Spark sql 解析原理

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引用:

Spark SQL架构和原理

Spark SQL 性能优化再进一步 CBO 基于代价的优化

Spark SQL join的三种实现方式

总结

  • 首先用户使用spark.sql 或者 select等api提交sql

  • 转化为未解析的逻辑计划

  • 转化为已解析的逻辑计划

  • 转化为优化后的逻辑计划

  • 转化为物理执行计划

  • 计算物理执行计划的开销模型,选择一个解析为RDD去执行

例子

以下以这个sql的解析为例:

SELECT sum(v)
FROM (
  SELECT score.id,
         100+80+ score.math_score + score.english_score AS v
  FROM people
  JOIN score
  ON people.id = score.id AND people.age >10
) tmp

未解析逻辑计划

为什么叫未解析?

它完全不知道表的大小,表的schema,选取的字段类型也不知道

上面sql解析的图为

image-20201119133723328.png

image-20201119134936104.png

从上图来看,它甚至连别名都没有

==ParsedLogicalPlan==
'Project [unresolvedalias('sum('v), None)]
+- 'SubqueryAlias tmp
+-'Project ['score.id,(((100+80)+'score.math_score) + 'score.english_score) AS v#493]
+-'Filter (('people.id ='score.id) && ('people.age >10))
+-'Join Inner
:- 'UnresolvedRelation`people`
+-'UnresolvedRelation `score`

以上为控制台打出的执行计划

已解析执行计划

image-20201119134936104.png

这一步将我们上一步提到的:数据类型,表的schema,表的来源地址,用户未加上的别名

==AnalyzedLogicalPlan==
sum(v): bigint
Aggregate[sum(cast(v#493 as bigint)) AS sum(v)#504L]
+-SubqueryAlias tmp
+-Project[id#500, (((100 + 80) + math_score#501) + english_score#502) AS v#493]
+-Filter((id#496 = id#500) && (age#497 > 10))
+-JoinInner
:-SubqueryAlias people
:+-HiveTableRelation`jason`.`people`, org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe,[id#496, age#497, name#498]
+-SubqueryAlias score
+-HiveTableRelation`jason`.`score`, org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe,[id#500, math_score#501, english_score#502]

虽然以上的执行计划已经可以解析为物理执行计划了,但是由于sql的水平不一样,并且也不希望程序员把精力放在这些基本的优化项上,所以还有一步优化的过程。减少低效率sql带来的性能消耗。

优化执行计划

常见的优化策略

  • 谓词下推

    比如以上sql是先join再过滤,那么需要将过滤放到join前面。注意以上的图中过滤都在join的前面

    如果另一张表没有过滤条件,默认过滤不为空的数据。

    Tips:写sql的时候注意处理null值得关联,可以使用COALESCE给nul值改一个特殊内容

image-20201119140443296.png
  • 常量合并

    比如上图中100+80这个运算,如果一直不合并得话,每次都要计算消耗cpu资源,所以提前计算为180

    如果有一亿条记录,就会计算一亿次 100 + 80

image-20201119140945103.png
  • 列裁剪

    比如上图,连接条件只有people.id = score.id和pepolple.age > 10,如果不处理,就需要将所有的字段加载入内存,那就太浪费内存了。

    甚至有些表是50到上百的字段,每个字段都特别大。

image-20201119141218070.png

以上优化后的执行计划

==OptimizedLogicalPlan==
Aggregate[sum(cast(v#493 as bigint)) AS sum(v)#504L]
+-Project[((180+ math_score#501) + english_score#502) AS v#493]
+-JoinInner,(id#496 = id#500)
:-Project[id#496]
:+-Filter((isnotnull(age#497) && (age#497 > 10)) && isnotnull(id#496))
:+-HiveTableRelation`jason`.`people`, org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe,[id#496, age#497, name#498]
+-Filter isnotnull(id#500)
+-HiveTableRelation`jason`.`score`, org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe,[id#500, math_score#501, english_score#502]

物理执行计划

逻辑执行计划是不能在机器上执行,比如程序员写的代码最终是要解释为0,1,机器才能执行的。

这一步主要告诉机器用什么方式执行逻辑图,比如:

JOIN: 广播join,hash join ,shuffle join

Aggreate: 基于排序的聚合,基于hash的聚合,预聚合

![image-20201119143445837.png](https://upload-images.jianshu.io/upload_images/3345015-8a71b67a770340ff.png?imageMogr2/auto-orient/strip%7CimageView2/2/w/1240)

本文的优化是基于RBO的优化,即基于规则的优化。spark高版本中还有CBO优化,写到这里休息一会。由于上面提高物理执行计划join的分类,聚合的分类。

所以把它们一起总结了,方便查看。我只是伸手党,要理解还是要去看源码的。

物理执行计划基于CBO的优化

image-20201119143445837.png

我重新把架构图放下来方便查看,接下来我们要阐述下图中CBO的部分

CBO会将执行计划树转化为代价树,汇总计算总代价。会产生多个模型,从中选取一个最好的。

image-20201119144826626.png

常见的代价计算

  • 由于源头输入数据的分布情况与大小带来的处理代价
  • 算子本身的执行代价
  • 中间算子输出数据对下一步的影响

计算代价后的选择

  • join方式的选择
  • Build侧选择
  • join顺序

所以总结以下,代价主要从数据分布和算子本身去考虑

  • 怎么知道数据的分布呢?

