聊聊ClickHouse向量化执行引擎-过滤操作

news2024/11/15 18:49:42

俄罗斯Yandex开发的ClickHouse是一款性能黑马的OLAP数据库，其对SIMD的灵活运用给其带来了难以置信的性能。本文我们聊聊它如何对过滤操作进行SIMD优化。

基本思想

1、有一个数组data，即ColumnVector::data，存放数据

2、使用uint8类型，即1个字节类型的filter数组：ICloumn::Filter。他的大小是data数组大小，里面存放布尔值，标记data数组里面哪些数据满足过滤条件，应该筛选出来

3、最终生成一个新的数组res，根据filter数组，对data数组进行筛选，满足条件的拷贝到res数组中。标量逻辑的简单伪码：

let res = []
for (let i = 0; i < data.size(); i ++) {
    if (filter[i] != 0) {
        res.append(data[i])
    }
}

Clickhouse如何实现的呢？

4、上面代码耗时因素在于循环次数非常多，等于data数组的大小

5、如果可以降低循环次数，同时保证单次循环耗时变化不大，总体执行效率更高。要满足上面条件，需要在同一个指令周期做更多运算，SIMD指令可以做这样的运算。

6、SIMD指令目前最大支持512位数据，而filter本身一个值为8位，单词循环处理数据量为512 / 8 = 64个

7、每次取出来64个filter数组项（64字节），将其组成一个64位无符号整数值mask，这样每个filter数组项占用一个比特位

8、有两种特殊情况：1）mask 64位比特位都是1，本次循环中，64个data项都应该拷贝到res中。2）mask 64位比特位都是0，可以直接跳过循环。当然，这两种特殊情况经常出现在业务常见中

9、第三中情况是有一部分满足条件，此时是否需要循环64次？有没有进一步的优化方法？看看clickhouse咋处理

10、有多少项需要拷贝到新数组，取决于mask中比特位为1的个数，通过__builtin_clzll内置函数得到入参（64位）二进制表示形式中开头0的个数，从而得到最高比特位为1的索引，继而知道哪项数据需要拷贝。

11、最高1比特位的数据项拷贝后，需要将它置成0，这里有2个比较高效的方法blsr函数：一个是_blsr_u64指令，另一个是mask & (mask-1)

12、循环设置最高1的比特位，直到mask中所有比特位都为0

ColumnVector<T>::filter函数

过滤函数主要是filter函数。其实分为3部分，AVX512VBMI2指令集、默认的操作和尾部数据处理。其中尾部数据处理是指处理数据不够64个时，剩余的部分处理方式，这种方式无法使用SIMD，沿用标量处理方式。

先看下默认操作方式：doFilterAligned即：模板函数

这部分其实是对有一部分值满足条件场景的优化，主要有3个方面：

1）前导0个数，即data数组data[0]--data[i]都满足条件，需要拷贝到结果中

2）后导0个数，即data数组data[i]--data[63]都满足条件，需要拷贝到结果中

3）其他场景，比如0011 1100的场景，即两边都有不满足条件的，那就需要特殊处理了：计算出最低位起0的个数index，然后将data_pos[index]拷贝到结果中，即该数组满足条件，最后将index位置为0。

前缀和后缀拷贝的判断：

蓝色框表示的意义：其实是去除前导0后，剩余的都是1，即mask值。也就是从0的索引开始，到64 - leading_zeroes都需要拷贝到结果中。蓝框计算效果，以2个字节大小为例，前导5个0:

后导0的处理：其实可以调用__buitlin_ctzll函数

uint8_t suffixToCopy(UInt64 mask)
{
  const auto prefix_to_copy = prefixToCopy(~mask);//mask值取反
  return prefix_to_copy >= 64 ? prefix_to_copy : 64 - prefix_to_copy;//需要拷贝个数
}

