老知识复盘-SQL从提交到执行到底经历了什么

一、什么是SQL

sql(Structured Query Language: 结构化查询语言)是高级的费过程化编程语言,允许用户在高层数据结构上工作, 是一种数据查询和程序设计语言, 也是(ANSI)的一项标准的计算机语言. but... 目前仍然存在着许多不同版本的sql语言,为了与ANSI标准相兼容, 它们必须以相似的方式共同地来支持一些主要的命令(比如SELECT、UPDATE、DELETE、INSERT、WHERE等等).

在标准SQL中, SQL语句包含四种类型

DML（Data Manipulation Language）：数据操作语言，用来定义数据库记录（数据）。

DCL（Data Control Language）：数据控制语言，用来定义访问权限和安全级别。

DQL（Data Query Language）：数据查询语言，用来查询记录（数据）。

DDL（Data Definition Language）：数据定义语言，用来定义数据库对象（库，表，列等）

二、如何执行SQL

2.1 mysql

以mysql为例, sql执行流程大致分为以下节点(mysql server层代码, 不包含引擎层事务/log等操作):

mysqlLex: mysql自身的词法分析程序, C++语言开发, 基于输入的语句进行分词, 并解析除每个分词的意义. 分词的本质便是正则表达式的匹配过程. 源码在sql/sql_lex.cc

Bision: 根据mysql定义的语法规则,进行语法解析,语法解析就是生成语法树的过程. 核心是如何涉及合适的存储结构以及相关算法,去存储和遍历所有的信息

语法解析中,生成语法树:

mysql分析器: SQL解析, 针对关键词/非关键词进行提取、解析, 并生成解析语法树. 如果分析到语法错误,会抛出异常: ERROR: You have an error in your SQL syntax. 同时该阶段也会做一些校验, 如不存在字段会抛出异常: unknow column in field list.

引申点:

a. 语法树生成规则

b. mysql的优化规则

2.2 hive sql

Hive 是基于Hadoop 构建的一套数据仓库分析系统，它提供了丰富的SQL查询方式来分析存储在Hadoop 分布式文件系统中的数据，可以将结构化的数据文件映射为一张数据库表，并提供完整的SQL查询功能，可以将SQL语句转换为MapReduce任务进行运行，通过自己的SQL 去查询分析需要的内容，这套SQL 简称Hive SQL，使不熟悉mapreduce 的用户很方便的利用SQL 语言查询，汇总，分析数据

hive架构图:

Driver：

输入了sql字符串，对sql字符串进行解析，转化程抽象语法树，再转化成逻辑计划，然后使用优化工具对逻辑计划进行优化，最终生成物理计划（序列化反序列化，UDF函数），交给Execution执行引擎，提交到MapReduce上执行（输入和输出可以是本地的也可以是HDFS/Hbase）见下图的hive架构

hiveSql的执行流程如下:

sql写出来以后只是一些字符串的拼接，所以要经过一系列的解析处理，才能最终变成集群上的执行的作业

（1）Parser：将sql解析为AST（抽象语法树），会进行语法校验，AST本质还是字符串

（2）Analyzer：语法解析，生成QB（query block）

（3）Logicl Plan：逻辑执行计划解析，生成一堆Opertator Tree

（4）Logical optimizer:进行逻辑执行计划优化，生成一堆优化后的Opertator Tree

（5）Phsical plan：物理执行计划解析，生成tasktree

（6）Phsical Optimizer：进行物理执行计划优化，生成优化后的tasktree，该任务即是集群上的执行的作业

结论：经过以上的六步，普通的字符串sql被解析映射成了集群上的执行任务，最重要的两步是 逻辑执行计划优化和物理执行计划优化（图中红线圈画）

Antlr: Antrl是一种语言识别的工具, 基于java开发, 可以用来构造领域语言. 它提供了一个框架,可以通过包含java, C++, 或C#动作(action)的语法描述来构造语言识别器, 编译器和解释器.Antlr完成了hive 词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成的过程.

