什么是Kylin
Apache Kylin是一个开源的、分布式的分析型数据仓库,提供Hadoop/Spark 之上的 SQL 查询接口及多维分析(OLAP)能力以支持超大规模数据,最初由 eBay 开发并贡献至开源社区。它能在亚秒内查询巨大的表。
Kylin的查询高性能主要依赖于Cube理论,如图1所示:
图1 Cube理论
它将表字段划分为维度和量度,通过预先计算,在维度上进行量度聚合并保存聚合结果,而根据维度进行聚合查询时,则可以命中已保存的聚合结果,大大减少数据扫描量和实时计算量。
Kylin的系统架构如图2所示:
图2 Kylin架构
它依赖大数据基础设施HBase、Spark、Hadoop等实现分布式的存储和计算,并基于这些基础设施,设计了构建引擎和查询引擎来分别实现数据的构建和查询。在查询引擎部分,Kylin使用了Calcite来实现SQL的解析、优化和执行。
什么是Calcite
Calcite是一个用于优化异构数据源的查询处理的基础框架,提供了标准的 SQL 语言、多种查询优化和连接各种数据源的能力。从功能上看,它支持SQL 解析、SQL 校验、SQL 查询优化、SQL 生成、数据连接查询等,但不包括数据处理和存储。Calcite的架构如图3所示:
图3 Calcite架构
数据处理和存储系统提供元数据和规则至Calcite,Calcite提供JDBC Server面向客户端查询,并对SQL查询请求进行处理,在Calcite中,一个SQL的解析和执行大概经过以下5个步骤:
- 将SQL解析成抽象语法树;
- 对抽象语法树进行校验;
- 将抽象语法树解析成关系代数表达式;
- 对关系代数表达式进行优化,在保持语义不变的前提下,转化为较优的表达式;
- 将优化后关系代数表达式转化为物理执行计划并计划,返回最终的结果。
目前Calcite在大数据和数据存储领域有着广泛的使用,如表1所示:
表1 Calcite在大数据领域的使用
Kylin、Phoenix、Hive、Flink等均使用Calcite实现JDBC驱动、SQL解析、SQL校验、SQL 查询优化等。
Kylin查询源码分析
数据模型
在源码分析时,我们使用Kylin的官方数据模型示例,如图4所示:
图4 Kylin官方数据模型示例
该雪花模型包含以下5张表:
- KYLIN_SALES,销售事实表;
- KYLIN_ACCOUNT,用户维度表;
- KYLIN_CAL_DT,日期维度表;
- KYLIN_CATEGORY_GROUPING,类别维度表
- KYLIN_COUNTR,国家维度表。
示例SQL如下所示:
SQL
select s.lstg_site_id,sum(s.price) as price_sum from kylin_sales as s inner join kylin_account as a on s.buyer_id = a.account_id where a.account_country='US' group by s.lstg_site_id order by price_sum desc limit 10
用于查询各站点来自美国消费者的销售额。
入口
Kylin支持多种查询入口,包括WEB控制台、REST API、JDBC驱动、ODBC驱动等。这里介绍了一下JDBC驱动的实现。
当客户端使用JDBC接口访问时,加载的JDBC驱动是org.apache.kylin.jdbc.Driver,这里,Kylin使用了JDBC驱动框架Avatica,Driver即继承自org.apache.calcite.avatica.UnregisteredDriver,覆盖了getFactoryClassName方法,如下所示:
Java
@Override
protected String getFactoryClassName(JdbcVersion jdbcVersion) {
switch (jdbcVersion) {
case JDBC_30:
throw new UnsupportedOperationException();
case JDBC_40:
return KylinJdbcFactory.Version40.class.getName();
case JDBC_41:
default:
return KylinJdbcFactory.Version41.class.getName();
}
}
该段代码说明仅支持JDBC 4.0即以上版本协议,并返回了相应的工厂类。工厂类KylinJdbcFactory实现了AvaticaFactory接口,用于创建JDBC相关接口实例,部分代码如下:
Java
@Override
public AvaticaStatement newStatement(AvaticaConnection connection, StatementHandle h, int resultSetType, int resultSetConcurrency, int resultSetHoldability) throws SQLException {
return new KylinStatement((KylinConnection) connection, h, resultSetType, resultSetConcurrency, resultSetHoldability);
}
@Override
public AvaticaResultSet newResultSet(AvaticaStatement statement, QueryState state, Signature signature, TimeZone timeZone, Frame firstFrame) throws SQLException {
AvaticaResultSetMetaData resultSetMetaData = new AvaticaResultSetMetaData(statement, null, signature);
return new KylinResultSet(statement, state, signature, resultSetMetaData, timeZone, firstFrame);
}
该段代码说明JDBC相关接口的实现是在Avatica框架实现基础的进一步继承和扩展,例如,ResultSet接口实现是KylinResultSet,其是AvaticaResultSet的子类,KylinResultSet主要覆盖了AvaticaResultSet的execute方法,该方法的核心代码如下所示:
Java
KylinConnection connection = (KylinConnection) statement.connection;
IRemoteClient client = connection.getRemoteClient();
Map<String, String> queryToggles = new HashMap<>();
int maxRows = statement.getMaxRows();
queryToggles.put("ATTR_STATEMENT_MAX_ROWS", String.valueOf(maxRows));
addServerProps(queryToggles, connection);
QueryResult result;
try {
result = client.executeQuery(sql, paramValues, queryToggles);
} catch (IOException e) {
throw new SQLException(e);
}
该段代码说明获取IRemoteClient实例,执行executeQuery方法返回查询结果,而从IRemoteClient的实现KylinClient中的代码可以看到,其实质上是调用kylin-server模块的REST API "kylin/api/query"来实现查询。
那具体看一下该API的服务端,略过Controller层、缓存命中、注释删除等环节,查询代码在org.apache.kylin.rest.service.QueryService的executeRequest方法中,如下所示:
Java
Pair<List<List<String>>, List<SelectedColumnMeta>> r = null;
try {
stat = conn.createStatement();
processStatementAttr(stat, sqlRequest);
resultSet = stat.executeQuery(correctedSql);
r = createResponseFromResultSet(resultSet);
} catch (SQLException sqlException) {
r = pushDownQuery(sqlRequest, correctedSql, conn, sqlException);
if (r == null)
throw sqlException;
isPushDown = true;
} finally {
close(resultSet, stat, null); //conn is passed in, not my duty to close
}
该段代码仍是基于JDBC接口,而connection通过org.apache.kylin.query.QueryConnection的getConnection方法创建,代码如下所示:
Java
if (!isRegister) {
try {
Class<?> aClass = Thread.currentThread().getContextClassLoader()
.loadClass("org.apache.calcite.jdbc.Driver");
Driver o = (Driver) aClass.getDeclaredConstructor().newInstance();
DriverManager.registerDriver(o);
} catch (ClassNotFoundException | InstantiationException | IllegalAccessException | NoSuchMethodException | InvocationTargetException e) {
e.printStackTrace();
}
isRegister = true;
}
File olapTmp = OLAPSchemaFactory.createTempOLAPJson(project, KylinConfig.getInstanceFromEnv());
Properties info = new Properties();
info.putAll(KylinConfig.getInstanceFromEnv().getCalciteExtrasProperties());
// Import calcite props from jdbc client(override the kylin.properties)
info.putAll(BackdoorToggles.getJdbcDriverClientCalciteProps());
info.put("model", olapTmp.getAbsolutePath());
info.put("typeSystem", "org.apache.kylin.query.calcite.KylinRelDataTypeSystem");
return DriverManager.getConnection("jdbc:calcite:", info);
其加载的JDBC驱动是org.apache.calcite.jdbc.Driver,说明后续基于Calcite进行SQL解析、校验、优化和执行。这里,通过Calcite标准的model字段传入元数据描述文件
元数据
元数据描述文件示例如下所示:
JSON
{
"version": "1.0",
"defaultSchema": "DEFAULT",
"schemas": [
{
"type": "custom",
"name": "DEFAULT",
"factory": "org.apache.kylin.query.schema.OLAPSchemaFactory",
"operand": {
"project": "learn_kylin"
},
"functions": [
{
name: 'PERCENTILE',
className: 'org.apache.kylin.measure.percentile.PercentileAggFunc'
},
{
name: 'CONCAT',
className: 'org.apache.kylin.query.udf.ConcatUDF'
},
{
name: 'MASSIN',
className: 'org.apache.kylin.query.udf.MassInUDF'
},
{
