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从日志统计到大数据分析

作者:桑文锋,神策数据创始人&CEO,前百度大数据部技术经理。2007年浙大研究生毕业后加入百度,从2008年开始从事数据方向,从零构建了百度的用户日志大数据处理平台。2015年4月从百度离职,创建神策数据,帮助客户实现数据驱动。目前,面向互联网创业公司的产品神策分析的客户包括爱鲜蜂、多盟、AcFun、秒拍等。

2008年底,我开始在百度负责一个日志统计的小团队,开发了一套基于Hadoop的日志统计平台,结果一年半的时间统一了全百度的日志统计工作。之后一直围绕数据这一方向,覆盖数据的采集、传输、建模存储、查询分析、数据可视化等,打造了全百度的用户数据仓库(User Data Warehouse),并推动全公司核心业务线的日志源结构化(Protocol Buffer)。这篇文章讲述我在百度从零构建大数据平台方面的经历。

洪荒年代

首先,我们回到2008年。那个时候,我是属于百度搜索新产品部的,像知道、贴吧、百科等,都属于这个部门的产品。部门里有个小团队叫Nslog,一共四个人,其中两个是实习生,所负责的工作就是部门内的各种需求统计。

统计的方式是这样的,各个产品线的业务人员按照需求文档的格式要求,填写统计需求,提交到需求管理平台上,Nslog的团队负责人(开始不是我负责)每周末,将需求分别分配给团队的几个成员。每个成员拿到需求列表之后,就挨着做。需求的实现,一般都是写 Perl 脚本,那个时候 Python 还没流行起来。因为统计需求比较类似,一般都是拿一个已有的脚本复制一份,修改一下,测试逻辑,测试大数据量下的准确性,然后部署到线上去。一共有20台机器跑统计脚本,每台机器上都用Crontab配置天级的例行任务。每个统计脚本的逻辑大概是这样的:通过Wget从数据源服务器上抓取按小时切割的日志文件,完成后,跑统计逻辑,将生成的结果组织成HTML表格,邮件发送给相应的团队。如下图所示:

图片描述

(图1 使用单机脚本跑统计)

这种模式有以下几个问题:

(1)需求响应周期长:从拿到需求,要和需求提出者确认需求细节,找一个类似的脚本修改,测试逻辑正确性,测试数据正确性,安排运维同学部署上线,平均每个需求要2天时间。这里还没算需求的等待时间,这可能要等一两周。
(2)运维成本高:20台统计服务器,每台机器通过Crontab管理了几十个脚本。这些脚本之间,可能还存在依赖关系,比如凌晨4点跑的一个脚本B,依赖于凌晨2点启动的某个脚本A。如果脚本A挂了,脚本B还是会正常的启动。恢复任务非常麻烦,真是牵一发而动全身。运维同学经常抱怨就没有哪一天能睡好觉的。
(3)运行速度慢:因为每个脚本只能单机运行,对于像知道、贴吧这样的大流量业务线,每天原始日志就有好几百G,光跑个排序就得好几个小时。特别是像贴吧被人爆吧,数据量一下子就会增加很多,统计结果跑不出来。如果分成每台机器跑一部分,维护代价非常大。
(4)职业发展瓶颈:那个时候还没有大数据的概念,大家对数据的价值也没现在这么认可,甚至连招聘面试时,也是把能力一般的分配到统计团队。而写脚本满足需求这样的工作是很枯燥的,对一个新人,写上三个月会觉得能学到不少东西,写六个月,就开始反感了,写一年,就坚决要求转岗或走人了。

当时我们的技术经理(同时管理了知道、百科、Nslog 三个团队)就觉得要做一套系统首要解决运维成本高的问题。但已有团队的人员光满足需求都忙不过来了,就从百科团队借调了两个人(不包括我)。那时候的我刚从百度知道转到百科团队,正想在百科团队大干一场。借调去的两个人其中一个是校招新人,我的项目经理就安排我也参与到项目中,培养新人的成长。于是我们三个人开始梳理需求和考虑设计方案。

