Hive SQL的编译过程

╰半夏微凉° 2022-06-07 04:44 156阅读 0赞

Hive是基于Hadoop的一个数据仓库系统，在各大公司都有广泛的应用。美团数据仓库也是基于Hive搭建，每天执行近万次的Hive ETL计算流程，负责每天数百GB的数据存储和分析。Hive的稳定性和性能对我们的数据分析非常关键。

在几次升级Hive的过程中，我们遇到了一些大大小小的问题。通过向社区的咨询和自己的努力，在解决这些问题的同时我们对Hive将SQL编译为MapReduce的过程有了比较深入的理解。对这一过程的理解不仅帮助我们解决了一些Hive的bug，也有利于我们优化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。

## MapReduce实现基本SQL操作的原理 ##

详细讲解SQL编译为MapReduce之前，我们先来看看MapReduce框架实现SQL基本操作的原理

### Join的实现原理 ###

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（这里只是说明最基本的Join的实现，还有其他的实现方式）

![MapReduce CommonJoin的实现][MapReduce CommonJoin]

### Group By的实现原理 ###

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（当然这里只是说明Reduce端的非Hash聚合过程）

![MapReduce Group By的实现][MapReduce Group By]

### Distinct的实现原理 ###

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

![MapReduce Distinct的实现][MapReduce Distinct]

如果有多个distinct字段呢，如下面的SQL

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

实现方式有两种：

（1）如果仍然按照上面一个distinct字段的方法，即下图这种实现方式，无法跟据uid和date分别排序，也就无法通过LastKey去重，仍然需要在reduce阶段在内存中通过Hash去重

![MapReduce Multi Distinct的实现][MapReduce Multi Distinct]

（2）第二种实现方式，可以对所有的distinct字段编号，每行数据生成n行数据，那么相同字段就会分别排序，这时只需要在reduce阶段记录LastKey即可去重。

这种实现方式很好的利用了MapReduce的排序，节省了reduce阶段去重的内存消耗，但是缺点是增加了shuffle的数据量。

需要注意的是，在生成reduce value时，除第一个distinct字段所在行需要保留value值，其余distinct数据行value字段均可为空。

![MapReduce Multi Distinct的实现][MapReduce Multi Distinct 1]

## SQL转化为MapReduce的过程 ##

了解了MapReduce实现SQL基本操作之后，我们来看看Hive是如何将SQL转化为MapReduce任务的，整个编译过程分为六个阶段：

1.  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
2.  遍历AST Tree，抽象出查询的基本组成单元QueryBlock
3.  遍历QueryBlock，翻译为执行操作树OperatorTree
4.  逻辑层优化器进行OperatorTree变换，合并不必要的ReduceSinkOperator，减少shuffle数据量
5.  遍历OperatorTree，翻译为MapReduce任务
6.  物理层优化器进行MapReduce任务的变换，生成最终的执行计划

下面分别对这六个阶段进行介绍

### Phase1 SQL词法，语法解析 ###

#### Antlr ####

Hive使用Antlr实现SQL的词法和语法解析。Antlr是一种语言识别的工具，可以用来构造领域语言。  
这里不详细介绍Antlr，只需要了解使用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。

Hive中语法规则的定义文件在0.10版本以前是Hive.g一个文件，随着语法规则越来越复杂，由语法规则生成的Java解析类可能超过Java类文件的最大上限，0.11版本将Hive.g拆成了5个文件，词法规则HiveLexer.g和语法规则的4个文件SelectClauseParser.g，FromClauseParser.g，IdentifiersParser.g，HiveParser.g。

#### 抽象语法树AST Tree ####

经过词法和语法解析后，如果需要对表达式做进一步的处理，使用 Antlr 的抽象语法树语法Abstract Syntax Tree，在语法分析的同时将输入语句转换成抽象语法树，后续在遍历语法树时完成进一步的处理。

下面的一段语法是Hive SQL中SelectStatement的语法规则，从中可以看出，SelectStatement包含select, from, where, groupby, having, orderby等子句。  
（在下面的语法规则中，箭头表示对于原语句的改写，改写后会加入一些特殊词标示特定语法，比如TOK\_QUERY标示一个查询块）

selectStatement
       :
       selectClause
       fromClause
       whereClause?
       groupByClause?
       havingClause?
       orderByClause?
       clusterByClause?
       distributeByClause?
       sortByClause?
       limitClause? -> ^(TOK_QUERY fromClause ^(TOK_INSERT ^(TOK_DESTINATION ^(TOK_DIR TOK_TMP_FILE))
                         selectClause whereClause? groupByClause? havingClause? orderByClause? clusterByClause?
                         distributeByClause? sortByClause? limitClause?))
       ;

