spark-sql-catalyst

Spark SQL Catalyst模块主要负责SQL解析和优化工作,包括parse(语法解析)、resolve(引用验证与结合)以及生成和优化logical plan。文章提及了Decimal类型的优化、Metadata注意事项以及TreeNode在表达式和计划树中的应用。此外,还介绍了Expression、DSL、SqlParser和不同JoinType在QueryPlan中的角色。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

spark-sql-catalyst

@(spark)[sql][catalyst]
简单说这部分就是做optimizer的工作的,关于这部分是有一篇论文,写的很清楚,可以当作high leve design来看。

还有一篇blog,内容差不多。

总的来说,在catalyst这部分做的事情基本上是传统关系数据库的:
1. parse(让sql语句变成合法的语法树)
2. resolve(验证olumn,table之类的确实存在,并把table,column的scheme和具体的名字结合起来。
3. 生成具体logicplan,详细的见talyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/plans/logical/basicOperators.scala,典型的比如filter,project,sort,union等等。
4. 这里是一个基于规则的优化器,具体代码在catalyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/optimizer/Optimizer.scala
1. 按道理来说,catalyst和Spark没有必然的联系,可以看作一个SQL的optimizer。

types

原生类型

值得一提的是

/**                                                                                                                                                                     
 * ::DeveloperApi::                                                                                                                                                     
 * The data type for User Defined Types (UDTs).                                                                                                                         
 *                                                                                                                                                                      
 * This interface allows a user to make their own classes more interoperable with SparkSQL;                                                                             
 * e.g., by creating a [[UserDefinedType]] for a class X, it becomes possible to create                                                                                 
 * a `DataFrame` which has class X in the schema.                                                                                                                       
 *                                                                                                                                                                      
 * For SparkSQL to recognize UDTs, the UDT must be annotated with                                                                                                       
 * [[SQLUserDefinedType]].                                                                                                                                              
 *                                                                                                                                                                      
 * The conversion via `serialize` occurs when instantiating a `DataFrame` from another RDD.                                                                             
 * The conversion via `deserialize` occurs when reading from a `DataFrame`.                                                                                             
 */                                                                                                                                                                     
@DeveloperApi                                                                                                                                                           
abstract class UserDefinedType[UserType] extends DataType with Serializable {          

让我们来看一个例子:

class PointUDT extends UserDefinedType[Point] {
    def dataType = StructType(Seq( // Our native structure
        StructField("x", DoubleType),
        StructField("y", DoubleType)
    ))
    def serialize(p: Point) = Row(p.x, p.y)
    def deserialize(r: Row) =
    Point(r.getDouble(0), r.getDouble(1))
}

Decimal

关于可怕的decimal,有个专门的类来优化

/**                                                                                                                                                                     
 * A mutable implementation of BigDecimal that can hold a Long if values are small enough.                                                                              
 *                                                                                                                                                                      
 * The semantics of the fields are as follows:                                                                                                                          
 * - _precision and _scale represent the SQL precision and scale we are looking for                                                                                     
 * - If decimalVal is set, it represents the whole decimal value                                                                                                        
 * - Otherwise, the decimal value is longVal / (10 ** _scale)                                                                                                           
 */                                                                                                                                                                     
final class Decimal extends Ordered[Decimal] with Serializable {  

Metadata

/**                                                                                                                                                                     
 * :: DeveloperApi ::                                                                                                                                                   
 *                                                                                                                                                                      
 * Metadata is a wrapper over Map[String, Any] that limits the value type to simple ones: Boolean,                                                                      
 * Long, Double, String, Metadata, Array[Boolean], Array[Long], Array[Double], Array[String], and                                                                       
 * Array[Metadata]. JSON is used for serialization.                                                                                                                     
 *                                                                                                                                                                      
 * The default constructor is private. User should use either [[MetadataBuilder]] or                                                                                    
 * [[Metadata.fromJson()]] to create Metadata instances.                                                                                                                
 *                                                                                                                                                                      
 * @param map an immutable map that stores the data                                                                                                                     
 */                                                                                                                                                                     
@DeveloperApi                                                                                                                                                           
sealed class Metadata private[types] (private[types] val map: Map[String, Any])                                                                                         
  extends Serializable {    

需要注意的点

  1. 请仔细阅读parser的document,尤其是那些operator
  2. 在正则表达式中:(?i) starts case-insensitive mode ,(?-i) turns off case-insensitive mode

