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第05章 数据湖技术

数据湖技术

📚 章节概述

本章将深入讲解数据湖技术,包括Delta Lake、Apache Iceberg、Hudi等。通过本章学习,你将能够搭建生产级的数据湖。

🎯 学习目标

完成本章后,你将能够:

  1. 理解数据湖的核心概念
  2. 掌握Delta Lake的使用
  3. 了解Apache Iceberg和Hudi
  4. 掌握数据湖仓一体化
  5. 能够搭建生产级的数据湖

5.1 数据湖概述

5.1.1 什么是数据湖

数据湖是存储各种格式和类型的原始数据的存储系统。

数据湖特点

  1. 存储原始数据
  2. 不做预定义结构
  3. 保留原始格式
  4. 支持各种数据类型

  5. 低成本存储

  6. 对象存储
  7. 按需付费
  8. 高压缩比

  9. 弹性扩展

  10. 无限容量
  11. 高吞吐
  12. 低延迟

5.1.2 数据湖vs 数据仓库

特性 数据湖 数据仓库
数据 原始、非结构化 处理、结构化
模式 Schema on Read Schema on Write
成本
灵活性
查询性能 较低 较高

5.2 Delta Lake

5.2.1 Delta Lake概述

Delta Lake是开源的存储层,为数据湖带来ACID事务。

核心特性

  1. ACID事务
  2. 原子性
  3. 一致性
  4. 隔离性
  5. 持久性

  6. Schema Evolution

  7. 自动Schema管理
  8. 向后兼容
  9. 无缝升级

  10. 时间旅行

  11. 查询历史版本
  12. 数据回滚
  13. 审计追踪

5.2.2 Delta Lake使用

Python
from delta.tables import DeltaTable
from pyspark.sql import SparkSession

spark = SparkSession.builder \
    .appName("DeltaLakeExample") \
    .config("spark.sql.extensions", "io.delta.sql.DeltaSparkSessionExtension") \
    .config("spark.sql.catalog.spark_catalog", "org.apache.spark.sql.delta.catalog.DeltaCatalog") \
    .getOrCreate()

# 写入Delta表
df = spark.read.json("data.json")
df.write.format("delta").save("/delta/sales")

# 读取Delta表
df = spark.read.format("delta").load("/delta/sales")
df.show()

# 更新Delta表
from delta.tables import DeltaTable
deltaTable = DeltaTable.forPath(spark, "/delta/sales")
deltaTable.update(
    condition = "amount > 1000",
    set = { "amount": "amount * 1.1" }
)

# 删除Delta表数据
deltaTable.delete("amount < 0")

# 时间旅行
df_old = spark.read.format("delta").option("versionAsOf", 0).load("/delta/sales")

5.3 Apache Iceberg

5.3.1 Iceberg概述

Apache Iceberg是开源的表格式,为大数据表带来SQL表的功能。

核心特性

  1. Schema Evolution
  2. 无锁Schema变更
  3. 向后兼容
  4. 自动迁移

  5. 分区进化

  6. 隐藏分区
  7. 动态分区
  8. 分区裁剪

  9. 时间旅行

  10. 快照管理
  11. 数据回滚
  12. 版本控制

5.3.2 Iceberg使用

Python
from pyspark.sql import SparkSession

spark = SparkSession.builder \
    .appName("IcebergExample") \
    .config("spark.sql.catalog.spark_catalog", "org.apache.iceberg.spark.SparkCatalog") \
    .config("spark.sql.catalog.local", "org.apache.iceberg.spark.SparkCatalog") \
    .config("spark.sql.catalog.local.type", "hadoop") \
    .config("spark.sql.catalog.local.warehouse", "s3://my-bucket/warehouse") \
    .getOrCreate()

# 创建Iceberg表
spark.sql("""
    CREATE TABLE local.db.sales (
        id BIGINT,
        product_id BIGINT,
        customer_id BIGINT,
        sale_date DATE,
        quantity INT,
        amount DECIMAL(10,2)
    ) USING iceberg
    PARTITIONED BY (years(sale_date))
    LOCATION 's3://my-bucket/sales'
""")