#### 样例SQL ####

为了详细说明SQL翻译为MapReduce的过程，这里以一条简单的SQL为例，SQL中包含一个子查询，最终将数据写入到一张表中

FROM
    ( 
      SELECT
        p.datekey datekey,
        p.userid userid,
        c.clienttype
      FROM
        detail.usersequence_client c
        JOIN fact.orderpayment p ON p.orderid = c.orderid
        JOIN default.user du ON du.userid = p.userid
      WHERE p.datekey = 20131118 
    ) base
    INSERT OVERWRITE TABLE `test`.`customer_kpi`
    SELECT
      base.datekey,
      base.clienttype,
      count(distinct base.userid) buyer_count
    GROUP BY base.datekey, base.clienttype

#### SQL生成AST Tree ####

Antlr对Hive SQL解析的代码如下，HiveLexerX，HiveParser分别是Antlr对语法文件Hive.g编译后自动生成的词法解析和语法解析类，在这两个类中进行复杂的解析。

HiveLexerX lexer = new HiveLexerX(new ANTLRNoCaseStringStream(command));    //词法解析，忽略关键词的大小写
    TokenRewriteStream tokens = new TokenRewriteStream(lexer);
    if (ctx != null) {
      ctx.setTokenRewriteStream(tokens);
    }
    HiveParser parser = new HiveParser(tokens);                                 //语法解析
    parser.setTreeAdaptor(adaptor);
    HiveParser.statement_return r = null;
    try {
      r = parser.statement();                                                   //转化为AST Tree
    } catch (RecognitionException e) {
      e.printStackTrace();
      throw new ParseException(parser.errors);
    }

最终生成的AST Tree如下图右侧（使用Antlr Works生成，Antlr Works是Antlr提供的编写语法文件的编辑器），图中只是展开了骨架的几个节点，没有完全展开。  
子查询1/2，分别对应右侧第1/2两个部分。

![SQL生成AST Tree][SQL_AST Tree]

这里注意一下内层子查询也会生成一个TOK\_DESTINATION节点。请看上面SelectStatement的语法规则，这个节点是在语法改写中特意增加了的一个节点。原因是Hive中所有查询的数据均会保存在HDFS临时的文件中，无论是中间的子查询还是查询最终的结果，Insert语句最终会将数据写入表所在的HDFS目录下。

详细来看，将内存子查询的from子句展开后，得到如下AST Tree，每个表生成一个TOK\_TABREF节点，Join条件生成一个“=”节点。其他SQL部分类似，不一一详述。

![AST Tree][]

### Phase2 SQL基本组成单元QueryBlock ###

AST Tree仍然非常复杂，不够结构化，不方便直接翻译为MapReduce程序，AST Tree转化为QueryBlock就是将SQL进一部抽象和结构化。

#### 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。

下图为Hive中QueryBlock相关对象的类图，解释图中几个重要的属性

*  QB\#aliasToSubq（表示QB类的aliasToSubq属性）保存子查询的QB对象，aliasToSubq key值是子查询的别名
 *  QB\#qbp即QBParseInfo保存一个基本SQL单元中的给个操作部分的AST Tree结构，QBParseInfo\#nameToDest这个HashMap保存查询单元的输出，key的形式是inclause-i（由于Hive支持Multi Insert语句，所以可能有多个输出），value是对应的ASTNode节点，即TOK\_DESTINATION节点。类QBParseInfo其余HashMap属性分别保存输出和各个操作的ASTNode节点的对应关系。
 *  QBParseInfo\#JoinExpr保存TOK\_JOIN节点。QB\#QBJoinTree是对Join语法树的结构化。
 *  QB\#qbm保存每个输入表的元信息，比如表在HDFS上的路径，保存表数据的文件格式等。
 *  QBExpr这个对象是为了表示Union操作。

![QueryBlock][]