Tree

The main data type in Catalyst is a tree composed of node objects. Each node has a node type and zero or more children. New node types are defined in Scala as subclasses of the TreeNode class. These objects are immutable and can be manipulated using functional transformations, as discussed in the next subsection.

abstract class TreeNode[BaseType <: TreeNode[BaseType]] {                                                                                                               
  self: BaseType with Product =>   

在TreeNode中定义了大量的遍历,map,copy,transform方法。

Expression

Expression是一个巨大的代码分支,凡是搞过数据库的人都知道这玩意儿的复杂。请容许我把Expression的代码贴上来。
至于具体的class本文就不再继续讨论了。

abstract class Expression extends TreeNode[Expression] {                                                                                                                
  self: Product =>                                                                                                                                                      

  /** The narrowest possible type that is produced when this expression is evaluated. */                                                                                
  type EvaluatedType <: Any                                                                                                                                             

  /**                                                                                                                                                                   
   * Returns true when an expression is a candidate for static evaluation before the query is                                                                           
   * executed.                                                                                                                                                          
   *                                                                                                                                                                    
   * The following conditions are used to determine suitability for constant folding:                                                                                   
   *  - A [[Coalesce]] is foldable if all of its children are foldable                                                                                                  
   *  - A [[BinaryExpression]] is foldable if its both left and right child are foldable                                                                                
   *  - A [[Not]], [[IsNull]], or [[IsNotNull]] is foldable if its child is foldable                                                                                    
   *  - A [[Literal]] is foldable                                                                                                                                       
   *  - A [[Cast]] or [[UnaryMinus]] is foldable if its child is foldable                                                                                               
   */                                                                                                                                                                   
  def foldable: Boolean = false                                                                                                                                         
  def nullable: Boolean                                                                                                                                                 
  def references: AttributeSet = AttributeSet(children.flatMap(_.references.iterator))                                                                                  

  /** Returns the result of evaluating this expression on a given input Row */                                                                                          
  def eval(input: Row = null): EvaluatedType                                                                                                                            

  /**          
    * Returns `true` if this expression and all its children have been resolved to a specific schema                                                                     
   * and `false` if it still contains any unresolved placeholders. Implementations of expressions                                                                       
   * should override this if the resolution of this type of expression involves more than just                                                                          
   * the resolution of its children.                                                                                                                                    
   */                                                                                                                                                                   
  lazy val resolved: Boolean = childrenResolved                                                                                                                         

  /**                                                                                                                                                                   
   * Returns the [[DataType]] of the result of evaluating this expression.  It is                                                                                       
   * invalid to query the dataType of an unresolved expression (i.e., when `resolved` == false).                                                                        
   */                                                                                                                                                                   
  def dataType: DataType                                                                                                                                                

  /**                                                                                                                                                                   
   * Returns true if  all the children of this expression have been resolved to a specific schema                                                                       
   * and false if any still contains any unresolved placeholders.                                                                                                       
   */                                                                                                                                                                   
  def childrenResolved: Boolean = !children.exists(!_.resolved)                                                                                                         

  /**                                                        
* Returns a string representation of this expression that does not have developer centric                                                                            
   * debugging information like the expression id.                                                                                                                      
   */                                                                                                                                                                   
  def prettyString: String = {                                                                                                                                          
    transform {                                                                                                                                                         
      case a: AttributeReference => PrettyAttribute(a.name)                                                                                                             
      case u: UnresolvedAttribute => PrettyAttribute(u.name)                                                                                                            
    }.toString                                                                                                                                                          
  }                                                                                                                                                                     
}    

DSL

catalyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/dsl/package.scala中定义了大量的隐式转化来支持dsl。

SqlLexical

class SqlLexical extends StdLexical {

SqlParser

/**                                                                                                                                                                     
 * A very simple SQL parser.  Based loosely on:                                                                                                                         
 * https://github.com/stephentu/scala-sql-parser/blob/master/src/main/scala/parser.scala                                                                                
 *                                                                                                                                                                      
 * Limitations:                                                                                                                                                         
 *  - Only supports a very limited subset of SQL.                                                                                                                       
 *                                                                                                                                                                      
 * This is currently included mostly for illustrative purposes.  Users wanting more complete support                                                                    
 * for a SQL like language should checkout the HiveQL support in the sql/hive sub-project.                                                                              
 */                                                                                                                                                                     
class SqlParser extends AbstractSparkSQLParser with DataTypeParser {   

含注释文件一共386行,当然不是完整的scala不过也可以了,算是比较简洁的吧。

plans

QueryPlan

abstract class QueryPlan[PlanType <: TreeNode[PlanType]] extends TreeNode[PlanType] {   