盘古开天地一

设计一套日志统计平台的需求来源主要是Nslog的研发和运维同学,整理了好几十条,并出了一个基本的方案。我当时觉得实现一个提升运维管理的系统不难,难的是怎么是好用的?我很关心怎么提升需求处理的效率问题。这个时候其中一个人又被调到了一个基础库团队。也就是做这件事的就只剩我和校招新人了。而我们两个都还没做过需求处理,也不知道那几百个脚本里面都写的什么玩意儿。我说咱俩每人至少要看三个脚本,再抽查一些,看看这些脚本都有什么规律没有。我研究了之后,发现还是有些规律的。

我发现常见的统计有这么三类:

(1)计数统计:那个时代是流量时代,许多统计就是算PV(Page View)。一般是在 Apache Web Server日志中,去用正则表达式匹配满足某些条件的记录,做计数。
(2)去重统计:比如独立 IP 数,独立用户数等。
(3)Top N统计:比如昨天检索量最大的100个Query是什么。

我就问一直做统计的一位同学,这三类能不能占到所有统计需求的80%,他想了一下说有的。于是我就说咱们只要设计的系统,能够将这部分的需求处理工作量降下来,我们的系统就是成功的。这个时候技术经理又从其他团队借调了一个前端同学过来支援几周。我和校招新人都不会前端开发,这事儿没专业的人来搞不定。在接下来的两周时间,我就和前端同学研究怎么设计这部分的抽象。前端同学先提了一个方案,类似于 Dreamweaver中的页面HTML编辑界面,点选一个元素,可以进行修改配置。我觉得这种方案,还没直接写脚本效率高呢。

我从awk脚本语言获取了灵感。在awk语言中,都是awk condition { action } 这种模式,就是condition定义了满足的限制条件,action是执行的操作。比如:

awk ‘$6 == "Nov" { sum += $5 } END { print sum }’ ./test.txt

就是把test.txt中,满足第6列等于 “Nov” 的记录,计算第5列的求和。

对于常见的那三类统计需求,都是一种统计类型,加上一堆限制条件。为了降低限制条件的难度,我让所有的条件之间只支持AND操作,不支持OR操作。我们知道AND和 NOT完全可以表示出来OR。

设计出来的效果是这样的:

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(图2 简单编辑界面)

上面是一个去重统计的例子,我选择一个日志源,点击“去重统计”按钮,生成一个模版,填写限制条件。一个统计任务就生成了。这里没有显示出来的是,每个日志源,都有一个对应的agent函数,所做的事是一段解析程序,将原始日志解析成若干个变量,如图中的去重字段部分,类似“_UserId”,这样在统计模板中就可以直接使用了。这样做了之后,可以让一个统计任务的开发工作量,降低到5分钟。

还有一个问题是计算性能问题。

盘古开天地二

当时Hadoop刚推出,还只是测试版。对于它能解决多少问题,我们心里是没底的。在百度内部已经有少量的需求在尝试使用,手工写 MapReduce 代码的方式。我也尝试写了一个,还是比较容易的,但有一定的学习代价。系统部有一个团队,在负责Hadoop 的维护。为了保险,我把底层计算接口设计成两套,同样的代码,既可以提交到Hadoop,又可以提交到单机。在单机上用脚本串起来,模拟在集群上的运行。Hadoop本身支持将任务分割为Mapper和Reducer两个阶段,我又增加了一个Computer阶段,作用是将Reducer的结果(一般是统计数值)拿到执行机(分布式提交任务的节点),并将其插入到数据库。我当时的想法是如果Hadoop不靠谱,我就把这20台单机,组成一个小集群,管理提交的任务。当然,这样的话就实现不了单个任务的分布式化了。

整个架构图是这样的:

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(图3 初版日志统计平台架构图)

