Cassandra复合主键、二级索引与ORDER BY子句深度解析

cassandra的order by子句严格限制于复合主键中的第一个聚簇列，且不支持与二级索引结合使用。本文将深入解析cassandra数据模型中主键、聚簇列与排序机制的原理，并通过具体案例阐述为何特定查询模式会导致错误，并提供数据模型调整的策略，以实现高效且符合预期的查询排序。

在Cassandra中进行数据查询时，理解其数据模型，尤其是主键和索引的工作原理至关重要。这直接影响到查询的性能和功能的可用性，特别是涉及数据排序（ORDER BY）的操作。

Cassandra数据模型基础：主键与聚簇列

Cassandra的PRIMARY KEY由两部分组成：分区键（Partition Key）和聚簇列（Clustering Columns）。

1. 分区键 (Partition Key)：决定数据在集群中的分布。所有拥有相同分区键的数据行都存储在同一个分区（partition）中，通常位于同一个节点或一组节点上。分区键可以是单个列，也可以是多个列组成的复合分区键。
2. 聚簇列 (Clustering Columns)：在同一个分区内部，数据行会根据聚簇列的顺序进行物理存储和逻辑排序。聚簇列的顺序定义了数据在磁盘上的排列方式，这对于范围查询和排序至关重要。

例如，考虑以下表定义：

CREATE TABLE global_product_highlights (
  deal_id text,
  product_id text,
  highlight_strength double,
  category_id text,
  creation_date timestamp,
  rank int,
  PRIMARY KEY (deal_id, product_id, highlight_strength)
);

在这个例子中：

• deal_id 是分区键。
• (product_id, highlight_strength) 是聚簇列。其中，product_id是第一个聚簇列，highlight_strength是第二个聚簇列。这意味着在每个deal_id分区内部，数据首先按product_id升序排列，然后对于相同的product_id，再按highlight_strength升序排列。

Cassandra中ORDER BY子句的限制

Cassandra的ORDER BY子句有一个核心限制：它只能应用于复合主键中的第一个聚簇列。

这是因为Cassandra在磁盘上就是按照聚簇列的顺序来存储数据的。因此，只有当ORDER BY子句指定的列与第一个聚簇列一致时，Cassandra才能高效地、无需额外排序操作地返回结果。如果尝试对非第一个聚簇列进行排序，或者对多个聚簇列进行自定义排序，Cassandra将无法执行，并会抛出错误。

例如，对于上述global_product_highlights表：

-- 合法查询：按第一个聚簇列 product_id 排序
SELECT * FROM global_product_highlights WHERE deal_id = 'deal123' ORDER BY product_id DESC;

-- 非法查询：尝试按第二个聚簇列 highlight_strength 排序，会报错
-- "ORDER BY on non-first clustering column is not supported"
SELECT * FROM global_product_highlights WHERE deal_id = 'deal123' ORDER BY highlight_strength DESC;

二级索引与ORDER BY的冲突

Cassandra的二级索引（Secondary Index）允许用户对非主键列进行查询。当你在一个列上创建二级索引时，Cassandra会在后台维护一个隐藏的索引表，将索引列的值映射到原始表的主键。

然而，二级索引本身并不保证任何特定的排序顺序。当一个查询通过二级索引筛选数据时，Cassandra可能需要访问集群中的多个分区来检索数据。在这种分布式检索之后，如果再要求对结果进行ORDER BY操作，Cassandra将需要在一个协调节点上收集所有数据，并在内存中进行排序。这种操作在分布式系统中效率低下且复杂，因此Cassandra设计上不支持将ORDER BY子句与二级索引结合使用。

当你的查询同时使用了二级索引和ORDER BY子句时，你通常会遇到类似“ORDER BY with 2ndary indexes is not supported”的错误。

案例分析与解决方案

让我们回顾原始问题中的场景：

表定义：

CREATE TABLE global_product_highlights (
  deal_id text,
  product_id text,
  highlight_strength double,
  category_id text,
  creation_date timestamp,
  rank int,
  PRIMARY KEY (deal_id, product_id, highlight_strength)
);

二级索引：

CREATE INDEX ON global_product_highlights (category_id);

用户查询（Golang）：

err = session.Query("select product_id from global_product_highlights where category_id=? order by highlight_strength DESC", default_category).Scan(&prodId_array)

