Hive SQL 底层执行过程详细剖析

本文结构采用宏观着眼，微观入手，从整体到细节的方式剖析 Hive SQL 底层原理。第一节先介绍 Hive 底层的整体执行流程，然后第二节介绍执行流程中的 SQL 编译成 MapReduce 的过程，第三节剖析 SQL 编译成 MapReduce 的具体实现原理。

Hive

Hive是什么？Hive 是数据仓库工具，再具体点就是一个 SQL 解析引擎，因为它即不负责存储数据，也不负责计算数据，只负责解析 SQL，记录元数据。

Hive直接访问存储在 HDFS 中或者 HBase 中的文件，通过 MapReduce、Spark 或 Tez 执行查询。

我们今天来聊的就是 Hive 底层是怎样将我们写的 SQL 转化为 MapReduce 等计算引擎可识别的程序。了解 Hive SQL 的底层编译过程有利于我们优化Hive SQL，提升我们对Hive的掌控力，同时有能力去定制一些需要的功能。

Hive 底层执行架构

我们先来看下 Hive 的底层执行架构图， Hive 的主要组件与 Hadoop 交互的过程：

在 Hive 这一侧，总共有五个组件：

1. UI：用户界面。可看作我们提交SQL语句的命令行界面。

2. DRIVER：驱动程序。接收查询的组件。该组件实现了会话句柄的概念。

3. COMPILER：编译器。负责将 SQL 转化为平台可执行的执行计划。对不同的查询块和查询表达式进行语义分析，并最终借助表和从 metastore 查找的分区元数据来生成执行计划。

4. METASTORE：元数据库。存储 Hive 中各种表和分区的所有结构信息。

5. EXECUTION ENGINE：执行引擎。负责提交 COMPILER 阶段编译好的执行计划到不同的平台上。

上图的基本流程是：

步骤1：UI 调用 DRIVER 的接口；

步骤2：DRIVER 为查询创建会话句柄，并将查询发送到 COMPILER(编译器)生成执行计划；

步骤3和4：编译器从元数据存储中获取本次查询所需要的元数据，该元数据用于对查询树中的表达式进行类型检查，以及基于查询谓词修建分区；

步骤5：编译器生成的计划是分阶段的DAG，每个阶段要么是 map/reduce 作业，要么是一个元数据或者HDFS上的操作。将生成的计划发给 DRIVER。

如果是 map/reduce 作业，该计划包括 map operator trees 和一个  reduce operator tree，执行引擎将会把这些作业发送给 MapReduce ：

步骤6、6.1、6.2和6.3：执行引擎将这些阶段提交给适当的组件。在每个 task(mapper/reducer) 中，从HDFS文件中读取与表或中间输出相关联的数据，并通过相关算子树传递这些数据。最终这些数据通过序列化器写入到一个临时HDFS文件中（如果不需要 reduce 阶段，则在 map 中操作）。临时文件用于向计划中后面的 map/reduce 阶段提供数据。

步骤7、8和9：最终的临时文件将移动到表的位置，确保不读取脏数据(文件重命名在HDFS中是原子操作)。对于用户的查询，临时文件的内容由执行引擎直接从HDFS读取，然后通过Driver发送到UI。

Hive SQL 编译成 MapReduce 过程

编译 SQL 的任务是在上节中介绍的 COMPILER（编译器组件）中完成的。Hive将SQL转化为MapReduce任务，整个编译过程分为六个阶段：

1. 词法、语法解析: Antlr 定义 SQL 的语法规则，完成 SQL 词法，语法解析，将 SQL 转化为抽象语法树 AST Tree；

Antlr是一种语言识别的工具，可以用来构造领域语言。使用Antlr构造特定的语言只需要编写一个语法文件，定义词法和语法替换规则即可，Antlr完成了词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成的过程。

2. 语义解析: 遍历 AST Tree，抽象出查询的基本组成单元 QueryBlock；

3. 生成逻辑执行计划: 遍历 QueryBlock，翻译为执行操作树 OperatorTree；

4. 优化逻辑执行计划: 逻辑层优化器进行 OperatorTree 变换，合并 Operator，达到减少 MapReduce Job，减少数据传输及 shuffle 数据量；

5. 生成物理执行计划: 遍历 OperatorTree，翻译为 MapReduce 任务；

6. 优化物理执行计划: 物理层优化器进行 MapReduce 任务的变换，生成最终的执行计划。

下面对这六个阶段详细解析：

为便于理解，我们拿一个简单的查询语句进行展示，对5月23号的地区维表进行查询：

select * from dim.dim_region where dt = '2021-05-23';

阶段一：词法、语法解析

根据Antlr定义的sql语法规则，将相关sql进行词法、语法解析，转化为抽象语法树AST Tree：

ABSTRACT SYNTAX TREE:
TOK_QUERY
    TOK_FROM 
    TOK_TABREF
           TOK_TABNAME
               dim
                 dim_region
    TOK_INSERT
      TOK_DESTINATION
          TOK_DIR
              TOK_TMP_FILE
        TOK_SELECT
          TOK_SELEXPR
              TOK_ALLCOLREF
        TOK_WHERE
          =
              TOK_TABLE_OR_COL
                  dt
                    '2021-05-23'

