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數(shù)據(jù)倉庫，這個幾乎是所有大數(shù)據(jù)開發(fā)面試必問的話題。比如數(shù)據(jù)倉庫的分層架構？為什么需要數(shù)據(jù)倉庫建模？數(shù)據(jù)倉庫建模的原則是什么？結合業(yè)務舉例說明數(shù)據(jù)倉庫建模的步驟，以及注意事項？什么是緩慢變化維？維度該如何選擇建設，原則是什么，主鍵如何設計等等？
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一眾問題搞得小伙伴們死去活來，甚至工作好幾年的小伙伴都沒搞清楚過，尤其是大廠特別愛問這些問題。有些小伙伴甚至覺得這些都是形而上學，不懂這些我不一樣搞了很多年開發(fā)？即使感興趣的買了一本厚厚的數(shù)據(jù)倉庫工具書也看不懂！那么實際數(shù)據(jù)倉庫建模到底是什么，開發(fā)人員該掌握哪些？
數(shù)據(jù)倉庫前世今生
來一起看個官方定義：數(shù)據(jù)倉庫，英文名稱為DataWarehouse，可簡寫為DW或DWH。數(shù)據(jù)倉庫，是為企業(yè)所有級別的決策制定過程，提供所有類型數(shù)據(jù)支持的戰(zhàn)略集合。它出于分析性報告和決策支持目的而創(chuàng)建。為需要業(yè)務智能的企業(yè)，提供指導業(yè)務流程改進、監(jiān)視時間、成本、質量以及控制。
數(shù)據(jù)倉庫之父 Bill Inmon 在 1991 年出版的 Building the Data Warehouse 一書中首次提出了被廣為認可的數(shù)據(jù)倉庫定義。Inmon 將數(shù)據(jù)倉庫描述為一個面向主題的、集成的、隨時間變化的、非易失的數(shù)據(jù)集合，用于支持管理者的決策過程。
簡單點來說，現(xiàn)實情況是一個企業(yè)有很多數(shù)據(jù)源，比如有的業(yè)務數(shù)據(jù)存放在Mysql,PG庫,有的存放在Oracle，有的日志存放在Ftp，Nginx服務器上等，有的是外部采集的爬蟲數(shù)據(jù)等等。那么對于企業(yè)來說沉淀了這么多數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)放到一起進行數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)分析，給企業(yè)挖掘數(shù)據(jù)價值呢？這些不同數(shù)據(jù)源，不同數(shù)據(jù)存儲格式，不同的數(shù)據(jù)更新周期，如果讓你把企業(yè)這些數(shù)據(jù)融合分析，你怎么辦？
首先，你是不是要把這些不同數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一的格式，一定的規(guī)范存儲到一起，然后在通過特定的工具做數(shù)據(jù)計算分析？那么對于企業(yè)來說，把企業(yè)各種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)放到一起存儲和計算的地方就叫數(shù)據(jù)倉庫（約定俗稱的叫法），所以本質上數(shù)據(jù)倉庫上融合各個數(shù)據(jù)源，存儲加工數(shù)據(jù)的地方，早期大數(shù)據(jù)沒有發(fā)展起來的時候，企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫的載體一般是Oracle，那時候主要給企業(yè)做BI報表（Business Intelligence商業(yè)智能）。
后來隨著企業(yè)數(shù)字化，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，企業(yè)收集到數(shù)據(jù)越來越多，發(fā)現(xiàn)原有的技術框架已經(jīng)滿足不了業(yè)務存儲和分析的需求了。于是乎就有了現(xiàn)在Hadoop生態(tài)為主的數(shù)倉倉庫。