# 写入数据(DataFrameWriterV2 API)
df.writeTo("local.db.sales").append()

# 读取数据
df = spark.sql("SELECT * FROM local.db.sales")
df.show()

# 更新数据
spark.sql("""
    UPDATE local.db.sales
    SET amount = amount * 1.1
    WHERE amount > 1000
""")

# 时间旅行
df_old = spark.sql("SELECT * FROM local.db.sales VERSION AS OF 0")

5.4 Apache Hudi

5.4.1 Hudi概述

Apache Hudi是开源的流式数据湖平台,支持增量处理和更新。

核心特性

  1. 增量处理
  2. Upsert支持
  3. Delete支持
  4. CDC支持

  5. 表类型

  6. Copy On Write
  7. Merge On Read

  8. 索引支持

  9. Bloom Filter
  10. HBase Index
  11. 简单索引

5.4.2 Hudi使用

Python
from pyspark.sql import SparkSession

spark = SparkSession.builder \
    .appName("HudiExample") \
    .config("spark.serializer", "org.apache.spark.serializer.KryoSerializer") \
    .config("spark.sql.hive.convertMetastoreParquet", "false") \
    .getOrCreate()

# 写入Hudi表
hudi_options = {
    'hoodie.table.name': 'sales',
    'hoodie.datasource.write.recordkey.field': 'sale_id',
    'hoodie.datasource.write.precombine.field': 'sale_date',
    'hoodie.datasource.write.table.type': 'COPY_ON_WRITE',
    'hoodie.upsert.shuffle.parallelism': 2,
    'hoodie.insert.shuffle.parallelism': 2
}

df.write.format("org.apache.hudi") \
    .options(**hudi_options) \
    .mode("append") \
    .save("s3://my-bucket/sales")

# 读取Hudi表
df = spark.read.format("org.apache.hudi") \
    .load("s3://my-bucket/sales/*")
df.show()

# 增量写入
df.write.format("org.apache.hudi") \
    .options(**hudi_options) \
    .option("operation", "upsert") \
    .mode("append") \
    .save("s3://my-bucket/sales")

5.5 练习题

基础题

  1. 选择题
  2. 数据湖的核心特点不包括什么?

    • A. 存储原始数据
    • B. Schema on Read
    • C. 高成本
    • D. 弹性扩展
  3. 简答题

  4. 解释数据湖vs 数据仓库的区别。
  5. 说明Delta Lake的核心特性。

进阶题

  1. 实践题
  2. 搭建一个Delta Lake。
  3. 实现时间旅行功能。
  4. 实现Schema Evolution。

  5. 设计题

  6. 设计一个数据湖架构。
  7. 设计一个数据湖仓一体化方案。

答案

1. 选择题答案

  1. C(数据湖的核心特点不包括高成本)

2. 简答题答案

数据湖vs 数据仓库的区别: - 数据湖:原始数据、Schema on Read、低成本 - 数据仓库:处理数据、Schema on Write、高成本

Delta Lake的核心特性: - ACID事务 - Schema Evolution - 时间旅行

3. 实践题答案

参见5.2-5.4节的示例。

4. 设计题答案

参见5.1-5.4节的架构设计。

5.6 面试准备

大厂面试题

字节跳动

  1. 解释数据湖的核心概念。
  2. Delta Lake的优势是什么?
  3. 如何设计数据湖架构?
  4. 如何优化数据湖性能?

腾讯

  1. Iceberg和Hudi的区别是什么?
  2. 如何实现数据湖的时间旅行?
  3. 如何设计数据湖的分区策略?
  4. 如何设计数据湖的容灾?

阿里云

  1. 数据湖的最佳实践是什么?
  2. 如何设计数据湖仓一体化?
  3. 如何处理数据湖的数据质量?
  4. 如何设计数据湖的安全?

📚 参考资料

🎯 本章小结

本章深入讲解了数据湖技术,包括:

  1. 数据湖的核心概念
  2. Delta Lake的使用
  3. Apache Iceberg和Hudi
  4. 数据湖仓一体化

通过本章学习,你掌握了数据湖的核心技术,能够搭建生产级的数据湖。下一章将深入学习实时数据处理。