spark3.0中如何实现查询计划

这篇文章主要介绍了spark 3.0中如何实现查询计划，具有一定借鉴价值，感兴趣的朋友可以参考下，希望大家阅读完这篇文章之后大有收获，下面让小编带着大家一起了解一下。

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基本例子

我们考虑一个简单的例子，一个查询中涉及到filter以及aggregation，join操作的语句：

# in PySpark API:
query  = (
    questionsDF
    .filter(col('year') == 2019)
    .groupBy('user_id')
    .agg(
        count('*').alias('cnt')
    )
    .join(usersDF, 'user_id')
)

我们把例子中的usersDF是一组问问题的用户，这些问题用questionsDF来表示。这些问题用year的这一列来进行分区，代表着哪一年问的问题。在这个查询里，我们对2019年问问题的用户感兴趣，并且想知道每个人问了多少问题，而且我们想知道在输出中我们想知道一些额外信息，这就是为什么我们在聚合之后进行了usersDF的join操作。
这里有两种基本的方式去查看物理计划。第一种是在DataFrame上调用explain函数,该函数展现这个计划的文本化的展示： spark 3.0中如何实现查询计划

这在spark 3.0有了一些优化，explain函数带有了一个新参数 mode，这个参数的值可以是：formatted，cost，codegen。使用formatted模式将会把查询计划转化为更加有组织的输出（这里之展现了一部分）: spark 3.0中如何实现查询计划在formatted计划中，我们能看到裸数，改裸数只是展现了操作的名字并带有一个括号的数字。在数的下面，这里有一些数字对应的细节描述。cost模式将会展示除了物理计划之外的优化的逻辑计划，这些逻辑计划带有每个操作的统计信息，所以我们能看到在不同执行阶段的数据大小。最终codegen模式展现了将会执行的生成的java代码。
第二种方式是查看spark ui中的sql tab，这里有正在跑的和已经完成了的查询。通过点击你要查看的查询，我们可以看到物理计划的文本表示。在下面这个图片中，我们结合图形表示，文本表示以及它们之间的对应关系： spark 3.0中如何实现查询计划不同点是图形表示的叶子节点在上面，根节点在下面，而文本表示的是反过来的。

CollapseCodegenStages

在物理计划的图形表示中,你能看到一些操作被组织成了一大块蓝色的矩形。这些大矩形对应着codegen阶段。这是发生在物理计划的优化阶段。这个是叫做CollapseCodegenStages来负责优化的，原理是把支持代码生成的操作聚合到一起，通过消除虚拟函数的调用来加速。但是并不是所有的操作支持代码生成。所以一些操作（如exchange操作）并不是大矩形的一部分。在我们的例子中，这里有三个codegen stages，对应着三个大矩形，你能在操作的括号中看到codegen stage的id。从这个树我们也可以分辨出一个操作是够支持代码生成，因为加入支持代码生成的话，这里将会在对应的操作的括号里有个星号。 spark 3.0中如何实现查询计划

我们简单的分析一下在我们查询中的每一个操作。

Scan parquet

scan parquet操作代表着从parquet文件中读取数据。从明细信息中，我们能直接看到从这个数据源中我们选择了哪些列。虽然我们没指定具体的字段，但是这里也会应用ColumnPruning规则，这个规则会确保只有真正字段才会从这个数据源中提取出来。我们也能看到有两种filters：PartitionFilters和PushFilters。PartitionFilters应用在数据源分区的字段上。这是非常重要的因为我们能跳过我们不需要的数据。检查对应的filters是否传播到正确的位置总是没错的。这是因为我们尽可能读取少量的数据，因为IO是比较费时的。在spark 2.4，这里还有一个代表实际读取到的分区的partitionCount字段，这个字段在spark 3.0已经去掉了。
PushFilters把字段直接下推到parquet文件中去，假如parquet文件过滤的列是按照过滤字段排序的话，这个规则就很有用了，因为这种情况下，我们能利用parquet内部结构去过滤数据。parquet文件是按照行组和每个行组的元数据文件组成的。这个元数据包含了每个行组的最大最小值，基于这个信息，我们就能判断是否读取这个行组。

Filter

Filter操作佷容易理解。它仅仅是代表过滤条件。但是这个操作怎么创建的并不是很明显，因为在查询中它并不是直接对应着过滤条件。因为所有的filters首先被Catalyst optimzer处理，改规则可能修改或者重新移动她们。这里有好几个规则在她们转换为物理计划前的逻辑计划。我们列举了一下：

PushDownPredicates-这个规则通过其他的操作把filter下推到离数据源更近的地方，但不是所有的操作都支持。比如，如果表达式不是确定性的，这就不行，假如我们使用类似first，last，collect_set,collect_list,rand等，filters操作就不能通过这些操作而进行下推，因为这些函数是不确定性的。
CombineFilters-结合两个临近的操作合成一个（收集两个filters条件合成一个更为复杂的的条件）
InferFiltersFromConstraints-这个规则实际上会创建新的filter操作，如从join操作（从inner join中创建一个joining key is not null）
PruneFilters-移除多余的filters(比如一个filters总是true)

Exchange

Exchange操作代表着shuffle操作，意味着物理数据的集群范围内的移动。这个操作是很费时的，因为它会通过网络移动数据。查询计划的信息也包含了一些数据重新分区的细节。在我们的例子中，是hashPartitioning（user_id,200）: spark 3.0中如何实现查询计划这意味着数据将会根据user_id列重新分区为200个分区，有着同样user_id的行将会属于同一个分区，将会分配到同一个executor上。为了确保只有200分区，spark将会计算user_id的hashcode并且对200取模。这个结果就是不同的user_ids就会分到同一个分区。同时有些分区可能是空的。这里也有其他类型的分区值的去留意一下：

RoundRobinPartitioning-数据将会随机分配到n个分区中，n在函数repartition（n）中指定
SinglePartition-所有数据将会分配到一个分区中，进而到一个executor中。
RangePartitioning-这个用在对数据排序中，用在orderBy或者sort操作中

HashAggregate

这个代表着数据聚合，这个经常是两个操作，要么被Exchange分开或者不分开： spark 3.0中如何实现查询计划为什么这里有两个HashAggregate操作的原因是第一个是部分聚合，它在每个executor上每个分区分别进行聚合。在我们的例子中，你能看到partial_count(1)的function字段，最终的部分聚合结果就是第二个聚合。这个操作也展示了数据按照哪个分组的Keys字段。results字段展示了在聚合以后的可用的列。

BroadcastHashJoin & BroadcastExchange

BroadcastHashJoin（BHJ）代表着join算法的操作，除了这个，还有SortMergeJoin和ShuffleHashJoin。BHJ总是伴随着BroadcastExchange，这个代表着广播shuffle-数据将会收集到driver端并且会被传播到需要的executor上。

ColumnarToRow

这是在spark 3.0引入的新操作，用于列行之间的转换

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