數(shù)據(jù)倉庫建模的目的？
為什么要進行數(shù)據(jù)倉庫建模？大數(shù)據(jù)的數(shù)倉建模是通過建模的方法更好的組織、存儲數(shù)據(jù)，以便在性能、成本、效率和數(shù)據(jù)質量之間找到最佳平衡點。一般主要從下面四點考慮：
- 訪問性能：能夠快速查詢所需的數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)I/O。
- 數(shù)據(jù)成本：減少不必要的數(shù)據(jù)冗余，實現(xiàn)計算結果數(shù)據(jù)復用，降低大數(shù) 據(jù)系統(tǒng)中的存儲成本和計算成本。
- 使用效率：改善用戶應用體驗，提高使用數(shù)據(jù)的效率。
- 數(shù)據(jù)質量：改善數(shù)據(jù)統(tǒng)計口徑的不一致性，減少數(shù)據(jù)計算錯誤 的可能性，提供高質量的、一致的數(shù)據(jù)訪問平臺。
常見的數(shù)據(jù)建模方法
數(shù)據(jù)倉庫本質是從數(shù)據(jù)庫衍生出來的，所以數(shù)據(jù)倉庫的建模也是不斷衍生發(fā)展的。從最早的借鑒數(shù)據(jù)庫的范式建模，到逐漸提出維度建模，Data Vault模型，Anchor模型等等，越往后建模的要求越高，越需滿足3NF，4NF等。但是對于數(shù)據(jù)倉庫來說，目前主流還是維度建模，會夾雜著范式建模。
數(shù)據(jù)倉庫建模方法論可分為：范式建模、維度建模、Data Vault模型、Anchor模型。
常見四種建模方法
1、范式建模（E-R模型）
將事物抽象為“實體”、“屬性”、“關系”來表示數(shù) 據(jù)關聯(lián)和事物描述；實體：Entity，關系：Relationship，這種對數(shù)據(jù)的抽象 建模通常被稱為ER實體關系模型
ER模型是數(shù)據(jù)庫設計的理論基礎，當前幾乎所有的OLTP系統(tǒng)設計都采用ER模型建模的方式，且該建模方法需要滿足3NF。Bill Inom提出的數(shù)倉理論，推薦采用ER關系模型進行建模，BI架構提出分層架構，數(shù)倉底層ods、dwd也多采用ER關系模型就行設計。
但是逐漸隨著企業(yè)數(shù)據(jù)的高增長，復雜化，數(shù)倉全部使用ER模型建模顯得越來越不合時宜。為什么呢，因為其按部就班的步驟，三范式等，不適合現(xiàn)代化復雜，多變的業(yè)務組織。
E-R模型建模的步驟（滿足3NF）如下：
- 抽象出主體 （教師，課程）
- 梳理主體之間的關系 （一個老師可以教多門課，一門課可以被多個老師教）
- 梳理主體的屬性 （教師：教師名稱，性別，學歷等）
- 畫出E-R關系圖
2、維度建模
維度建模，是數(shù)據(jù)倉庫大師Ralph Kimball提出的，是數(shù)據(jù)倉庫工程領域最流行的數(shù)倉建模經(jīng)典。
維度建模以分析決策的需求出發(fā)構建模型，構建的數(shù)據(jù)模型為分析需求服務，因此它重點解決用戶如何更快速完成分析需求，同時還有較好的大規(guī)模復雜查詢的響應性能。維度建模是面向分析的，為了提高查詢性能可以增加數(shù)據(jù)冗余，反規(guī)范化的設計技術。
Ralph Kimball提出對數(shù)據(jù)倉庫維度建模，并且將數(shù)據(jù)倉庫中的表劃分為事實表、維度表兩種類型。
1）事實表
在ER模型中抽象出了有實體、關系、屬性三種類別，在現(xiàn)實世界中，每一個操作型事件，基本都是發(fā)生在實體之間的，伴隨著這種操作事件的發(fā)生，會產(chǎn)生可度量的值，而這個過程就產(chǎn)生了一個事實表，存儲了每一個可度量的事件。
以電商行業(yè)為例：電商場景：一次購買事件，涉及主體包括客戶、商品、商家，產(chǎn)生的可度量值 包括商品數(shù)量、金額、件數(shù)等。
事實表根據(jù)粒度的角色劃分不同，可分為事務事實表、周期快照事實表、累積快照事實表。注意：這里需要值得注意的是，在事實表的設計時，一定要注意一個事實表只能有一個粒度，不能將不同粒度的事實建立在同一張事實表中。