所有plan的基类。

JoinType

sealed abstract class JoinType                                                                                                                                          

case object Inner extends JoinType                                                                                                                                      

case object LeftOuter extends JoinType                                                                                                                                  

case object RightOuter extends JoinType                                                                                                                                 

case object FullOuter extends JoinType                                                                                                                                  

case object LeftSemi extends JoinType  

d

Spark SQL 的性能调优是大数据处理中非常关键的环节,尤其在面对大规模数据集时。以下是一些常见的 Spark SQL 性能调优方法和最佳实践: ### 3.1 数据分区与分布 合理的数据分区策略可以显著提升查询性能。建议将数据按照业务逻辑进行分区,并使用 `partitionBy` 对数据进行重新组织。此外,避免过多的小文件或过大的分区,保持每个分区的大小在合理的范围内(通常建议在 128MB 到 256MB 之间)[^2]。 ### 3.2 使用缓存机制 对于频繁访问的数据表或中间结果,可以使用 `cache()` 或 `persist()` 方法将其缓存到内存中,从而减少磁盘 I/O 操作。根据数据的重要性及使用频率选择不同的存储级别(如 `MEMORY_ONLY`, `MEMORY_AND_DISK` 等)[^2]。 ### 3.3 优化 Join 操作 Join 是最常见的操作之一,但也容易成为性能瓶颈。可以通过以下方式优化: - **选择合适的 Join 类型**:例如 Broadcast Join、Shuffle Hash Join 和 Sort Merge Join,每种类型适用于不同场景。 - **使用 Hint 指定 Join 策略**:通过 SQL 提示(Hint)强制指定特定的 Join 策略,例如 `/*+ BROADCAST(table) */` 来触发 Broadcast Join [^1]。 - **调整 Shuffle 分区数**:通过参数 `spark.sql.shuffle.partitions` 控制 Shuffle 分区数量,以平衡任务并行度和资源消耗。 ### 3.4 合理配置资源 为 Spark 应用程序分配适当的计算资源至关重要。主要包括: - **Executor 数量与核心数**:增加 Executor 数量可以提高并行处理能力,但也要考虑集群的整体负载情况。 - **内存设置**:确保每个 Executor 获得足够的堆内存来处理数据,同时注意避免频繁的垃圾回收(GC)。如果发现 GC 频繁发生,则可能需要调整 JVM 参数或减少对 JVM 对象的依赖 [^4]。 ### 3.5 使用 Structured APIs 尽量采用 DataFrame/Dataset API 替代 RDD,因为它们提供了更高级别的抽象并且能够更好地利用 Catalyst Optimizer 进行查询优化。这些结构化接口还能有效降低内存压力 [^4]。 ### 3.6 监控与诊断 利用 Spark UI 中的 Stage 页面监控作业执行情况,识别慢任务或失败任务的原因。此外,还可以借助工具如 SparkOscope 实现跨栈监控,进一步挖掘潜在的优化点 [^3]。 ### 3.7 查询计划分析 通过 `explain()` 方法查看物理执行计划,了解实际运行时的操作顺序以及是否应用了有效的优化规则。这有助于发现不必要的 Shuffle 或者其他低效操作。 ### 3.8 文件格式选择 选择高效的文件格式也会影响整体性能。Parquet 和 ORC 等列式存储格式通常比 JSON 或 CSV 更适合大规模数据分析,因为它们支持投影下推(Projection Pushdown)和谓词下推(Predicate Pushdown),减少了读取的数据量 。 ### 3.9 动态分区裁剪(Dynamic Partition Pruning) 启用动态分区裁剪功能可以帮助过滤掉不必要的分区,特别是在大表连接小表的情况下效果明显。相关配置项包括 `spark.sql.optimizer.dynamicPartitionPruning.enabled` 和 `spark.sql.optimizer.dynamicPartitionPruning.useStats` [^1]。 ### 3.10 压缩与编码 适当开启压缩算法(如 Snappy, Gzip)可以在一定程度上减少磁盘空间占用并加快数据传输速度。另外,使用字典编码等技术也能提升某些类型的查询效率 。 以上就是关于 Spark SQL 性能调优的一些常用方法和最佳实践。实施这些策略时,请结合具体应用场景灵活运用,并持续跟踪其对系统性能的影响。 ```python # 示例代码 - 设置 Shuffle 分区数量 spark.conf.set("spark.sql.shuffle.partitions", "200") # 示例代码 - 缓存表 df.cache() # 示例代码 - 查看查询计划 df.explain() ```
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