Apache DataFusion查询优化器深度解析

Apache DataFusion查询优化器深度解析

datafusion Apache DataFusion SQL Query Engine 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/datafu/datafusion

概述

Apache DataFusion是一个基于Rust构建的可扩展查询执行框架，使用Apache Arrow作为其内存格式。本文将重点介绍DataFusion中的查询优化器模块，该模块负责对逻辑计划进行优化，使其在执行时更高效。

查询优化器基础

优化器架构

DataFusion的查询优化器采用模块化设计，包含一系列优化规则(OptimizerRules)，这些规则可以重写查询计划或其表达式，使其执行更快同时保持结果不变。

基本使用流程

// 创建逻辑计划作为起点
let logical_plan = ...

// 创建优化器配置和实例
let mut config = OptimizerContext::default();
let optimizer = Optimizer::new(&config);

// 应用优化器并观察优化过程
let optimized_plan = optimizer.optimize(&logical_plan, &config, observe)?;

// 观察函数，打印优化过程
fn observe(plan: &LogicalPlan, rule: &dyn OptimizerRule) {
    println!("应用规则'{}'后:\n{}", rule.name(), plan.display_indent())
}

自定义优化规则

创建自定义优化器

开发者可以创建包含自定义规则的优化器：

let optimizer = Optimizer::with_rules(vec![
    Arc::new(MyRule {})  // 自定义规则
]);

优化规则接口

所有优化规则必须实现OptimizerRule trait：

pub trait OptimizerRule {
    // 将计划重写为优化形式
    fn optimize(&self, plan: &LogicalPlan, config: &dyn OptimizerConfig) -> Result<LogicalPlan>;

    // 返回规则的人类可读名称
    fn name(&self) -> &str;
}

开发优化规则最佳实践

表达式命名规范

DataFusion中的每个表达式都有一个名称，用作列名。优化器在重写表达式时必须保持名称不变，通常通过添加别名来实现：

原始表达式: 1 + 2
优化后表达式: 3 as "1 + 2"

表达式名称生成

DataFusion提供两种生成表达式名称的方法：

1. display_name() - 返回表达式在模式中显示的名称
2. canonical_name() - 返回表达式的完整字符串表示

比较表达式等价性时应使用canonical_name，创建模式名称时应使用display_name。

实用工具

ExprVisitor工具

ExprVisitor和ExprVisitable特性实现了访问者模式，可用于遍历表达式树：

struct InSubqueryVisitor<'a> {
    accum: &'a mut Vec<Expr>,
}

impl ExpressionVisitor for InSubqueryVisitor<'_> {
    fn pre_visit(self, expr: &Expr) -> Result<Recursion<Self>> {
        if let Expr::InSubquery(_) = expr {
            self.accum.push(expr.to_owned());
        }
        Ok(Recursion::Continue(self))
    }
}

表达式重写

ExprRewriter特性可用于重写表达式：

struct MyExprRewriter {}

impl ExprRewriter for MyExprRewriter {
    fn mutate(&mut self, expr: Expr) -> Result<Expr> {
        // 实现表达式重写逻辑
    }
}

优化子节点

optimize_children方法可递归优化计划的所有子节点：

fn optimize(&self, plan: &LogicalPlan, config: &mut OptimizerConfig) -> Result<LogicalPlan> {
    // 先递归优化子节点
    let plan = utils::optimize_children(self, plan, config)?;
    // 然后优化当前节点
    ...
}

测试与调试

测试策略

1. 单元测试：在规则同文件中测试规则独立应用效果
2. 集成测试：在integration-tests.rs中测试规则在整个优化流程中的行为

调试技巧

使用EXPLAIN VERBOSE命令可显示每个优化规则对查询的影响：

> explain verbose select cast(1 + 2.2 as string) as foo;

输出将显示每个优化阶段后的计划变化，帮助开发者理解优化过程。

总结

DataFusion的查询优化器提供了强大的优化能力和灵活的扩展机制。通过理解其工作原理和开发规范，开发者可以：

1. 有效使用内置优化规则
2. 开发自定义优化规则
3. 调试和验证优化效果

优化器的模块化设计使其能够适应各种查询优化场景，是构建高效查询引擎的关键组件。

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