- 事務事實表，用于承載事務數(shù)據(jù)，通常粒度比較低，它是面向事務的，其粒度是每一行對應一個事務，它是最細粒度的事實表，例如產(chǎn)品交易事務事實、ATM交易事務事實。
- 周期快照事實表，按照一定的時間周期間隔(每天，每月)來捕捉業(yè)務活動的執(zhí)行情況，一旦裝入事實表就不會再去更新，它是事務事實表的補充。用來記錄有規(guī)律的、固定時間間隔的業(yè)務累計數(shù)據(jù)，通常粒度比較高，例如賬戶月平均余額事實表。
- 累積快照事實表，用來記錄具有時間跨度的業(yè)務處理過程的整個過程的信息，每個生命周期一行，通常這類事實表比較少見。
2）維度表
維度，顧名思義，業(yè)務過程的發(fā)生或分析角度。比如從顏色、尺寸的角度來比較手機的外觀，從cpu、內(nèi)存等較比比較手機性能維。維度表一般為單一主鍵，在ER模型中，實體為客觀存在的事物，會帶有自己的 描述性屬性，屬性一般為文本性、描述性的，這些描述被稱為維度。
比如商品，單一主鍵：商品ID，屬性包括產(chǎn)地、顏色、材質、尺寸、單價等， 但并非屬性一定是文本，比如單價、尺寸，均為數(shù)值型描述性的，日常主要的維度抽象包括：時間維度表、地理區(qū)域維度表等。
案例：某電商平臺，經(jīng)常需要對訂單進行分析，以某寶的購物訂單為例，以維度建 模的方式設計該模型
涉及到事實表為訂單表、訂單明細表，維度包括商品維度、用戶維度、商家維度、區(qū)域維 度、時間維度。
- 商品維度：商品ID、商品名稱、商品種類、單價、產(chǎn)地等。
- 用戶維度：用戶ID、姓名、性別、年齡、常住地、職業(yè)、學歷等。
- 時間維度：日期ID、日期、周幾、上/中/下旬、是否周末、是否假期等圖片。
維度分為：
① 退化維度（DegenerateDimension）
在維度類型中，有一種重要的維度稱作為退化維度，亦維度退化一說。這種維度指的是直接把一些簡單的維度放在事實表中。退化維度是維度建模領域中的一個非常重要的概念，它對理解維度建模有著非常重要的作用，退化維度一般在分析中可以用來做分組使用。
② 緩慢變化維（Slowly Changing Dimensions）
維度的屬性并不是始終不變的，它會隨著時間的流逝發(fā)生緩慢的變化，這種隨時間發(fā)生變化的維度我們一般稱之為緩慢變化維（SCD）。比如員工表中的部門維度，員工的所在部門有可能兩年后調(diào)整一次。
3）維度建模模型的分類
維度建模按數(shù)據(jù)組織類型劃分可分為星型模型、雪花模型、星座模型。
① 星型模型
星型模型主要是維表和事實表，以事實表為中心，所有維度直接關聯(lián)在事實表上，呈星型分布。
② 雪花模型
雪花模型，在星型模型的基礎上，維度表上又關聯(lián)了其他維度表。這種模型維護成本高，性能方面也較差，所以一般不建議使用。尤其是基于hadoop體系構建數(shù)倉，減少join就是減少shuffle，性能差距會很大。
尖叫提示：所以由上可以看出：
- 星型模型和雪花模型主要區(qū)別就是對維度表的拆分。
- 對于雪花模型，維度表的涉及更加規(guī)范，一般符合3NF，有效降低數(shù)據(jù)冗余，維度表之間不會相互關聯(lián)。
- 星型模型，一般采用降維的操作，反規(guī)范化，不符合3NF,利用冗余來避免模型過于復雜，提高易用性和分析效率，效率相對較高。
③ 星座模型
星座模型，是對星型模型的擴展延伸，多張事實表共享維度表。數(shù)倉模型建設后期，大部分維度建模都是星座模型。
4）維度建模步驟
維度建模步驟：選擇業(yè)務過程->聲明粒度->確定維度->確定事實。旨在重點解決數(shù)據(jù)粒度、維度設計和事實表設計問題。
聲明粒度，為業(yè)務最小活動單元或不同維度組合。以共同粒度從多個組織業(yè)務過程合并度量的事實表稱為合并事實表，需要注意的是，來自多個業(yè)務過程的事實合并到合并事實表時，它們必須具有同樣等級的粒度。
3、DataVault模型
