大数据面试题之Presto[Trino](3)

目录

Presto如何处理数据的聚合操作？

Presto支持哪些类型的JOIN操作？

如何在Presto中使用子查询？

解释Presto中的窗口函数。

Presto中的Page和Block是什么？

描述Presto如何处理列式存储数据。

ORC和Parquet格式在Presto中的支持情况如何？

如何在Presto中使用压缩数据格式？

解释Presto中的内存管理和数据结构。 

什么情况下Presto的性能会下降？

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Presto如何处理数据的聚合操作？

Presto处理数据聚合操作的方式遵循SQL标准，主要通过GROUP BY子句来实现对数据集的分组聚合。以下是Presto处理聚合操作的基本步骤和高级特性：
1、基本聚合操作：
使用GROUP BY关键字对数据进行分组，然后应用聚合函数（如SUM, AVG, COUNT, MAX, MIN等）来计算每个组的汇总值。例如，SELECT name, SUM(sales) FROM sales_data GROUP BY name; 将按姓名分组并计算每个人的销售总额。
2、增强聚合功能：
Presto支持GROUPING SETS, CUBE, 和 ROLLUP 等高级聚合操作，以方便用户执行多维度分析：
GROUPING SETS 允许用户指定一组特定的分组组合，相当于执行多个GROUP BY查询的并集。
ROLLUP 自动生成一系列嵌套的分组，从最细粒度到更高层次的汇总。
CUBE 生成所有可能的分组组合，适用于全维度分析。
3、内存管理与溢出处理：
在执行聚合操作时，Presto会尽可能在内存中完成计算。如果数据量过大导致内存不足，Presto会尝试使用外部排序或临时磁盘空间来处理数据溢出，以保证查询的连续执行。
4、用户自定义聚合函数(UDAF)：
Presto允许用户开发自定义聚合函数来满足特定的业务需求。这包括定义输入函数、合并函数和输出函数，以处理复杂的数据聚合逻辑。
5、并行处理与分布执行：
聚合操作在Presto中是以并行和分布的方式执行的。查询被分解成多个任务，分配到不同的worker节点上执行，每个节点处理一部分数据。这大大加速了处理大量数据集的能力。
6、优化与执行计划：
Presto的查询优化器会分析聚合查询，选择最优的执行计划，包括但不限于谓词下推、早期聚合（在读取数据时就进行部分聚合以减少数据量）等策略，以提高执行效率。
综上，Presto通过灵活的SQL语法支持、高效的内存管理和并行处理架构，以及对用户自定义扩展的支持，提供了强大且高效的数据聚合能力。

Presto支持哪些类型的JOIN操作？

Presto支持以下几种类型的JOIN操作：

1. Inner Join（内连接）：返回两个表中键相匹配的行。
2. Left Join（左连接）：返回左表的所有行，即使在右表中没有匹配项。对于右表中没有匹配的行，结果集中右表的部分将为NULL。
3. Right Join（右连接）：与左连接相反，返回右表的所有行，即使在左表中没有匹配项。对于左表中没有匹配的行，结果集中左表的部分将为NULL。
4. Full Outer Join（全外连接）：返回左表和右表中所有匹配和不匹配的行。不匹配的行在另一侧对应的列值将为NULL。
5. Cross Join（交叉连接）：又称笛卡尔积，返回左表的每一行与右表的每一行的所有可能组合，不带任何条件。
6. Semi Join（半连接）：只返回左表中在右表中有匹配项的行，但不包含右表的列。
7. Anti Join（反连接）：返回左表中在右表中没有匹配项的行。

这些JOIN操作允许用户灵活地在数据集之间进行关联分析，满足不同的查询需求。值得注意的是，虽然Presto支持这些JOIN操作，但对于多张大表的JOIN，由于其基于内存的计算模型，可能会面临内存压力，从而影响性能。因此，在处理大规模数据JOIN时，需要考虑数据分布、表的大小以及内存资源，合理设计查询和调整系统配置以优化性能。