name: 'INTERSECT_COUNT',
className: 'org.apache.kylin.measure.bitmap.BitmapIntersectDistinctCountAggFunc'
},
{
name: 'VERSION',
className: 'org.apache.kylin.query.udf.VersionUDF'
},
{
name: 'PERCENTILE_APPROX',
className: 'org.apache.kylin.measure.percentile.PercentileAggFunc'
}
]
}
]
}
OLAPSchemaFactory类实现了Calcite的SchemaFactory接口,创建OLAPSchema类实例,而OLAPSchema类则通过读取HBase上存储的元数据信息生成OLAPTable类的Map集合,代码如下所示:
Java
public Map<String, Table> getTableMap() {
return buildTableMap();
}
OLAPTable类实现了Calcite的QueryableTable和TranslatableTable接口(这两个接口均继承自Table接口),用于描述表,其中比较重要的几个方法如下所示:
Java
public RelDataType getRowType(RelDataTypeFactory typeFactory) {
if (this.rowType == null) {
// always build exposedColumns and rowType together
this.sourceColumns = getSourceColumns();
this.rowType = deriveRowType(typeFactory);
}
return this.rowType;
}
该方法在Table接口中定义,用于获取表字段信息,Kylin除了按Calcite定义返回RelDataType类型的字段信息,也会按自身定义保存ColumnDesc类型的字段集合,其中包含维度信息,用于后续执行物理查询时判断从哪些Cuboid扫描数据。
Java
public Statistic getStatistic() {
List<ImmutableBitSet> keys = new ArrayList<ImmutableBitSet>();
return Statistics.of(100, keys);
}
该方法在Table接口中定义,用于获取表的行数等统计信息,在CBO方式的优化中计算成本,但是Kylin存储引擎统计的是各Cuboid的统计信息,所以这里统一返回固定值。
Java
@Override
public RelNode toRel(ToRelContext context, RelOptTable relOptTable) {
int fieldCount = relOptTable.getRowType().getFieldCount();
int[] fields = identityList(fieldCount);
return new OLAPTableScan(context.getCluster(), relOptTable, this, fields);
}
该方法在TranslatableTable接口中定义,说明在优化过程中,扫描表数据的关系表达式节点会转化为OLAPTableScan类实例,关于OLAPTableScan类会在后续优化、执行过程中再介绍。
同时,OLAPTable还有一些方法用于返回Enumerable接口实例(也就是Kylin实现的OLAPQuery类),如下所示:
Java
public Enumerable<Object[]> executeOLAPQuery(DataContext optiqContext, int ctxSeq) {
return new OLAPQuery(optiqContext, EnumeratorTypeEnum.OLAP, ctxSeq);
}
public Enumerable<Object[]> executeLookupTableQuery(DataContext optiqContext, int ctxSeq) {
return new OLAPQuery(optiqContext, EnumeratorTypeEnum.LOOKUP_TABLE, ctxSeq);
}
public Enumerable<Object[]> executeColumnDictionaryQuery(DataContext optiqContext, int ctxSeq) {
return new OLAPQuery(optiqContext, EnumeratorTypeEnum.COL_DICT, ctxSeq);
}
public Enumerable<Object[]> executeHiveQuery(DataContext optiqContext, int ctxSeq) {
return new OLAPQuery(optiqContext, EnumeratorTypeEnum.HIVE, ctxSeq);
}
这些方法在执行物理查询时,Calcite会通过反射进行调用,获取OLAPQuery类,实际的数据扫描委托给OLAPQuery完成,关于OLAPQuery类会在后续优化、执行过程中再介绍。
解析
查询请求传递到服务端,并在服务端执行stat.executeQuery(correctedSql)后,会进入具体的查询流程,首先进行SQL的解析。Calcite的语法解析是基于JavaCC实现的。JavaCC是一个语法解析器生成框架, 其根据预先定义的规则生成相应的解析器代码。Calcite的语法解析规则是calcite-core中的codegen/templates/Parser.jj,根据其生成的解析器类是org.apache.calcite.sql.parser.impl. SqlParserImpl。调用该类实例解析SQL生成抽象语法树(即SqlNode)的代码在CalcitePrepareImpl中,如下所示:
Java
SqlParser parser = createParser(query.sql, parserConfig);
SqlNode sqlNode;
try {
sqlNode = parser.parseStmt();
statementType = getStatementType(sqlNode.getKind());