其中Code Engine和CWrapper是我设计和实现的,Scheduler和数据库表设计是校招新人实现的,Web UI是后来加入的实习生花了一周时间找了个网上的模板改的。日志的上传是运维同学开发的。为了说服运维同学完成部分开发工作,承诺让其将所有的数据上传之后,再更新数据库里的数据源就绪状态。

在这个系统实现中,我们把PHP用到了极致,Web UI是PHP的,后端的几个模块是 PHP的,就连生成的 MapReduce代码,也是PHP的。有人可能会对PHP的运算性能有疑问,当时负责Hadoop维护的同学为了推动更多的人使用,承诺我们100多台机器随便用,不用考虑性能问题,缺机器了他们直接申请加,我们就没这方面的考虑。PHP 的开发效率还是很高的,我的 Code Engine 实现任务配置到 MapReduce 代码的编译,最初的版本只花了我2个小时,140行代码。

就这样,一个伟大的系统经过两三个月的时间拼凑完成了。其实到快发布,还没有名字。有一天经理问我叫什么,我说就叫 Log Statistics Platform的前三个字母LSP,于是就有了名字(之后我为了方便记忆,让大家把平台叫做 Log 平台)。

平台带来了几点好处:

(1)需求响应周期大大缩短:因为对常用的三类统计做了很好的抽象,即使产品同学都能直接配置统计任务,开发周期从2天时间降低到5分钟。并且统计需求的处理,完全交还给了各个业务方,没有了需求等待时间。
(2)运维成本大大降低:由统一的系统进行任务的管理,具有依赖关系的管理,大大降低了出错带来的恢复成本。
(3)运行速度飞快:我现在仿佛还能回忆起从平台上提交第一个任务时的感觉,以前几个小时才能跑完的任务,只需要几分钟就跑完了。我之前担心的 Hadoop 不能覆盖所有统计需求的问题,也不存在。
(4)组员积极性变高,终于在干一件有点技术含量的事了。

盘古开天地三

平台在2009年4月正式发布后,各个团队的需求铺天盖地而来,日志源的中转上传很快就成了瓶颈。都是所有的日志源完成上传后,才开始统计计算,这样上传期间的几个小时时间就白白浪费掉了。我们首先将日志上传改成每份完成后单独打就绪标记。后来有次和 Hadoop 团队的同学沟通,我就提起能不能每个 Mapper 作为一个日志抓取的任务,这样可以让100多台机器同时抓数据,他们说没问题,已经有团队这么干。于是我们很快上线了新版本,实现分布式的抓取。

架构改成了这样:

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(图4 分布式抓取架构)

这时候的产品,已经是一个比较完整的产品了,我开始在公司范围内推广。本来公司里有十几个类似我们的统计团队,我就是要说服他们把任务迁移到我们平台。记得很深刻的一次是和网页搜索部的统计团队沟通,他们看了演示之后很震惊,说本来他们只是在设想这种系统的可能性,没想到你们已经做出来了。当时我们又入职了一位同学专门负责响应需求,有一天,业务部门的同学反馈说不能加他好友了(我们用的是百度自己的聊天软件 Baidu Hi),我们就找 Hi 团队的同事咨询,他们说这位同学到了好友上限2000人,之前还没遇到过这种情况。他们的解决方案是修改人数配置,重启整个 Baidu Hi 服务。

在整个推广的过程中,我就像拿着一款先进设备,去拯救那些水深火热的人们。我们一边推广,一边完善整个平台。

从最开始平台是为统计而生,但我渐渐的发现,统计只是一类需求,其他Hadoop任务,也可以通过我们这个平台管理起来。我就想将Log平台发展为Hadoop的壳,所有提交给Hadoop的任务,都能通过Log平台管理起来。Log平台演化成一个通用计算平台。

我前面提到通过三类常见统计的抽象,来解决80%的问题。但当这80%需求解决之后,你会发现又有新的80%的需求冒出来。如果让用户直接写MapReduce任务提交,这个代价太大了。平台开始上线时,提交任务就支持两种模式。一种是简单编辑,就是前面的三类抽象(后来加了更多的类别)。一种就是复杂编辑,直接贴MapReduce代码。对于后者,如果能抽象一个更好用的计算框架,将MapReduce隐藏起来,显然就又可以提升开发效率了。