如何在Presto中使用子查询？

在Presto中，子查询是一种常见的SQL构造，用于在主查询内部嵌套另一个查询，以实现更复杂的逻辑。子查询可以出现在SELECT、FROM、WHERE、HAVING等子句中。以下是一些使用子查询的示例和说明：
1. 在SELECT或FROM子句中使用子查询
作为标量子查询
标量子查询返回单值，通常用于SELECT列表或WHERE子句中。

SELECT id, (SELECT MAX(price) FROM orders WHERE orders.user_id = users.id) AS max_order_price
FROM users;

此例中，为每个用户查询其最大订单价格。

作为表子查询
子查询可以放在FROM子句中，作为临时表使用。

SELECT product_id, SUM(quantity) FROM (SELECT product_id, quantityFROM ordersWHERE order_date > '2023-01-01'
) AS recent_orders
GROUP BY product_id;

这里，先筛选出2023年后所有的订单，然后对这些订单按产品ID求和数量。
2. 在WHERE子句中使用子查询

SELECT * FROM customers 
WHERE customer_id IN (SELECT customer_id FROM orders WHERE order_amount > 1000);

此查询找出有订单金额超过1000的客户信息。
3. 使用EXISTS和NOT EXISTS

SELECT * FROM users 
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM orders WHERE orders.user_id = users.id AND order_amount > 500);

此查询找出至少有一笔订单金额超过500的用户。
4. 使用WITH子句（公共表表达式CTE）
CTE可以让你定义一个临时的结果集，然后在主查询中多次引用它。

WITH top_customers AS (SELECT customer_id, SUM(order_amount) as total_spentFROM ordersGROUP BY customer_idORDER BY total_spent DESCLIMIT 10
)
SELECT c.name, t.total_spent
FROM customers c
JOIN top_customers t ON c.customer_id = t.customer_id;

这个例子中，首先找出消费总额最高的前10位客户，然后显示他们的名字和消费总额。
注意事项

• 子查询的性能是值得关注的点，特别是当子查询结果很大或需要多次执行时，可能会影响查询效率。
• Presto会尝试优化子查询的执行，例如通过半连接优化来减少数据扫描。
• 当子查询返回多行结果而被用于需要单值的上下文时，需要使用聚合函数如ANY_VALUE或转换为多列结果的处理方式。

解释Presto中的窗口函数。

Presto中的窗口函数是一种强大的分析工具，它允许你在一组相关的行（即“窗口”）上执行计算，而不是在整个查询结果集上。窗口函数通过结合OVER子句来定义这个窗口的范围和行为，从而提供了一种在保持行的原始上下文的同时，进行排序、分组、聚合或排名的能力。窗口函数广泛应用于数据分析和报表生成，特别是在需要进行分组统计或行间比较的场景中。
窗口函数的基本结构
窗口函数的一般语法如下：

function_name(expression) OVER ([PARTITION BY column1, column2,...][ORDER BY column1 [ASC|DESC], column2 [ASC|DESC],...][ROWS BETWEEN start AND end]
)

• function_name: 窗口函数的名称，如SUM, AVG, COUNT, RANK, DENSE_RANK, ROW_NUMBER等。
• expression: 传递给窗口函数的表达式或列名。
• PARTITION BY: 可选子句，用于定义窗口内的分区，类似于GROUP BY，但保留了每个组内行的顺序。
• ORDER BY: 可选子句，用于在窗口内对行进行排序，这对于许多窗口函数来说是必须的，因为它定义了函数执行的顺序。
• ROWS BETWEEN start AND end: 可选子句，用于指定窗口的范围。start和end可以是UNBOUNDED PRECEDING（窗口开始于分组的第一行）、CURRENT ROW、UNBOUNDED FOLLOWING（窗口结束于分组的最后一行）或它们的组合，以及带有偏移量的PRECEDING或FOLLOWING。

常见窗口函数示例
ROW_NUMBER(): 为窗口内的每一行分配一个唯一的、连续的整数。

SELECT order_id,user_id,order_date,ROW_NUMBER() OVER (PARTITION BY user_id ORDER BY order_date DESC) as rank
FROM orders;

