SPARKSQL3.0-各阶段自定义扩展规则源码剖析

news2024/10/6 4:02:54

一、前言

这一节主要介绍如何自定义扩展各阶段规则

虽然spark内部提供了很多优化规则,但在实际工作中,经常因为业务需求需要自定义扩展优化器或解析器,故自己实现一个优化器才对sparksql有更深的理解

二、扩展范围

spark在扩展方便做的很好,几乎所有阶段都开放了扩展点,用户可以自定义Parser/ResolutionRule/CheckRule/OptimizerRulesPlannerStrategy,如下图:

在这里插入图片描述

Spark用户可以在SQL处理的各个阶段扩展自定义实现,如下

injectOptimizerRule – 添加optimizer自定义规则,optimizer负责逻辑执行计划的优化,我们例子中就是扩展了逻辑优化规则。
injectParser – 添加parser自定义规则,parser负责SQL解析。
injectPlannerStrategy – 添加planner strategy自定义规则,planner负责物理执行计划的生成。
injectResolutionRule – 添加Analyzer自定义规则到Resolution阶段,analyzer负责逻辑执行计划生成。
injectPostHocResolutionRule – 添加Analyzer自定义规则到Post Resolution阶段。
injectCheckRule – 添加Analyzer自定义Check规则。

三、示例

代码:

case class MyResolutionRule(spark: SparkSession) extends Rule[LogicalPlan] with Logging {
  override def apply(plan: LogicalPlan): LogicalPlan = {
    logInfo("开始应用 MyResolutionRule 优化规则")
    plan
  }
}

case class MyPostHocResolutionRule(spark: SparkSession) extends Rule[LogicalPlan] with Logging {
  override def apply(plan: LogicalPlan): LogicalPlan = {
    logInfo("开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则")
    plan
  }
}

case class MyOptimizerRule(spark: SparkSession) extends Rule[LogicalPlan] with Logging {
  override def apply(plan: LogicalPlan): LogicalPlan = {
    logInfo("开始应用 MyOptimizerRule 优化规则")
    plan
  }
}

case class MyCheckRule(spark: SparkSession) extends (LogicalPlan => Unit) with Logging {
  override def apply(plan: LogicalPlan): Unit = {
    logInfo("开始应用 MyCheckRule 优化规则")
  }
}

case class MySparkStrategy(spark: SparkSession) extends SparkStrategy with Logging {
  override def apply(plan: LogicalPlan): Seq[SparkPlan] = {
    logInfo("开始应用 MySparkStrategy 优化规则")
    Seq.empty
  }
}

// 自定义injectParser
case class MyParser(spark: SparkSession, delegate: ParserInterface) extends ParserInterface with Logging {
  override def parsePlan(sqlText: String): LogicalPlan =
    delegate.parsePlan(sqlText)
  override def parseExpression(sqlText: String): Expression =
    delegate.parseExpression(sqlText)
  override def parseTableIdentifier(sqlText: String): TableIdentifier =
    delegate.parseTableIdentifier(sqlText)
  override def parseFunctionIdentifier(sqlText: String): FunctionIdentifier =
    delegate.parseFunctionIdentifier(sqlText)
  override def parseTableSchema(sqlText: String): StructType =
    delegate.parseTableSchema(sqlText)
  override def parseDataType(sqlText: String): DataType =
    delegate.parseDataType(sqlText)

  override def parseMultipartIdentifier(sqlText: String): Seq[String] = ???
  override def parseRawDataType(sqlText: String): DataType = ???
}


object Test {

  def main(args: Array[String]): Unit = {
    // TODO 创建SparkSQL的运行环境
    val sparkConf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName("sparkSQL")
    val spark = SparkSession.builder().config(sparkConf)
      .withExtensions(e => e.injectResolutionRule(MyResolutionRule))
      .withExtensions(e => e.injectPostHocResolutionRule(MyPostHocResolutionRule))
      .withExtensions(e => e.injectCheckRule(MyCheckRule))
      .withExtensions(e => e.injectOptimizerRule(MyOptimizerRule))
      .withExtensions(e => e.injectPlannerStrategy(MySparkStrategy))
      .withExtensions(e => e.injectParser(MyParser))
      .getOrCreate()

    import spark.implicits._

    Seq(Person("Jack", 12), Person("James", 21), Person("Mac", 30)).toDS().createTempView("person")

    spark.sql("SELECT age FROM PERSON WHERE AGE > 18").explain(true)
  
  }
}

结果打印:

22/11/01 14:43:52 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyPostHocResolutionRule: 开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyCheckRule: 开始应用 MyCheckRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyPostHocResolutionRule: 开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:52 INFO MyCheckRule: 开始应用 MyCheckRule 优化规则
22/11/01 14:43:53 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:53 INFO MyPostHocResolutionRule: 开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:53 INFO MyCheckRule: 开始应用 MyCheckRule 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MyOptimizerRule: 开始应用 MyOptimizerRule 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MyOptimizerRule: 开始应用 MyOptimizerRule 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MySparkStrategy: 开始应用 MySparkStrategy 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MySparkStrategy: 开始应用 MySparkStrategy 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MyPostHocResolutionRule: 开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:54 INFO MyCheckRule: 开始应用 MyCheckRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MyResolutionRule: 开始应用 MyResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MyPostHocResolutionRule: 开始应用 MyPostHocResolutionRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MyCheckRule: 开始应用 MyCheckRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO CodeGenerator: Code generated in 18.564505 ms
22/11/01 14:43:55 INFO MyOptimizerRule: 开始应用 MyOptimizerRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MyOptimizerRule: 开始应用 MyOptimizerRule 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MySparkStrategy: 开始应用 MySparkStrategy 优化规则
22/11/01 14:43:55 INFO MySparkStrategy: 开始应用 MySparkStrategy 优化规则
== Parsed Logical Plan ==
'Project ['age]
+- 'Filter ('AGE > 18)
   +- 'UnresolvedRelation [PERSON]

== Analyzed Logical Plan ==
age: int
Project [age#3]
+- Filter (AGE#3 > 18)
   +- SubqueryAlias person
      +- LocalRelation [name#2, age#3]

== Optimized Logical Plan ==
LocalRelation [age#3]

== Physical Plan ==
LocalTableScan [age#3]

可以看到自定义扩展生效

四、源码

实例中通过sparkSession.withExtensions函数传递自定义扩展类,点进去看发现是将SparkSessionExtensions类传递给入参【即我们调用的各种inject函数】:

image-20221101150221181

image-20221101150010213

image-20221101150028685

此时我们看一下SparkSessionExtensions类内部的 inject 函数,类较长这里直接贴一下代码:可以发现其内部是将外部自定义类通过 += 的方式赋予内部集合变量*

type RuleBuilder = SparkSession => Rule[LogicalPlan]
type CheckRuleBuilder = SparkSession => LogicalPlan => Unit
type StrategyBuilder = SparkSession => Strategy
type ParserBuilder = (SparkSession, ParserInterface) => ParserInterface
type FunctionDescription = (FunctionIdentifier, ExpressionInfo, FunctionBuilder)
type ColumnarRuleBuilder = SparkSession => ColumnarRule

......

private[this] val resolutionRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

private[this] val postHocResolutionRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

private[this] val checkRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[CheckRuleBuilder]

private[this] val optimizerRules = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

......

def injectResolutionRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    resolutionRuleBuilders += builder
}

def injectPostHocResolutionRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    postHocResolutionRuleBuilders += builder
}

def injectCheckRule(builder: CheckRuleBuilder): Unit = {
    checkRuleBuilders += builder
}

def injectOptimizerRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    optimizerRules += builder
}

......

那么赋值之后的SparkSessionExtensions如何应用在各个阶段呢?

这里暂停一下,需要先了解SessionState,这对于我们后面如何应用自定义构建规则会有帮助

SessionState

在之前几节中,我们了解到QueryExecution是一条sql执行的关键类【负责sql的解析,优化,物化等】,而这些阶段都需要使用sparkSession.sessionState.xxx[属性],如下图

image-20221101143747410

SessionState的属性是通过创建SessionState的时的传参,故需要看构建SessionState过程。

image-20221101121516183

而sessionState是保存在SparkSession中,所以需要先来看SparkSession的构建过程,常见创建sparkSession是通过getOrCreate函数

image-20221101153909215

SparkSession

这里回顾一下sparkSession的创建过程

		// TODO 创建SparkSQL的运行环境
    val sparkConf = new SparkConf().setMaster("local[2]").setAppName("sparkSQL")
    val spark = SparkSession.builder().config(sparkConf)
      .getOrCreate()

省略其他代码段后看到 new SparkSession(sparkContext, None, None, extensions) 创建SparkSession,可以看到最后一个参数是:extensions

image-20221101121942319

extensions正是我们前面看到的SparkSessionExtensions类,此时sparkSession中包含了我们扩展好的SparkSessionExtensions类了;

不过只是包含而已,还没和各个阶段整合到一起;接下来看SparkSession中的sessionState属性:期间调用了instantiateSessionState 函数