我就安排一个工程师(目前是我的合伙人之一)出一个方案,只用了一周时间,就设计出来原型了。下面是个例子(我们叫它 DQuery):

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(图5 DQuery 代码样例)

对于一个输入,我们可以去选择某些字段,进行分组,每组在计数,然后输出到一个文件。这样就实现了一个统计任务。这种链式的处理方式,在现代已经很普遍了,特别是 Spark 里都是采用的类似表示方法。我们在2009底做了这个事情,在2011年公司号召多提交专利时,提交了发明专利。今年3月初时,专利刚被审核通过。这种将数据流式的进行变换的思想,已经见诸于各大分布式计算系统。

在给出 DQuery 原型后,我觉得团队太弱小了,只能有一个全职参与这件事。于是找基础库团队的同学寻求支持。他们最开始提出何不实现一个 Google Sawzall,但我觉得太底层了。最终说服对方安排一位工程师参与进来。结果就是他们两个人花了2个半月,就把这个语言开发出来了。

可能你会问为什么当时不选择使用 Hive?事实上,那个时候 Hive 的工程师也来公司交流和推广了。但有两个需求不好满足:
(1)任务合并:对于同一个数据源,可能有几百个统计任务。这种统计任务可能都很简单,但是都要将数据源读取一遍,也就是一个高 IO 低 CPU 的任务。我们当时想直接读取一遍,然后将多个任务同时计算,这样效率会高很多。这在 Hive 上是不支持的。
(2)用户行为分析:我当时比较乐观,觉得我一年解决统计问题,第二年解决分析问题,第三年解决挖掘问题。事实上到现在分析问题也没解决彻底。我们知道 Hive 是基于 SQL 的,而 SQL 是上下文无关的。也就是说你取出的一批数据,有前后关系的话,是很难操作的。我需要在语言上支持。而在 DQuery 语言中,我们设计了一个方法叫 process,可以嵌入用户的逻辑,非常灵活。这里要说的是 DQuery 是一个基于 PHP 语言的框架,这样 DQuery 表达不了的,都可以写原始 PHP 代码。

就这样到2010年底的时候,实现了全公司日志统计全部统一到 Log 平台。这是我在百度八年,干的最有成就感的一件事情。
秦天下

转眼到了2011年初,那个时候团队已经合并到了网页搜索部的相关性部门,我感觉这不利于发展。我的想法是要把团队面向全公司服务,甚至成为像 NLP(自然语言处理)部门在厂长心中的地位。但网页相关性部门的上司觉得先服务好本部门就够了。我和基础架构部的一个经理(最早在百度负责维护和开发 Hadoop 团队的负责人,在他完成了 Hadoop 在全百度的推广之后,改为负责一个分布式存储团队了)商量了一下,觉得两个团队合并,成立一个专门的数据团队,是一件更有意义的事。两人一拍即合。基础架构部的老大又从 Google 挖来了一位专家做我们团队的负责人,他之前在 Yahoo 做了7年,Google 做了5年,一直在做数据仓库,绝对的资深专家,我很崇拜的人。

记得在2011年的7月1日,团队开了个All Hands大会,公司 VP 在讲话中说:在中国是 D 说了算,在百度也是 D 说了算,后一个 D 是指 Data 。说起来在百度这八年,百度文化有29条,我第二喜欢的就是“用数据说话”,数据虽然有欺骗性,但总的来说有数据要比没有数据好,它不带有感情,冷静客观。就这样,我们 DataTeam 成立了,或者叫 DreamTeam。团队的一线人员一共二十来个,超过一半是我之前的下属。

