ClickHouse/dbms/include/DB/DataStreams/MergingAggregatedMemoryEfficientBlockInputStream.h

#pragma once

#include <threadpool.hpp>
#include <DB/Interpreters/Aggregator.h>
#include <DB/DataStreams/IProfilingBlockInputStream.h>
#include <DB/Common/ConcurrentBoundedQueue.h>
#include <condition_variable>


namespace DB
{


/** Доагрегирует потоки блоков, держа в оперативной памяти только по одному или несколько (до merging_threads) блоков из каждого источника.
  * Это экономит оперативку в случае использования двухуровневой агрегации, где в каждом источнике будет до 256 блоков с частями результата.
  *
  * Агрегатные функции в блоках не должны быть финализированы, чтобы их состояния можно было объединить.
  *
  * Используется для решения двух задач:
  *
  * 1. Внешняя агрегация со сбросом данных на диск.
  * Частично агрегированные данные (предварительно разбитые на 256 корзин) сброшены в какое-то количество файлов на диске.
  * Нужно читать их и мерджить по корзинам - держа в оперативке одновременно только несколько корзин из каждого файла.
  *
  * 2. Слияние результатов агрегации при распределённой обработке запроса.
  * С разных серверов приезжают частично агрегированные данные, которые могут быть разбиты, а могут быть не разбиты на 256 корзин,
  *  и эти корзины отдаются нам по сети с каждого сервера последовательно, друг за другом.
  * Надо так же читать и мерджить по корзинам.
  *
  * Суть работы:
  *
  * Есть какое-то количество источников. Они отдают блоки с частично агрегированными данными.
  * Каждый источник может отдать одну из следующих последовательностей блоков:
  * 1. "неразрезанный" блок с bucket_num = -1;
  * 2. "разрезанные" (two_level) блоки с bucket_num от 0 до 255;
  * В обоих случаях, может ещё присутствовать блок "переполнений" (overflows) с bucket_num = -1 и is_overflows = true;
  *
  * Исходим из соглашения, что разрезанные блоки всегда передаются в порядке bucket_num.
  * То есть, если a < b, то блок с bucket_num = a идёт раньше bucket_num = b.
  * Это нужно для экономного по памяти слияния
  * - чтобы не надо было читать блоки наперёд, а идти по всем последовательностям по возрастанию bucket_num.
  *
  * При этом, не все bucket_num из диапазона 0..255 могут присутствовать.
  * Блок переполнений может присутствовать в любом порядке относительно других блоков (но он может быть только один).
  *
  * Необходимо объединить эти последовательности блоков и отдать результат в виде последовательности с такими же свойствами.
  * То есть, на выходе, если в последовательности есть "разрезанные" блоки, то они должны идти в порядке bucket_num.
  *
  * Мердж можно осуществлять с использованием нескольких (merging_threads) потоков.
  * Для этого, получение набора блоков для следующего bucket_num надо делать последовательно,
  *  а затем, когда мы имеем несколько полученных наборов, их объединение можно делать параллельно.
  *
  * При получении следующих блоков из разных источников,
  *  данные из источников можно также читать в несколько потоков (reading_threads)
  *  для оптимальной работы при наличии быстрой сети или дисков (откуда эти блоки читаются).
  */
class MergingAggregatedMemoryEfficientBlockInputStream : public IProfilingBlockInputStream
{
public:
	MergingAggregatedMemoryEfficientBlockInputStream(
		BlockInputStreams inputs_, const Aggregator::Params & params, bool final_,
		size_t reading_threads_, size_t merging_threads_);

	~MergingAggregatedMemoryEfficientBlockInputStream() override;

	String getName() const override { return "MergingAggregatedMemoryEfficient"; }

	String getID() const override;

	/// Отправляет запрос (инициирует вычисления) раньше, чем read.
	void readPrefix() override;

	/// Вызывается либо после того, как всё прочитано, либо после cancel-а.
	void readSuffix() override;

	/** Отличается от реализации по-умолчанию тем, что пытается остановить все источники,
	  *  пропуская отвалившиеся по эксепшену.
	  */
	void cancel() override;

protected:
	Block readImpl() override;

private:
	static constexpr size_t NUM_BUCKETS = 256;

	Aggregator aggregator;
	bool final;
	size_t reading_threads;
	size_t merging_threads;

	bool started = false;
	bool all_read = false;
	volatile bool has_two_level = false;
	volatile bool has_overflows = false;
	int current_bucket_num = -1;

	Logger * log = &Logger::get("MergingAggregatedMemoryEfficientBlockInputStream");


	struct Input
	{
		BlockInputStreamPtr stream;
		Block block;
		Block overflow_block;
		std::vector<Block> splitted_blocks;
		bool is_exhausted = false;

		Input(BlockInputStreamPtr & stream_) : stream(stream_) {}
	};

	std::vector<Input> inputs;

	using BlocksToMerge = Poco::SharedPtr<BlocksList>;

	void start();

	/// Получить блоки, которые можно мерджить. Это позволяет мерджить их параллельно в отдельных потоках.
	BlocksToMerge getNextBlocksToMerge();

	std::unique_ptr<boost::threadpool::pool> reading_pool;

	/// Для параллельного мерджа.

	struct ParallelMergeData
	{
		boost::threadpool::pool pool;
		/// Сейчас один из мерджащих потоков получает следующие блоки для мерджа. Эта операция должна делаться последовательно.
		std::mutex get_next_blocks_mutex;
		bool exhausted = false;	/// Данных больше нет.
		bool finish = false;	/// Нужно завершить работу раньше, чем данные закончились.

		std::exception_ptr exception;
		/// Следует отдавать блоки стого в порядке ключа (bucket_num).
		/// Если значение - пустой блок - то нужно дождаться его мерджа.
		/// (Такое значение означает обещание, что здесь будут данные. Это важно, потому что данные нужно отдавать в порядке ключа - bucket_num)
		std::map<int, Block> merged_blocks;
		std::mutex merged_blocks_mutex;
		/// Событие, с помощью которого мерджащие потоки говорят главному потоку, что новый блок готов.
		std::condition_variable merged_blocks_changed;
		/// Событие, с помощью которого главный поток говорят мерджащим потокам, что можно обработать следующую группу блоков.
		std::condition_variable have_space;

		ParallelMergeData(size_t max_threads) : pool(max_threads) {}
	};

	std::unique_ptr<ParallelMergeData> parallel_merge_data;

	void mergeThread(MemoryTracker * memory_tracker);

	void finalize();
};

}