在sparkshell控制台使用命令,当然我认为我们也是可以使用其他工具去处理

spark-sql> ANALYZE TABLE customer COMPUTE STATISTICS FOR COLUMNS c_customer_sk,c_customer_id,c_current_cdemo_sk,c_current_hdemo_sk,c_current_addr_sk,c_first_shipto_date_sk,c_first_sales_date_sk,c_salutation,c_first_name,c_last_name,c_preferred_cust_flag,c_birth_day,c_birth_month,c_birth_year,c_birth_country,c_login,c_email_address,c_last_review_date;
Time taken: 125.624 seconds

spark-sql> desc extended customer c_customer_sk;
col_name       c_customer_sk
data_type      bigint
comment NULL
min     1
max     280000
num_nulls      0
distinct_count 274368
avg_col_len    8
max_col_len    8
histogram       height: 1102.3622047244094, num_of_bins: 254
bin_0   lower_bound: 1.0, upper_bound: 1090.0, distinct_count: 1089
bin_1   lower_bound: 1090.0, upper_bound: 2206.0, distinct_count: 1161
bin_2   lower_bound: 2206.0, upper_bound: 3286.0, distinct_count: 1124

...

bin_251 lower_bound: 276665.0, upper_bound: 277768.0, distinct_count: 1041
bin_252 lower_bound: 277768.0, upper_bound: 278870.0, distinct_count: 1098
bin_253 lower_bound: 278870.0, upper_bound: 280000.0, distinct_count: 1106
  • 算子的代价估算
  Cost = rows * weight + size * (1 - weight)
  Cost = CostCPU * weight + CostIO * (1 - weight)

其中 rows 即记录行数代表了 CPU 代价,size 代表了 IO 代价。weight 由 spark.sql.cbo.joinReorder.card.weight 决定,其默认值为 0.7。

Build侧选择

join的实现方式大致分为两种:

  • 使用hash去join,相同的字符串的hash值一定是相同的,所以就可以将一张表做hash表,另一张表去执行hash函数查找对应的行进行合并

  • 使用排序去join,两张表排序,然后按顺序去扫描数据连接,使用过的就可以丢掉

从第一点提到hash表,那么从那一张表中去生成hash表呢?第一反应就是小表,但是小表也可能会经过一些操作后再连接时,它已经是一个小表了。

在这种情况下,反而初始的大表变成了小表。这节的标题就是这个意思。

如图:

image-20201119145940869.png

经过检测后处理为下面的情况

image-20201119150144243.png

Join的顺序

一些sql由于业务逻辑和思维习惯的问题,会形成一个左深树,不能并行的sql.但是其实它是可以并行关联后再进行合并的,而且一些join是可以提前的类似于数学的交换律。
如下图:


image-20201119151120001.png

优化后

image-20201119151148134.png

优化join类型

SparkSQL的执行流程从提交到计算代价模型就差不多阐述完了,其实还有几点没有说。

1.怎么从物理计划中选择

2.物理计划怎么转化为RDD的

以上我都没找到,希望大家在下面留言告诉我谢谢

最后补充下Join的类型与 聚合的类型,这个也是在优化中spark选择的。

JOIN类型

主要分为两大类,三小类。

Hash Join

将其中一张表构建为hash表,然后另一张表使用同样的hash函数去寻找相同的行合并

至于那一张去做hash表,参考上面。原则上是小表,但是也可能会出现大表在经历一系列的操作时反而变成了小表

  • Broadcast Hash join

    顾名思义,即把小表构建成hash表广播出去

  • Shuffle Hash join

    通过shuffle的方式重新分区数据,保证相同的key都在一个分区(这里的意思不是一个分区只有一个key,是多个key),然后在相同的分区上进行Hash join

以上两种方式,第一种适用于小表join大表,第二种适用于普通表join大表

Sort Join

基于排序join,首先shuffle将相同的key放到相同的分区下,然后排序。开始扫描,相同合并,不相同考虑保留那一边,即用即丢。

聚合类型

其实也是类似的

  • 基于排序的

  • 基于Hashmap的

    注意这里Map是spark自己实现的,不是java的,它裁剪了一些没有用的功能

  • 预聚合

    在map端聚合,比如:RedueByKey

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