这个查询为每个用户的订单按日期降序分配一个排名。

SUM() OVER(): 计算窗口内所有行的总和。

SELECT order_date, product_id, SUM(quantity) OVER (ORDER BY order_date) as running_total
FROM order_details;

此查询计算截至每条记录为止的产品销售总量。

LAG() / LEAD(): 获取同一分区中前一行/后一行的值。

SELECT user_id, order_date, LAG(order_date) OVER (PARTITION BY user_id ORDER BY order_date) as previous_order_date
FROM orders;

这个查询为每个用户的每笔订单找到上一笔订单的日期。

窗口函数的强大之处在于，它们允许你在每个单独的行上下文中执行聚合操作，同时保留了数据的完整性和顺序性，非常适合复杂的分析场景。

Presto中的Page和Block是什么？

在Presto中，Page和Block是核心数据结构，它们对于理解Presto如何高效处理和传输数据至关重要。
Block

• 定义：Block是Presto中用来存储数据的最小处理单元。每个Block是一个字节数组，专门用于存储特定类型的数据，比如整数（Int）、长整数（Long）、可变长度字符串（Varchar）等。Block中的每个数据项都有一个位置（position），这些位置标记了数据元素在Block中的索引。Block仅保存单列数据的一部分行。
• 作用：Block设计用于优化内存使用和CPU缓存的局部性，使得数据处理更为高效。

Page

• 定义：Page是Presto处理数据的最小逻辑单元，它由多个Block组成，每个Block对应表中的一列数据。因此，一个Page可以看作是一张表的一个数据子集，包含了构成一行数据的所有列Block。一个Page的最大大小限制为1MB，并且最多可以包含16个Block（根据早先的信息，这个具体的数量可能随Presto版本更新有所变化）。
• 作用：Page作为数据传输和处理的基本单位，允许Presto以列式存储的方式高效地读取、处理和传输数据。在查询执行过程中，Operator通常会读取和处理单个Page，这有助于减少内存消耗并加速查询处理。

总结来说，Block是Presto中用来存储单列数据的块，而Page则是由多个这样的Block横向拼接而成，代表了一组相关行的数据集合。这种结构设计有利于批量处理和向量化运算，提升了大数据查询的性能。

描述Presto如何处理列式存储数据。

1. 列式存储的优势
列式存储与行式存储相比，在数据分析和查询方面具有明显的优势。列式存储将数据按列而不是按行存储在磁盘上，这使得查询时可以只读取需要的列，而无需加载整行数据，从而减少了磁盘I/O和网络传输的开销。此外，列式存储还便于数据压缩和编码，因为相同列的数据类型相同，压缩效率更高。
2. Presto对列式存储的支持
Presto天然地对列式存储比较友好，它支持多种列式存储格式，如Parquet、ORC等。这些格式在Presto中得到了很好的优化，能够充分利用列式存储的优势，提高查询性能。
3. Presto处理列式存储数据的流程
查询接收与解析：当客户端提交SQL查询请求时，Presto的协调器（Coordinator）负责接收并解析查询语句。解析后的查询计划会被转换成逻辑查询计划，并进一步优化为物理执行计划。
任务分发与执行：优化后的查询计划会被分发到多个工作节点（Worker）上执行。每个工作节点会根据分配的任务读取并处理数据。由于Presto支持列式存储，工作节点在读取数据时可以直接从列式存储介质中加载需要的列，无需加载整行数据。
内存计算与聚合：Presto采用内存计算模式，对读取的数据进行流式处理。在内存中，Presto可以对数据进行排序、聚合等操作，进一步减少磁盘I/O和网络传输的开销。同时，Presto的并行计算能力也使得它能够同时处理多个查询任务，提高整体查询性能。
结果返回：处理完数据后，工作节点会将结果返回给协调器。协调器将收集所有工作节点的结果并进行汇总，最终将查询结果返回给客户端。
4. 注意事项
列式存储格式的选择：虽然Presto支持多种列式存储格式，但不同的格式在性能上可能存在差异。因此，在选择列式存储格式时，需要根据具体的数据特点和查询需求进行权衡。
数据压缩与编码：列式存储数据通常需要进行压缩和编码以节省存储空间和提高查询性能。Presto支持多种压缩和编码算法，可以根据实际情况进行选择。
查询优化：为了充分发挥Presto处理列式存储数据的优势，需要对查询语句进行优化。例如，避免使用全表扫描、合理使用索引、优化查询条件等。