这里贴一下源码:可以看出构建的SessionState有两种子类,一种hive【HiveSessionStateBuilder】,一种普通memory【SessionStateBuilder】但最终返回的结果是统一的父类:BaseSessionStateBuilder

lazy val sessionState: SessionState = {
    parentSessionState
      .map(_.clone(this))
      .getOrElse {
        val state = SparkSession.instantiateSessionState( // 调用instantiateSessionState函数构建SessionState
          SparkSession.sessionStateClassName(sparkContext.conf), // 调用sessionStateClassName函数确定构建hive还是普通SessionState
          self)
        initialSessionOptions.foreach { case (k, v) => state.conf.setConfString(k, v) }
        state
      }
  }

// 如果构建SparkSession时调用了enableHiveSupport来连接hive,则此时会构建HiveSessionStateBuilder
private val HIVE_SESSION_STATE_BUILDER_CLASS_NAME =
    "org.apache.spark.sql.hive.HiveSessionStateBuilder"


private def sessionStateClassName(conf: SparkConf): String = {
    conf.get(CATALOG_IMPLEMENTATION) match {
      case "hive" => HIVE_SESSION_STATE_BUILDER_CLASS_NAME
      case "in-memory" => classOf[SessionStateBuilder].getCanonicalName
    }
  }


// 注意:这里将hive | in-memory的 className构建成了统一的父类BaseSessionStateBuilder,并且调用了.build()函数
private def instantiateSessionState(
      className: String,
      sparkSession: SparkSession): SessionState = {
    try {
      // invoke `new [Hive]SessionStateBuilder(SparkSession, Option[SessionState])`
      val clazz = Utils.classForName(className)
      val ctor = clazz.getConstructors.head
      ctor.newInstance(sparkSession, None).asInstanceOf[BaseSessionStateBuilder].build() // 这里将sparkSession传参进去
    } catch {
      case NonFatal(e) =>
        throw new IllegalArgumentException(s"Error while instantiating '$className':", e)
    }
  }

image-20221101154911667

此时看一下BaseSessionStateBuilder.build函数:由于BaseSessionStateBuilder类代码较多,这里以优化器阶段为主介绍,其他阶段类似

image-20221101160534673

这里new SparkOptimizer对象,正是QueryExecution中用到的optimizer,并重写了optimizer的extendedOperatorOptimizationRules属性,将父类原有属性集合中加入了扩展:customOperatorOptimizationRules函数返回规则集合

image-20221101160612265


customOperatorOptimizationRules函数调用了SparkSessionExtensions的buildOptimizerRules,如下:将SparkSessionExtensions内部扩展的optimizerRules集合元素进行创建后返回

image-20221101160744613

到这里就可以和上面暂停的地方结合起来看了,最开始我们将自定义的扩展类存储到了各个集合当中,如下:

type RuleBuilder = SparkSession => Rule[LogicalPlan]
type CheckRuleBuilder = SparkSession => LogicalPlan => Unit
type StrategyBuilder = SparkSession => Strategy
type ParserBuilder = (SparkSession, ParserInterface) => ParserInterface
type FunctionDescription = (FunctionIdentifier, ExpressionInfo, FunctionBuilder)
type ColumnarRuleBuilder = SparkSession => ColumnarRule

......

private[this] val resolutionRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

private[this] val postHocResolutionRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

private[this] val checkRuleBuilders = mutable.Buffer.empty[CheckRuleBuilder]

private[this] val optimizerRules = mutable.Buffer.empty[RuleBuilder]

......

def injectResolutionRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    resolutionRuleBuilders += builder
}

def injectPostHocResolutionRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    postHocResolutionRuleBuilders += builder
}

def injectCheckRule(builder: CheckRuleBuilder): Unit = {
    checkRuleBuilders += builder
}

def injectOptimizerRule(builder: RuleBuilder): Unit = {
    optimizerRules += builder
}

......


随后在buildOptimizerRules函数中将集合中用户扩展的元素创建出来并返回,至此SparkOptimizer类中的extendedOperatorOptimizationRules属性包含了我们自定义扩展的规则

image-20221102150546912

接下来看一下Optimizer是如何使用extendedOperatorOptimizationRules这个属性?

首先在Optimizer类中的defaultBatches属性中,会将我们扩展的类加入进去,至此Optimizer阶段的新增扩展类放入成功

image-20221101161026642

这里我们回到上一节的优化阶段,优化过程是通过batches集合迭代进行优化,而batches集合在Optimizer被重写

image-20221101165004948

可以看到被重写的batches使用了defaultBatches属性

image-20221101170421445

而defaultBatches中的extendedOperatorOptimizationRules集合正包含了用户自定义扩展的规则

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-iMHQFuiO-1669103114622)(/Users/hzxt/Library/Application Support/typora-user-images/image-20221101170442557.png)]

至此优化器自定义扩展全流程结束;关于其他阶段的扩展大致思想相同,感兴趣的小伙看可以看一下源码,方便理解

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