阶段二：语义解析

遍历AST Tree，抽象出查询的基本组成单元QueryBlock：

AST Tree生成后由于其复杂度依旧较高，不便于翻译为mapreduce程序，需要进行进一步抽象和结构化，形成QueryBlock。

QueryBlock是一条SQL最基本的组成单元，包括三个部分：输入源，计算过程，输出。简单来讲一个QueryBlock就是一个子查询。

QueryBlock的生成过程为一个递归过程，先序遍历 AST Tree ，遇到不同的 Token 节点(理解为特殊标记)，保存到相应的属性中。

阶段三：生成逻辑执行计划

遍历QueryBlock，翻译为执行操作树OperatorTree：

Hive最终生成的MapReduce任务，Map阶段和Reduce阶段均由OperatorTree组成。

基本的操作符包括：

• TableScanOperator
• SelectOperator
• FilterOperator
• JoinOperator
• GroupByOperator
• ReduceSinkOperator`

Operator在Map Reduce阶段之间的数据传递都是一个流式的过程。每一个Operator对一行数据完成操作后之后将数据传递给childOperator计算。

由于Join/GroupBy/OrderBy均需要在Reduce阶段完成，所以在生成相应操作的Operator之前都会先生成一个ReduceSinkOperator，将字段组合并序列化为Reduce Key/value, Partition Key。

阶段四：优化逻辑执行计划

Hive中的逻辑查询优化可以大致分为以下几类：

• 投影修剪
• 推导传递谓词
• 谓词下推
• 将Select-Select，Filter-Filter合并为单个操作
• 多路 Join
• 查询重写以适应某些列值的Join倾斜

阶段五：生成物理执行计划

生成物理执行计划即是将逻辑执行计划生成的OperatorTree转化为MapReduce Job的过程，主要分为下面几个阶段：

1. 对输出表生成MoveTask
2. 从OperatorTree的其中一个根节点向下深度优先遍历
3. ReduceSinkOperator标示Map/Reduce的界限，多个Job间的界限
4. 遍历其他根节点，遇过碰到JoinOperator合并MapReduceTask
5. 生成StatTask更新元数据
6. 剪断Map与Reduce间的Operator的关系

阶段六：优化物理执行计划

Hive中的物理优化可以大致分为以下几类：

• 分区修剪(Partition Pruning)
• 基于分区和桶的扫描修剪(Scan pruning)
• 如果查询基于抽样，则扫描修剪
• 在某些情况下，在 map 端应用 Group By
• 在 mapper 上执行 Join
• 优化 Union，使Union只在 map 端执行
• 在多路 Join 中，根据用户提示决定最后流哪个表
• 删除不必要的 ReduceSinkOperators
• 对于带有Limit子句的查询，减少需要为该表扫描的文件数
• 对于带有Limit子句的查询，通过限制 ReduceSinkOperator 生成的内容来限制来自 mapper 的输出
• 减少用户提交的SQL查询所需的Tez作业数量
• 如果是简单的提取查询，避免使用MapReduce作业
• 对于带有聚合的简单获取查询，执行不带 MapReduce 任务的聚合
• 重写 Group By 查询使用索引表代替原来的表
• 当表扫描之上的谓词是相等谓词且谓词中的列具有索引时，使用索引扫描

经过以上六个阶段，SQL 就被解析映射成了集群上的 MapReduce 任务。

SQL编译成MapReduce具体原理

在阶段五-生成物理执行计划，即遍历 OperatorTree，翻译为 MapReduce 任务，这个过程具体是怎么转化的呢

我们接下来举几个常用 SQL 语句转化为 MapReduce 的具体步骤：

Join的实现原理

以下面这个SQL为例，讲解 join 的实现：

select u.name, o.orderid from order o join user u on o.uid = u.uid;

在map的输出value中为不同表的数据打上tag标记，在reduce阶段根据tag判断数据来源。MapReduce的过程如下：

Group By的实现原理

以下面这个SQL为例，讲解 group by 的实现：

select rank, isonline, count(*) from city group by rank, isonline;

将GroupBy的字段组合为map的输出key值，利用MapReduce的排序，在reduce阶段保存LastKey区分不同的key。MapReduce的过程如下:

Distinct的实现原理

以下面这个SQL为例，讲解 distinct 的实现：

select dealid, count(distinct uid) num from order group by dealid;

当只有一个distinct字段时，如果不考虑Map阶段的Hash GroupBy，只需要将GroupBy字段和Distinct字段组合为map输出key，利用mapreduce的排序，同时将GroupBy字段作为reduce的key，在reduce阶段保存LastKey即可完成去重:

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