Data Vault是Dan Linstedt發(fā)起創(chuàng)建的一種模型方法論，Data Vault是在ER模型的基礎上衍生而來，模型設計的初衷是有效的組織基礎數(shù)據(jù)層，使之易擴展、靈活的應對業(yè)務的變化，同時強調(diào)歷史性、可追溯性和原子性，不要求對數(shù)據(jù)進行過度的一致性處理。同時設計的出發(fā)點也是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合，并非為數(shù)據(jù)決策分析直接使用。
Data Vault模型是一種中心輻射式模型，其設計重點圍繞著業(yè)務鍵的集成模式。這些業(yè)務鍵是存儲在多個系統(tǒng)中的、針對各種信息的鍵，用于定位和唯一標識記錄或數(shù)據(jù)。
Data Vault模型包含三種基本結構 ：
- 中心表-Hub ：唯一業(yè)務鍵的列表，唯一標識企業(yè)實際業(yè)務，企業(yè)的業(yè)務主體集合。
- 鏈接表-Link：表示中心表之間的關系，通過鏈接表串聯(lián)整個企業(yè)的業(yè)務關聯(lián)關系。
- 衛(wèi)星表- Satellite：歷史的描述性數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)倉庫中數(shù)據(jù)的真正載體。
1）中心表-Hub
2）鏈接表-Link
3）衛(wèi)星表- Satellite
4）Data Vault模型建模流程
- 梳理所有主要實體
- 將有入邊的實體定義為中心表
- 將沒有入邊切僅有一個出邊的表定義為中心表
- 源苦衷沒有入邊且有兩條或以上出邊的表定義為連接表
- 將外鍵關系定義為鏈接表
尖叫提示：Hub想像成人體的骨架，那么Link就是連接骨架的韌帶組織， 而satelite就是骨架上的血肉。Data Vault是對ER模型更近一步的規(guī)范化，由于對數(shù)據(jù)的拆解和更偏向于基礎數(shù)據(jù)組織，在處理分析類場景時相對復雜， 適合數(shù)倉低層構建，目前實際應用場景較少。
4、Anchor模型
Anchor是對Data Vault模型做了更近一步的規(guī)范會處理，初衷是為了 設計高度可擴展的模型，核心思想是所有的擴張只添加而不修改，于 是設計出的模型基本變成了k-v結構的模型，模型范式達到了6NF。
由于過度規(guī)范化，使用中牽涉到太多的join操作，目前木有實際案例，僅作了解。
四種模型總結
以上為四種基本的建模方法，當前主流建模方法為：ER模型、維度模型。
1）ER模型常用于OLTP數(shù)據(jù)庫建模，應用到構建數(shù)倉時更偏重數(shù)據(jù)整合，站在企業(yè)整體考慮，將各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)按相似性一致性、合并處理，為數(shù)據(jù)分析、決策服務，但并不便于直接用來支持分析。
缺陷：需要全面梳理企業(yè)所有的業(yè)務和數(shù)據(jù)流，周期長，人員要求高。
2）維度建模是面向分析場景而生，針對分析場景構建數(shù)倉模型；重點關注快速、靈活的解決分析需求，同時能夠提供大規(guī)模數(shù)據(jù)的快速響應性能。針對性強，主要應用于數(shù)據(jù)倉庫構建和OLAP引擎低層數(shù)據(jù)模型。
優(yōu)點：不需要完整的梳理企業(yè)業(yè)務流程和數(shù)據(jù)，實施周期根據(jù)主題邊界而定，容易快速實現(xiàn)demo。
3）數(shù)倉模型的選擇是靈活的，不局限于某一種模型方法。
4）數(shù)倉模型的設計也是靈活的，以實際需求場景為導向。
5）模型設計要兼顧靈活性、可擴展，而對終端用戶透明性。
6）模型設計要考慮技術可靠性和實現(xiàn)成本。
常用建模工具
建模工具，一般企業(yè)以Erwin、powerdesigner、visio，甚至Excel等為主。也有些企業(yè)自行研發(fā)工具，或使用阿里等成熟套裝組件產(chǎn)品。
本文名稱：實例剖析四種數(shù)據(jù)倉庫的建模方法
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