效果如下图所示：

64字节值转换成64位掩码值的计算函数Bytes64MaskToBits64Mask实现也很有讲究：

/// Transform 64-byte mask to 64-bit mask
inline UInt64 bytes64MaskToBits64Mask(const UInt8 * bytes64)
{
#if defined(__AVX512F__) && defined(__AVX512BW__)
    const __m512i vbytes = _mm512_loadu_si512(reinterpret_cast<const void *>(bytes64));
    UInt64 res = _mm512_testn_epi8_mask(vbytes, vbytes);
#elif defined(__AVX__) && defined(__AVX2__)
    const __m256i zero32 = _mm256_setzero_si256();
    UInt64 res =
        (static_cast<UInt64>(_mm256_movemask_epi8(_mm256_cmpeq_epi8(
        _mm256_loadu_si256(reinterpret_cast<const __m256i *>(bytes64)), zero32))) & 0xffffffff)
        | (static_cast<UInt64>(_mm256_movemask_epi8(_mm256_cmpeq_epi8(
        _mm256_loadu_si256(reinterpret_cast<const __m256i *>(bytes64+32)), zero32))) << 32);
#elif defined(__SSE2__)
    const __m128i zero16 = _mm_setzero_si128();
    UInt64 res =
        (static_cast<UInt64>(_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(
        _mm_loadu_si128(reinterpret_cast<const __m128i *>(bytes64)), zero16))) & 0xffff)
        | ((static_cast<UInt64>(_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(
        _mm_loadu_si128(reinterpret_cast<const __m128i *>(bytes64 + 16)), zero16))) << 16) & 0xffff0000)
        | ((static_cast<UInt64>(_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(
        _mm_loadu_si128(reinterpret_cast<const __m128i *>(bytes64 + 32)), zero16))) << 32) & 0xffff00000000)
        | ((static_cast<UInt64>(_mm_movemask_epi8(_mm_cmpeq_epi8(
        _mm_loadu_si128(reinterpret_cast<const __m128i *>(bytes64 + 48)), zero16))) << 48) & 0xffff000000000000);
#elif defined(__aarch64__) && defined(__ARM_NEON)
    const uint8x16_t bitmask = {0x01, 0x02, 0x4, 0x8, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80, 0x01, 0x02, 0x4, 0x8, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};
    const auto * src = reinterpret_cast<const unsigned char *>(bytes64);
    const uint8x16_t p0 = vceqzq_u8(vld1q_u8(src));
    const uint8x16_t p1 = vceqzq_u8(vld1q_u8(src + 16));
    const uint8x16_t p2 = vceqzq_u8(vld1q_u8(src + 32));
    const uint8x16_t p3 = vceqzq_u8(vld1q_u8(src + 48));
    uint8x16_t t0 = vandq_u8(p0, bitmask);
    uint8x16_t t1 = vandq_u8(p1, bitmask);
    uint8x16_t t2 = vandq_u8(p2, bitmask);
    uint8x16_t t3 = vandq_u8(p3, bitmask);
    uint8x16_t sum0 = vpaddq_u8(t0, t1);
    uint8x16_t sum1 = vpaddq_u8(t2, t3);
    sum0 = vpaddq_u8(sum0, sum1);
    sum0 = vpaddq_u8(sum0, sum0);
    UInt64 res = vgetq_lane_u64(vreinterpretq_u64_u8(sum0), 0);
#else
    UInt64 res = 0;
    for (size_t i = 0; i < 64; ++i)
        res |= static_cast<UInt64>(0 == bytes64[i]) << i;
#endif
    return ~res;
}

我们看到，按照优先级尽可能利用位数多的指令集进行计算，同时在所有指令集都不可用及未64字节对齐(align)的部分进行了保底处理。其利用了以下指令集:

AVX512F / AVX512BW

AVX/AVX2

SSE2

其中，_mm512_testn_epi8_mask函数功能：计算a和b两个入参值按8位整数逐位与（AND），产生中间8位值，如果中间值为0，则在结果掩码k中设置相应位：

FOR j := 0 to 63

i := j*8

k[j] := ((a[i+7:i] AND b[i+7:i]) == 0) ? 1 : 0

ENDFOR

所以，bytes64MaskToBits64Mask最终计算出的值需要取反。另外，其他指令集，比如AVX下，_mm256_cmpeq_epi8比较32位是否等于0，等于0表示不满足条件，当然等于零时该函数返回0xFF，所以同样最终结果需要取反。

另外一种操作方式：doFilterAligned即：模板函数