} catch (SqlParseException e) {
throw new RuntimeException(
"parse failed: " + e.getMessage(), e);
}
示例SQL经过解析得到的抽象语法树如图5所示:
图5 SQL经过解析得到的抽象语法树
树中的每个节点是SqlNode子类实例。
校验
抽象语法树通过SqlValidatorImpl类的validate方法进行校验,校验的细节此处暂不展开,仅列出校验的主要步骤包括:
- 对抽象语法树根节点进行标准化重写,在保持语义的前提下,将SqlOrderBy、SqlDelete、SqlUpdate、SqlMerge等类型节点重写为SqlSelect类型节点;
- 调用各节点的validate方法进行校验。
代码如下:
Java
SqlNode outermostNode = performUnconditionalRewrites(topNode, false);
cursorSet.add(outermostNode);
top = outermostNode;
TRACER.trace("After unconditional rewrite: {}", outermostNode);
if (outermostNode.isA(SqlKind.TOP_LEVEL)) {
registerQuery(scope, null, outermostNode, outermostNode, null, false);
}
outermostNode.validate(this, scope);
所以,上一步的抽象语法树经过校验会转化为下图:
图6 校验后的抽象语法树
关系代数表达式
校验后的抽象语法树通过SqlToRelConverter 类的convertQueryRecursive方法进一步解析成关系代数表达式。这个方法代码如下所示:
Java
final SqlKind kind = query.getKind();
switch (kind) {
case SELECT:
return RelRoot.of(convertSelect((SqlSelect) query, top), kind);
case INSERT:
return RelRoot.of(convertInsert((SqlInsert) query), kind);
case DELETE:
return RelRoot.of(convertDelete((SqlDelete) query), kind);
case UPDATE:
return RelRoot.of(convertUpdate((SqlUpdate) query), kind);
case MERGE:
return RelRoot.of(convertMerge((SqlMerge) query), kind);
case UNION:
case INTERSECT:
case EXCEPT:
return RelRoot.of(convertSetOp((SqlCall) query), kind);
case WITH:
return convertWith((SqlWith) query, top);
case VALUES:
return RelRoot.of(convertValues((SqlCall) query, targetRowType), kind);
default:
throw new AssertionError("not a query: " + query);
从这个方法的命名就可以看出,方法内部是在递归调用,从抽象语法树根节点开始,根据其类型,分别调用对应的convertSelect、convertInsert、convertDelete、convertUpdate、convertMerge等方法,转化为RelNode类型实例(RelNode是关系代数表达式节点接口),而在这些方法内部,会对传入节点的子节点,根据其类型,再递归调用这些方法,从而将抽象语法树所有节点均转化为RelNode类型实例,并建立相互之间的关系。通过convertSelect方法具体转化SqlSelect类型节点的代码部分如下所示:
Java
convertFrom(
bb,
select.getFrom());
convertWhere(
bb,
select.getWhere());
final List<SqlNode> orderExprList = new ArrayList<>();
final List<RelFieldCollation> collationList = new ArrayList<>();
gatherOrderExprs(
bb,
select,
select.getOrderList(),
orderExprList,
collationList);
final RelCollation collation =
cluster.traitSet().canonize(RelCollations.of(collationList));
if (validator.isAggregate(select)) {
convertAgg(
bb,
select,
orderExprList);
} else {
convertSelectList(
bb,
select,
orderExprList);
}
if (select.isDistinct()) {
distinctify(bb, true);
}
convertOrder(
select, bb, collation, orderExprList, select.getOffset(),
select.getFetch());
其依次对from、where、groupBy、orderBy等子节点进行转化。最终,上一步的抽象语法树进行转化后得到下列关系代数表达式:
lua
LogicalSort(sort0=[$1], dir0=[DESC], fetch=[10])
LogicalAggregate(group=[{0}], PRICE_SUM=[SUM($1)])
LogicalProject(LSTG_SITE_ID=[$4], PRICE=[$5])
LogicalFilter(condition=[=($16, 'US')])
LogicalJoin(condition=[=($7, $13)], joinType=[inner])