ORC和Parquet格式在Presto中的支持情况如何？

在Presto中，ORC（Optimized Row Columnar）和Parquet这两种列式存储格式都得到了良好的支持，但针对这两种格式的优化程度有所不同：
1、ORC格式：

• Presto对ORC格式的支持非常友好，并且进行了特定的优化。由于ORC格式与Hive紧密集成，且在存储压缩率、数据导入速度以及查询效率方面表现出色，Presto在读取ORC文件时能发挥出较高的性能。
• ORC文件是自描述的，包含丰富的元数据，并且支持多种压缩算法，这有助于减少存储空间消耗并加快数据处理速度。
• Presto在处理ORC文件时，能够有效利用其结构特性进行快速列式读取和高效过滤，特别适合大数据查询场景。

2、Parquet格式：

• Presto也支持Parquet格式，这是一种广泛使用的列式存储格式，以其良好的跨平台兼容性和对复杂数据结构的支持著称。
• 相对于ORC，Presto可能在对Parquet的支持上略逊一筹，但这并不意味着Parquet在Presto中的表现不佳。实际上，Parquet也是高度优化的，并且在很多场景下能够提供优秀的查询性能。
• Parquet同样支持列式存储和多种压缩算法，且因其跨平台的特性，被诸如Impala等其他查询引擎广泛采用。

总体而言，Presto对这两种列式存储格式的支持都是相当成熟的，具体选择哪种格式取决于具体的应用场景、数据特性和生态系统集成需求。如果与Hive集成紧密且追求极致的性能，ORC可能是更好的选择；而如果需要更好的跨平台兼容性和支持复杂数据类型，Parquet则可能是更合适的选择。

如何在Presto中使用压缩数据格式？

在Presto中处理压缩数据格式主要涉及两个方面：读取外部压缩数据源和控制查询结果输出的压缩。以下是关于这两个方面的简要说明：
读取外部压缩数据源
Presto原生支持读取像ORC和Parquet这类已经压缩的列式存储格式，这些格式在存储时就已经应用了列级别的压缩。当你在Presto中查询存储为ORC或Parquet格式的数据时，Presto会自动处理解压缩过程，无需额外配置。
对于非列式存储，如文本文件（CSV、TSV等），虽然Presto本身不直接支持读取压缩文件（如.gz或.bz2），但你可以通过Hadoop或类似文件系统间接读取这些压缩文件。确保你的Presto部署与Hadoop环境集成，这样Presto就能通过Hadoop的输入格式处理器自动解压文件。
控制查询结果输出的压缩
Presto查询结果默认情况下可能不会被压缩，但你可以在客户端或中间件层面配置结果的压缩。例如，如果你是通过JDBC、HTTP接口或者使用Presto CLI来运行查询，可以采取以下措施：
使用CLI时，Presto CLI本身不直接支持结果压缩，但你可以将输出重定向到支持压缩的命令，如使用gzip：

presto --execute "SELECT ...;" | gzip > results.gz

通过HTTP接口，如果你通过Presto的HTTP REST API获取查询结果，可以通过HTTP客户端设置接受压缩响应（如Accept-Encoding: gzip），Presto服务器端会根据请求头决定是否压缩响应体。
JDBC连接，大多数现代JDBC驱动程序和HTTP客户端会自动处理响应压缩，你可能不需要做额外配置，除非你想自定义压缩级别或算法。
中间件服务：如果你在Presto和客户端之间使用了如Trino（原PrestoSQL） Gateway或其他API网关，可以在这些组件上配置结果压缩策略。
总之，Presto在读取支持的列式存储格式时能自动处理压缩数据，而对于查询结果的压缩，则需借助客户端、网络协议或中间件的特性来实现。