有新总监的领导,我们的思路完全被打开了一圈。但在最开始,我们的思路依旧有些混乱,之前的产品还要维护,想做的新东西很多,我们似乎没有一个中心。眼看到了国庆,有一天我问新总监他觉得什么最重要,如果只挑一件事情的话,他说是 UDW(User Data Warehouse,意为用户数据仓库)。我说那咱们核心成员就用来做这个项目。于是我迅速将 Log 的核心成员,抽调到了这一项目,在之后的三年里,我的主要精力可以说都是围绕它展开的。

在新总监来到百度之后,很快发现了我们的数据源真叫一个混乱。公司有上百个业务线,每个业务线的数据格式都是不同的。如果你要基于所有的数据源做一个业务,比如个性化推荐,那么需要和所有的业务线沟通数据格式,并维护这条飞线。相比之下,在 Google 数据源都是被规范管理的,使用 Protocol Buffer 来规范数据格式。新总监认为我们要先把数据源给统一起来,形成一个好的数据基础,后续的数据分析完全依赖于它。

对于这种思路,我是有疑虑的。在2009年的时候,我就做了一个叫麦哲伦的用户行为查询平台,通过输入一个 ID,返回用户的行为记录,主要包括知道,百科,贴吧之类的产品。当时的做法是我把每个产品线的用户访问行为,比如在百度知道提问,用一个 Action ID 来标记,这个行为有一系列属性。对于有些属性,我还和业务线建立了专门的接口,用于获取这些属性的具体内容。比如通过问题的 ID,获取到问题的标题,以保证行为记录的可读性。这个系统是很快建立起来了,但被使用的频率非常低。花很大精力整理的数据,似乎一时半会儿看不到多大价值。还有个问题是业务线的数据格式变更,我的数据处理逻辑都要更新,很难维护。所以这种思路被重新提出时,我最顾虑的是做出来之后有什么用,在应用点不明确的时候,我们是不是该做这件事。但新总监在公司层面很快推动达成了一致,总之是公司支持做这件事情。执行从来不是我的问题,既然都确定要做了,我很快就带着团队做起来。最开始选择最核心的八条业务线,在2012年的 Q1 季度末,正式对公司内部发布了。

UDW 做了一件事情,将全公司的每个业务线的每一种用户行为,定义为一种 Event,这个 Event 包括一系列的属性,核心的是 UserID,Event Type,事件相关的其他属性。这样,一个用户在百度的任意行为就统一到了一张表上。再有人想做数据分析,就可以直接用干净统一的基础数据了。

从数据角度来看,是一个金字塔:

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(图6 数据金字塔)

最底层是上百条业务线的文本日志,通过 LogFormat 转成 Protocol Buffer 格式。在此基础上,构建 UDW。在 UDW 基础之上,我们构建围绕各种主题的数据,形成 DataMart。比如基于 Query 的基础数据。再进一步汇聚,就可以用于 BI 的 Insight。

这里我总结一下 UDW 思路的优缺点。优点是为上层应用提供了一套统一干净的基础数据,上层的使用变得非常简单。一个广告团队,仅仅是将数据源切换到 UDW,就提升了接近20%的收入。更何况以前在做个需要多个业务线数据源的应用,只需要和我们 UDW 打交道,这减少了多大的工作量和沟通成本。

不好的地方是源头的数据并没有变更,我们中间是通过 ETL 过程将数据接入到 UDW 的,而这个过程工作复杂难以维护,具有很长的滞后性。并且因为多了一轮计算,实效性也降低了。一些业务线开始抱怨,对 UDW 产生了严重依赖,特别是相对比较独立的业务线,做这件事完全没什么好处,还不如根据原始数据来计算。

在这之后,我又带着团队完成了核心数据源的日志 Protocol Buffer 改造,并构建了新的传输、查询、调度系统。在2012年初老大给我讲 Google 那边能够打了日志马上就可以分析,我都觉得很不可思议,那时候百度的延迟至少是小时级的。可经过两年多的努力,我们也达到了这一点。以上是我的经历分享,希望能够给读者启发,少走一些弯路。


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