错误解析：

这个查询失败的原因是双重的：

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1. ORDER BY highlight_strength 违反了聚簇列排序规则：在global_product_highlights表中，product_id是第一个聚簇列，而highlight_strength是第二个。尝试直接对highlight_strength进行排序违反了Cassandra的ORDER BY规则。
2. WHERE category_id=? 与 ORDER BY 冲突：查询使用了category_id上的二级索引。如前所述，二级索引与ORDER BY子句不能同时使用。

这两个限制共同导致了查询错误。

解决方案：数据模型调整

在Cassandra中，数据模型的设计是查询驱动的。如果你的应用程序需要按照特定的顺序检索数据，那么这个排序需求必须体现在表的主键定义中。

如果你的核心需求是：根据category_id筛选，并按highlight_strength排序，那么你需要重新考虑数据模型。

方案一：调整现有表的聚簇列顺序（如果分区键不变）

如果查询仍然希望以deal_id作为分区键，但需要在分区内部按highlight_strength排序，则需要将highlight_strength提升为第一个聚簇列：

-- 新表结构：global_product_highlights_by_strength
-- PRIMARY KEY (deal_id, highlight_strength, product_id)
CREATE TABLE global_product_highlights_by_strength (
  deal_id text,
  highlight_strength double,
  product_id text,
  category_id text,
  creation_date timestamp,
  rank int,
  PRIMARY KEY (deal_id, highlight_strength, product_id)
);

现在，highlight_strength是第一个聚簇列。你可以在提供deal_id的情况下，按highlight_strength进行排序：

-- 假设你知道 deal_id
SELECT product_id FROM global_product_highlights_by_strength 
WHERE deal_id = 'some_deal_id' 
ORDER BY highlight_strength DESC;

重要提示：这种调整意味着查询必须提供deal_id。你仍然不能直接通过category_id进行全局查询并排序，因为那样仍然会触发二级索引与ORDER BY的冲突（即使你对新表创建了category_id的二级索引）。

方案二：创建专门用于特定查询的新表（推荐）

如果你的查询模式是WHERE category_id=? ORDER BY highlight_strength DESC，并且不限定deal_id，那么最Cassandra原生的解决方案是创建一个新的表，其主键设计能够直接支持这种查询模式。这通常意味着数据去范式化。

-- 新表结构：category_product_highlights_by_strength
-- PRIMARY KEY (category_id, highlight_strength, deal_id, product_id)
CREATE TABLE category_product_highlights_by_strength (
  category_id text,
  highlight_strength double,
  deal_id text,
  product_id text,
  creation_date timestamp,
  rank int,
  PRIMARY KEY (category_id, highlight_strength, deal_id, product_id)
);

在这个新表中：

• category_id是分区键。
• highlight_strength是第一个聚簇列。
• deal_id和product_id是后续聚簇列（用于保证唯一性）。

现在，你可以直接执行你想要的查询：

SELECT product_id FROM category_product_highlights_by_strength 
WHERE category_id = 'default_category' 
ORDER BY highlight_strength DESC;

当原始global_product_highlights表中的数据发生变化时，你需要确保同步更新category_product_highlights_by_strength表。这通常通过应用程序逻辑来处理。

最佳实践与注意事项

1. 查询驱动的数据模型设计：Cassandra的数据模型应始终围绕你的查询模式来设计，而不是遵循关系型数据库的范式。为了满足不同的查询需求，可能需要创建多个表，存储相同数据的不同视图（去范式化）。
2. 避免在二级索引上使用ORDER BY：理解其限制，并据此调整你的查询或数据模型。
3. 考虑数据重复（Denormalization）：为了优化读取性能和支持多样化的查询模式，在Cassandra中进行数据去范式化是常见的做法。
4. ORDER BY的性能考量：即使是合法的ORDER BY操作，对分区内大量数据的排序也可能消耗资源。尽量限制返回结果的数量（例如使用LIMIT）。
5. Materialized Views（物化视图）：在Cassandra 3.0+中，物化视图可以自动维护一个基于不同主键顺序的表。它可以在一定程度上简化去范式化的管理，但也有其自身的限制和开销，并非所有场景都适用。

总结

Cassandra的ORDER BY子句具有严格的限制，它只能应用于复合主键中的第一个聚簇列，并且不能与二级索引结合使用。理解这些限制对于设计高效且功能正确的Cassandra数据模型至关重要。当遇到排序需求时，应优先考虑调整表的主键结构，通过去范式化创建新的表来直接支持所需的查询模式，而不是依赖二级索引和ORDER BY的组合。正确的Cassandra数据模型设计能够充分发挥其分布式、高性能的优势。

以上就是Cassandra复合主键、二级索引与ORDER BY子句深度解析的详细内容，更多请关注php中文网其它相关文章！