解释Presto中的内存管理和数据结构。 

Presto的内存管理是其高效处理大规模数据查询的关键因素之一。它采用内存池的方式来管理两种类型的内存：用户内存（User Memory）和系统内存（System Memory），以此来避免频繁的内存申请和释放带来的性能损耗。
内存类型
1、用户内存（User Memory）：主要用于数据处理任务，如哈希连接（Hash Join）、聚合操作（Aggregation）等。这部分内存直接关系到查询的执行效率和所能处理的数据量。
2、系统内存（System Memory）：主要用于输入输出缓冲（Input/Output Buffers）、数据交换（Exchange Buffers）等功能，确保数据在节点间的高效传输。系统内存默认预留了总内存的40%，用于维护内存中的缓冲区和其他系统级任务。
内存池管理

• Presto使用内存池技术，预先分配好内存池的大小，然后在查询执行期间从内存池中分配内存，这样可以减少内存碎片化，提高内存使用效率。
• 内存分配策略旨在平衡查询之间的资源分配，避免某个查询占用过多内存导致其他查询因内存不足而失败。
• 当查询执行时，Presto会根据查询的内存需求动态调整内存分配，同时提供机制来监控和管理内存使用，比如低内存杀手（Low Memory Killer）策略，可以在集群内存达到阈值时选择性地终止查询以释放内存。

数据结构
虽然没有详细列出Presto内部所有使用的数据结构，但考虑到其高性能数据处理的特点，可以推测Presto内部会采用多种高效数据结构来支撑其内存管理及查询处理逻辑，例如：

• 数组：对于列式数据处理，数组可能用于存储特定类型的数据块，便于向量化操作。
• 哈希表：在执行哈希连接时，可能会用到哈希表来快速查找匹配项。
• 堆和优先队列：在执行排序或Top-N查询时，可能会使用堆或优先队列来管理数据排序。
• 位图索引：在进行过滤操作时，位图索引可以高效地标记满足条件的行。

Presto的设计目标是高度并行和分布式，因此它的数据结构选择和内存管理策略都是为了最大化并行处理能力，同时确保内存的高效利用。

什么情况下Presto的性能会下降？

1、资源不足：当Presto集群中的协调器（coordinator）或工作节点（worker）的内存、CPU或磁盘I/O资源不足时，会导致查询性能下降，甚至查询失败。特别是内存不足时，可能会触发低内存杀手（low-memory killer）策略，终止正在运行的查询以释放资源。
2、不合理分区：数据表如果未合理分区或分区策略不当，会导致Presto需要扫描大量不必要的数据，从而影响查询效率。合理分区可以显著减少数据读取量，提升性能。
3、列式存储格式选择不当：虽然Presto支持ORC和Parquet等列式存储格式，但如果数据未使用这些格式存储，或者未针对Presto优化（如使用了非最佳的压缩算法），也可能导致性能下降。特别是未使用Presto对ORC文件读取的特定优化时。
4、查询设计不佳：复杂的关联查询、过度使用子查询、缺乏索引或过滤条件的使用不当，都可能导致数据处理量激增，进而影响性能。优化查询逻辑，避免全表扫描，使用合适的窗口函数和聚合操作，对提升性能至关重要。
5、网络瓶颈：Presto在分布式环境中运行，数据需要在网络中传输。如果网络饱和或延迟高，尤其是在数据跨节点交换时，会严重影响查询性能。
6、配置不当：Presto的配置参数（如内存分配比例、并发度设置、交换空间使用限制等）若未根据实际硬件和工作负载进行优化，也可能成为性能瓶颈。
7、数据倾斜：在数据分布不均的情况下，某些节点可能需要处理远多于其他节点的数据量，造成负载不平衡，影响整体查询性能。
8、过时或不兼容的软件版本：使用了已知存在性能问题或与硬件不完全兼容的Presto版本，也可能导致性能下降。
9、并发查询过多：高并发查询场景下，如果资源管理不当，过多的查询争抢有限的资源，会相互影响性能。
解决这些问题通常需要综合考虑硬件优化、软件配置调整、查询优化以及数据模型的改进。

引用：通义千问