OLAPTableScan(table=[[DEFAULT, KYLIN_SALES]], ctx=[], fields=[[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]])
OLAPTableScan(table=[[DEFAULT, KYLIN_ACCOUNT]], ctx=[], fields=[[0, 1, 2, 3, 4, 5]])
其根节点排序(LogicalSort),叶子节点是两张表的数据扫描(OLAPTableScan)
优化
在转化得到关系代数表达式后,会进一步对其进行优化,在保持语义不变的前提下,对表达式进行转化和调整以找到最优的表达式。优化器可以分为2类:
- 基于规则的优化器(Rule Based Optimizer,简称RBO):根据优化规则将一个关系表达式转化为另外一个关系表达式,同时原有表达式被放弃,经过一系列转化后生成最终表达式;
- 基于成本的优化器(Cost Based Optimizer,简称CBO):根据优化规则对关系表达式进行转换,同时原有表达式也会保留,经过一系列转化后生成多个表达式,之后计算每个表达式的成本,从中挑选成本最小的表达式作为最终表达式。
Calcite有两个优化器实现:
- HepPlanner: RBO的实现,按照规则进行匹配,直到达到次数限制或者遍历后无匹配规则;
- VolcanoPlanner: CBO 的实现,一直迭代各规则,直到找到成本最小的表达式。
Calcite的优化在Prepare类的optimize方法中,部分代码如下所示:
Java
final RelOptPlanner planner = root.rel.getCluster().getPlanner();
...
final Program program = getProgram();
final RelNode rootRel4 = program.run(
planner, root.rel, desiredTraits, materializationList, latticeList);
首先生成一个VolcanoPlanner类型的优化器实例,然后通过getProgram获取Program接口实例,并通过该接口的run方法执行优化。Program接口有多个实现,getProgram方法最终是通过Programs类的standard方法获取的SequenceProgram类实例,代码如下所示:
Java
return sequence(subQuery(metadataProvider),
new DecorrelateProgram(),
new TrimFieldsProgram(),
program1,
// Second planner pass to do physical "tweaks". This the first time
// that EnumerableCalcRel is introduced.
calc(metadataProvider));
也就是说,优化可划分为串行执行的5步,包括将子查询转化为Join操作、删除无用字段等,其中第三步是使用已创建的VolcanoPlanner类型优化器实例进行优化。关系代数表达式的叶子节点是OLAPTableScan类型,该类覆盖了RelNode的register方法,其中添加了Kylin扩展的多个规则,如下表所示:
类 | 说明 |
---|---|
OLAPToEnumerableConverterRule | 将RelNode类型节点转化为OLAPToEnumerableConverter类型节点 |
OLAPFilterRule | 将LogicalFilter类型节点转化为OLAPFilterRel类型节点 |
OLAPProjectRule | 将LogicalProject类型节点转化为OLAPProjectRel类型节点 |
OLAPAggregateRule | 将LogicalAggregate类型节点转化为OLAPAggregateRel类型节点 |
OLAPJoinRule | 将LogicalJoin 类型节点转化为 OLAPJoinRel或OLAPFilterRel类型节点 |
OLAPLimitRule | 将Sort类型节点转化为OLAPLimitRel类型节点 |
OLAPSortRule | 将Sort类型节点转化为OLAPSortRel类型节点 |
OLAPUnionRule | 将Union类型节点转化为OLAPUnionRel类型节点 |
OLAPWindowRule | 将Window类型节点转化为OLAPWindowRel类型节点 |
OLAPValuesRule | 将LogicalValues类型节点转化为OLAPValuesRel类型节点 |
同时,还删除了多个Calcite原生的规则,部分如下所示:
Java
// since join is the entry point, we can't push filter past join
planner.removeRule(FilterJoinRule.FILTER_ON_JOIN);
planner.removeRule(FilterJoinRule.JOIN);
// since we don't have statistic of table, the optimization of join is too cost
planner.removeRule(JoinCommuteRule.INSTANCE);
planner.removeRule(JoinPushThroughJoinRule.LEFT);
planner.removeRule(JoinPushThroughJoinRule.RIGHT);
// keep tree structure like filter -> aggregation -> project -> join/table scan, implementOLAP() rely on this tree pattern
planner.removeRule(AggregateJoinTransposeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(AggregateProjectMergeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(FilterProjectTransposeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(SortJoinTransposeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(JoinPushExpressionsRule.INSTANCE);
