在数据驱动的时代，数据库技术不断创新，推动着大规模、高性能分析需求的满足。ClickHouse Cloud作为知名的云数据分析平台，最近宣布实现了计算层完全无状态化，即无须依赖任何本地磁盘存储，这标志着云数据库架构迈入了一个全新的阶段。无状态计算的创新不仅解放了计算资源，也大幅提升了系统的弹性和容错能力。本文将详细介绍ClickHouse Cloud无状态计算的架构演进、关键技术和带来的深远影响。 ClickHouse最初采用了典型的共享无结构架构（shared-nothing architecture），计算与存储耦合紧密。每个节点负责本地的数据存储与访问，数据通过分片方式横向扩展。
这个设计虽适合小规模集群，但在云环境下面临诸多挑战，比如节点扩缩容受限、本地存储依赖导致系统重启恢复缓慢等。 随着需求增长，ClickHouse逐步拆解本地存储依赖。首要突破点是实现元数据与数据的分离。元数据涉及数据库及表的定义、DDL操作等，而数据则包含实际存储的表数据。为了实现更好的弹性伸缩，ClickHouse提出了SharedMergeTree表引擎，配合Replicated数据库引擎，将数据及元数据分别存放于云端对象存储和分布式协调服务。这一分层结构为后续的无状态计算奠定了基础。
在数据存储层面，SharedMergeTree表引擎脱离了本地磁盘，将表数据存放于持久化的云对象存储。为了克服对象存储的高访问延迟，ClickHouse Cloud引入了本地文件系统缓存和操作系统页缓存，极大提升了数据读取的效率，保障查询性能。此外，为了扩展弹性，后来还发展出分布式缓存系统，将热点数据缓存在网络层，避免了之前局限于单节点缓存带来的性能瓶颈。 然而，要实现真正的无状态计算，元数据管理是关键瓶颈，早期的Replicated引擎仍存储元数据于本地磁盘，且依赖手动初始化新节点。为彻底打破对本地磁盘的依赖，ClickHouse引入了全新的Shared数据库引擎及Shared Catalog共享目录。Shared Catalog通过集中化、版本化管理所有的数据库和表定义，使得计算节点启动时仅需从中央元数据服务加载最新状态，无需本地磁盘同步，节省了大量的启动时间和操作复杂度。
Shared Catalog的核心是在分布式协调服务Keeper上构建具备多版本控制和线性一致性保证的全局状态。所有DDL操作以多写事务形式提交，并通过精细化的对象版本控制实现冲突检测与并发协调，避免了传统全局锁带来的性能瓶颈。计算节点通过后台监听机制实时同步元数据变更，确保所有节点拥有一致且最新的目录信息。 这种设计还引入了对象的生命周期管理，将元数据对象划分为多个阶段，包括意图创建、已创建、计划删除、删除中和已分离等状态。生命周期机制极大提升了删除的可靠性和恢复能力，支持软删除和表格撤销（UNDROP）操作，避免了数据被意外丢弃的风险。此外，它还使得原本复杂的跨数据库重命名与原子创建表插入操作得以优雅实现，提升了整体的数据操作体验。
无状态计算架构还因其高速启动和弹性扩展能力而引人瞩目。传统数据库节点因需预加载本地状态信息，启动缓慢，且扩容受限。ClickHouse Cloud中，节点“轻巧”到只依赖CPU与内存，不承担任何持久化存储责任，从而支持用户根据负载即时弹性扩展或缩减。节点可快速上线，执行查询后即自动消失，大幅降低了资源浪费并推动了真正意义上的按需数据库服务。 此外，ClickHouse Cloud的无状态设计不仅局限于本地原生表，也支持对接外部开放数据格式诸如Iceberg和Delta Lake。这得益于Shared Catalog与DataLakeCatalog引擎的紧密耦合，使得无状态计算节点能直接访问云端数据湖中的表元信息，结合分布式缓存和用户态页缓存，实现对数据湖的高性能、低延迟查询。
整体来看，ClickHouse Cloud的无状态计算架构实现了以下重要价值。首先是极致的弹性和可伸缩性，计算节点不依赖本地存储，能够快速启动和关闭，满足动态计算需求。其次大幅提升了系统可靠性，弃用了对单节点存储和存储协调的依赖，避免节点故障导致的元数据不一致或任务卡顿。第三是丰富的新DDL功能支持，包括支持跨数据库重命名、无害撤销删除及原子插入选择等复杂操作。最后是对于开放数据格式与多云环境的全面兼容，提升了平台的开放性和灵活性。 这场无盘革命不仅是技术层面的革新，更引领数据库服务向云原生和无服务器化方向迈进。
用户将体验到无需考虑服务器配置和状态同步的便捷，只需关注数据和查询本身。未来，随着ClickHouse持续丰富无状态体系及自动化能力，或将实现真正的按需弹性数据仓库，快速响应瞬息万变的业务需求。 回顾ClickHouse Cloud无状态计算的演进历程，可以看到其逐步剥离本地依赖、分离元数据与数据存储、优化缓存策略以及最终构建共享元数据目录的清晰路线。每一步技术突破都旨在解决云环境下的弹性、扩展性和操作便捷性难题。如今，凭借强大的Shared Catalog和新一代表引擎，ClickHouse Cloud已实现了无状态计算的完美架构，为现代数据分析提供了极致高效、弹性强劲且易用的底层基础。 整体而言，ClickHouse Cloud无盘架构完美诠释了现代云数据库设计理念，既保障了数据的高可靠性和查询性能，又达到了前所未有的灵活性和快速响应能力。
对于希望在多云环境中构建高效数据分析方案的用户，这一架构代表着理想的技术范式。未来，伴随着云计算和数据湖技术的不断融合，ClickHouse Cloud无状态计算将持续发挥巨大优势，推动大数据分析进入新的发展阶段。