AST语法树举例:

引申学习:

a. 从hivesql的执行机制可以看出, hive并不适合用于联机事务处理, 无法提供实时查询功能;最适合应用在基于大量不可变数据的批处理作业

b. Antlr的解析流程

c. hive的优化规则

2.3 flink sql

Flink SQL是Flink中最高级的抽象, 可以划分为 SQL --> Table API --> DataStream/DataSetAPI --> Stateful Stream Processing

Flink SQL包含 DML 数据操作语言、 DDL 数据语言， DQL 数据查询语言，不包含DCL语言。

（1）首先，FlinkSQL 底层使用的是 apache Calcite 引擎来处理SQL语句，Calcite会使用 javaCC 做SQL解析，javaCC根据Calcite中定义的 Parser.jj 文件，生成一系列的java代码，生成的java代码会把SQL转换成AST抽象语法树（即SQLNode类型）。

（2）生成的 SqlNode 抽象语法树，他是一个未经验证的抽象语法树，这时 SQL Validator 会获取 Flink Catalog 中的元数据信息来验证 sql 语法，元数据信息检查包括表名，字段名，函数名，数据类型等检查。然后生成一个校验后的SqlNode。

（3）到达这步后，只是将 SQL 解析到 java 数据结构的固定节点上，并没有给出相关节点之间的关联关系以及每个节点的类型信息。

所以，还需要将 SqlNode 转换为逻辑计划，也就是LogicalPlan，在转换过程中，会使用 SqlToOperationConverter 类，来将 SqlNode 转换为 Operation，Operation 会根据SQL语法来执行创建表或者删除表等操作，同时FlinkPlannerImpl.rel()方法会将SQLNode转换成RelNode树，并返回RelRoot。

（4）第4步将执行 Optimize 操作，按照预定义的优化规则 RelOptRule 优化逻辑计划。

Calcite 中的优化器RelOptPlanner有两种，一是基于规则优化（RBO）的HepPlanner，二是基于代价优化（CBO）的VolcanoPlanner。然后得到优化后的RelNode, 再基于Flink里面的rules将优化后的逻辑计划转换成物理计划。

（5）第5步 执行 execute 操作，会通过代码生成 transformation，然后递归遍历各节点，将DataStreamRelNode 转换成DataStream，在这期间，会依次递归调用DataStreamUnion、DataStreamCalc、DataStreamScan类中重写的 translateToPlan方法。递归调用各节点的translateToPlan，实际是利用CodeGen元编成Flink的各种算子，相当于直接利用Flink的DataSet或者DataStream开发程序。

（6）最后进一步编译成可执行的 JobGraph 提交运行。

Flink SQL使用 Apache Calcite 作为解析器和优化器

Calcite : 一种动态数据管理框架，它具备很多典型数据库管理系统的功能 如SQL 解析、 SQL 校验、 SQL 查询优化、 SQL 生成以及数据连接查询等，但是又省略了一些关键的功能，如 Calcite并不存储相关的元数据和基本数据，不完全包含相关处理数据的算法等。

引申学习:

a. flink sql优化规则

三、常见SQL解析引擎

解析引擎	开发语言	使用场景	总结
antlr	java	presto	1. 包含三大主要功能: 词法分析器、语法分析器、树解析器2. 支持定义领域语言
calcite	javaCC	flink	1. 抽象语法树2. 支持使用 FreeMarker 模版引擎扩展语法3. 能够与数据库创建查询

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四、总结

在实际工作过程中会涉及到相关的sql优化, 比如将非研发的业务老师写的复杂嵌套sql后台自动改为非嵌套执行,提高查询性能. 支持redisSQL, 以标准SQL格式解析成后台可执行的redis命令. 目前采用的开源jsqlparser框架来实现语法树的解析, 好处是操作简单, 只对sql语句进行拆分, 解析成java类的层次结构,支持visitor模式, 与数据库无关. 缺点是只支持常见的SQL语法集, 如若要扩展语法需改其源码, 对代码的侵入性与维护性造成影响.想要做好sql解析优化相关的工作, 还是要深入了解sql的执行原理, 了解各个sql引擎的特点与优劣. 站在架构的角度来思考来思考问题.

工欲善其事，必先利其器.

作者：京东科技 李丹枫

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