planner.removeRule(SortUnionTransposeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(JoinUnionTransposeRule.LEFT_UNION);
planner.removeRule(JoinUnionTransposeRule.RIGHT_UNION);
planner.removeRule(AggregateUnionTransposeRule.INSTANCE);
planner.removeRule(DateRangeRules.FILTER_INSTANCE);
planner.removeRule(SemiJoinRule.JOIN);
planner.removeRule(SemiJoinRule.PROJECT);
以此来保持表达式中的一些模式,便于后续物理执行计划的相关操作。经过上述优化后,关系表达式转化为如下结果:
css
OLAPLimitRel(ctx=[], fetch=[10])
OLAPSortRel(sort0=[$1], dir0=[DESC], ctx=[])
OLAPAggregateRel(group=[{0}], PRICE_SUM=[SUM($1)], ctx=[])
OLAPProjectRel(LSTG_SITE_ID=[$4], PRICE=[$5], ctx=[])
OLAPFilterRel(condition=[=($16, 'US')], ctx=[])
OLAPJoinRel(condition=[=($7, $13)], joinType=[inner], ctx=[])
OLAPTableScan(table=[[DEFAULT, KYLIN_SALES]], ctx=[], fields=[[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]])
OLAPTableScan(table=[[DEFAULT, KYLIN_ACCOUNT]], ctx=[], fields=[[0, 1, 2, 3, 4, 5]])
执行
最后是将关系代数表达式转化为实际物理执行计划,扫描HBase中的数据并返回结果,这里正在梳理过程中,可先参考官方推荐的文档www.jianshu.com/p/21df8303d...了解其原理,其中,会执行OLAPTableScan类的implement方法,如下所示:
Java
@Override
public Result implement(EnumerableRelImplementor implementor, Prefer pref) {
context.setReturnTupleInfo(rowType, columnRowType);
String execFunction = genExecFunc();
PhysType physType = PhysTypeImpl.of(implementor.getTypeFactory(), getRowType(), JavaRowFormat.ARRAY);
MethodCallExpression exprCall = Expressions.call(table.getExpression(OLAPTable.class), execFunction,
implementor.getRootExpression(), Expressions.constant(context.id));
return implementor.result(physType, Blocks.toBlock(exprCall));
}
public String genExecFunc() {
// if the table to scan is not the fact table of cube, then it's a lookup table
if (context.realization.getModel().isLookupTable(tableName)) {
return "executeLookupTableQuery";
} else if (DictionaryEnumerator.ifDictionaryEnumeratorEligible(context)) {
return "executeColumnDictionaryQuery";
} else {
return "executeOLAPQuery";
}
}
通过反射调用OLAPQuery类的相关方法,这些方法在之前介绍元数据时曾提及,其均返回Enumerable接口实例。以OLAPEnumerator为例,其在迭代获取结果时,实质上是调用queryStorage方法,代码如下所示:
Java
private ITupleIterator queryStorage() {
logger.debug("query storage...");
// bind dynamic variables
olapContext.bindVariable(optiqContext);
// If olapContext is cached, then inherit it.
if (!olapContext.isBorrowedContext) {
olapContext.resetSQLDigest();
}
SQLDigest sqlDigest = olapContext.getSQLDigest();
// query storage engine
IStorageQuery storageEngine = StorageFactory.createQuery(olapContext.realization);
ITupleIterator iterator = storageEngine.search(olapContext.storageContext, sqlDigest,
olapContext.returnTupleInfo);
if (logger.isDebugEnabled()) {
logger.debug("return TupleIterator...");
}
return iterator;
}
获取相应的IStorageQuery接口实例,通过协处理器扫描HBase数据。