存储是 二进制为 1 的位置：

比如 2 的二进制是: 「10」，从右向左分别表示（下标i从0开始）「第0位是0」，「第1位是1」。所以将key为1的 bitmap 中存储这个人。

比如5的二进制是: 「101」，从右向左分别表示「第0位是1」，「第1位是0」，「第2位是1」。所以将 key 为 0 和 2 的 bitmap 中存储这个人。

然后将上节 2.2 中结果表示如下：

此时计算「地区: 北京」和「设备: Mac」的「访问量」

3. 多维度交叉的问题 ⚔️

理想是美好的，但是现实很残酷。在 2.1 小节的例子中，每个用户的维度组合只有一种，但是现实中往往一个用户行为可能会存在多种维度组合的情况。

那么什么是维度组合: 一条数据中唯一的所有维度值，称为一个组合。

PS: 如果你的系统中某个 ID 的维度组合只有一种。比如某个订单，一旦生成了，他的价格，商品，物流等信息基本都是固定的。那么之前的模型基本都能满足大多场景了。

3.1 面临的问题

🤔 那么会导致什么问题呢？此时回到起点，又来了一批用户行为的数据如下：

此时多了一个「用户1」在「杭州」使用了「Windows」。如果按照之前的模型存储如下：

此时计算「地区: 北京」的用户：直接返回 [ 1 , 2 , 3 ]，问题不大

此时计算「地区: 北京」和「设备: Windows」的用户

❌ 你会发现，得出的结果是错的，应该只有「用户 3 」满足才对。

3.2 使用维度组合编号的方式解决

其实问题出在将维度分开进行存储的时候，丢失了「维度组合关系」这个重要的衡量条件。「用户 1 」虽然在「北京」待过，也使用过「Windows」，但是他却没有同时满足这个条件，这就是问题所在。

所以需要一种方式来存储「维度组合关系」这一重要信息。

将每个人维度组合进行顺序编号，得到如下结果：

注意：编号是对应到每个人的，相同的维度组合，编号是一样的。

此时对应的存储结构也发生了变化：Map<Short, BitMap>（ key 代表编号，value 代表人的集合

此时我们再来计算「地区: 北京」和 「设备: Windows」维度的用户

最后得到的结果就是「用户3」，算出来的数据就变准确了。

3.3 多维度情况下计算次数

其实稍微想一下就是两层的 Map 结构：Map<Int, Map<Short, BitMap>>，比如刚刚的那组数据表示如下：

比如「用户1」这个用户，在「编号0」发生的 2 次，在「编号1」发生了 1 次

此时我们来计算「地区: 北京」和 「设备: Mac」维度的访问量

4. 简单的性能对比

环境准备：SparkSQL（local[16], 内存4G）, BitMap 单线程计算（内存4G）

场景：简单的 2 ~ 3 个维度组合求人数、次数，按照值的降序取 Top 1000

x轴含义: 数据量/用户量。
y轴含义: 计算时间, 单位毫秒。

可以看到随着数据量的不断递增，SparkSQL 的计算时间也在不断递增，但是 BitMap 的计算时间却相对比较稳定。

5. 总结

BitMap 是一个兼并计算和存储优】势的数据结构，在存储上百万甚至上千万的 ID 时，也能得到很好的计算效果。

并且当你使用 BitMap 存储的时候，就已经天然支持很多的业务场景，比如分群计算、标签计算、漏斗分析、留存分析、用户触达等，因为无需再重新计算人群。

本篇主要揭晓我们是如何基于 BitMap 来作为底层的数据模型，当然在实际应用过程中还有很多的挑战，由于篇幅原因，这里就不展开讲述了。

以下列出一些我们后续的工作内容和攻克方向：
bitmap 是以 int 值进行存储的，但是在实际生产中，你的 ID 数据可能是类似 UUID 的这种字符串，那么需要解决 string 转唯一 int 的问题。
如何使 bitmap 在分布式环境下达到更好的计算效果
如何解决高基维度所带来的挑战
如何在实时、图表分析、分群画像以及更多的业务场景中进行使用
如何设计一个类 SQL 语言来兼容这种数据模型
…

关于GrowingIO

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