#### AST Tree生成QueryBlock ####

AST Tree生成QueryBlock的过程是一个递归的过程，先序遍历AST Tree，遇到不同的Token节点，保存到相应的属性中，主要包含以下几个过程

*  TOK\_QUERY => 创建QB对象，循环递归子节点
 *  TOK\_FROM => 将表名语法部分保存到QB对象的`aliasToTabs`等属性中
 *  TOK\_INSERT => 循环递归子节点
 *  TOK\_DESTINATION => 将输出目标的语法部分保存在QBParseInfo对象的nameToDest属性中
 *  TOK\_SELECT => 分别将查询表达式的语法部分保存在`destToSelExpr`、`destToAggregationExprs`、`destToDistinctFuncExprs`三个属性中
 *  TOK\_WHERE => 将Where部分的语法保存在QBParseInfo对象的destToWhereExpr属性中

最终样例SQL生成两个QB对象，QB对象的关系如下，QB1是外层查询，QB2是子查询

QB1
    
      \
    
       QB2

### Phase3 逻辑操作符Operator ###

#### Operator ####

Hive最终生成的MapReduce任务，Map阶段和Reduce阶段均由OperatorTree组成。逻辑操作符，就是在Map阶段或者Reduce阶段完成单一特定的操作。

基本的操作符包括TableScanOperator，SelectOperator，FilterOperator，JoinOperator，GroupByOperator，ReduceSinkOperator

从名字就能猜出各个操作符完成的功能，TableScanOperator从MapReduce框架的Map接口原始输入表的数据，控制扫描表的数据行数，标记是从原表中取数据。JoinOperator完成Join操作。FilterOperator完成过滤操作

ReduceSinkOperator将Map端的字段组合序列化为Reduce Key/value, Partition Key，只可能出现在Map阶段，同时也标志着Hive生成的MapReduce程序中Map阶段的结束。

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。

Operator类的主要属性和方法如下

*  RowSchema表示Operator的输出字段
 *  InputObjInspector outputObjInspector解析输入和输出字段
 *  processOp接收父Operator传递的数据，forward将处理好的数据传递给子Operator处理
 *  Hive每一行数据经过一个Operator处理之后，会对字段重新编号，colExprMap记录每个表达式经过当前Operator处理前后的名称对应关系，在下一个阶段逻辑优化阶段用来回溯字段名
 *  由于Hive的MapReduce程序是一个动态的程序，即不确定一个MapReduce Job会进行什么运算，可能是Join，也可能是GroupBy，所以Operator将所有运行时需要的参数保存在OperatorDesc中，OperatorDesc在提交任务前序列化到HDFS上，在MapReduce任务执行前从HDFS读取并反序列化。Map阶段OperatorTree在HDFS上的位置在Job.getConf(“hive.exec.plan”) + “/map.xml”

![QueryBlock][QueryBlock 1]

#### QueryBlock生成Operator Tree ####

QueryBlock生成Operator Tree就是遍历上一个过程中生成的QB和QBParseInfo对象的保存语法的属性，包含如下几个步骤：

*  QB\#aliasToSubq => 有子查询，递归调用
 *  QB\#aliasToTabs => TableScanOperator
 *  QBParseInfo\#joinExpr => QBJoinTree => ReduceSinkOperator + JoinOperator
 *  QBParseInfo\#destToWhereExpr => FilterOperator
 *  QBParseInfo\#destToGroupby => ReduceSinkOperator + GroupByOperator
 *  QBParseInfo\#destToOrderby => ReduceSinkOperator + ExtractOperator

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

接下来详细分析样例SQL生成OperatorTree的过程

先序遍历上一个阶段生成的QB对象

1.  首先根据子QueryBlock `QB2#aliasToTabs {du=dim.user, c=detail.usersequence_client, p=fact.orderpayment}`生成TableScanOperator
    
        TableScanOperator(“dim.user”) TS[0]
         TableScanOperator(“detail.usersequence_client”) TS[1]        TableScanOperator(“fact.orderpayment”) TS[2]
2.  先序遍历`QBParseInfo#joinExpr`生成`QBJoinTree`，类`QBJoinTree`也是一个树状结构，`QBJoinTree`保存左右表的ASTNode和这个查询的别名，最终生成的查询树如下
    
        base
            /  \
           p    du
          /      \
         c        p

1.  前序遍历`QBJoinTree`，先生成`detail.usersequence_client`和`fact.orderpayment`的Join操作树

![Join to Operator][]

图中 TS=TableScanOperator RS=ReduceSinkOperator JOIN=JoinOperator

1.  生成中间表与dim.user的Join操作树

![Join to Operator][Join to Operator 1]

1.  根据QB2 `QBParseInfo#destToWhereExpr` 生成`FilterOperator`。此时QB2遍历完成。

下图中SelectOperator在某些场景下会根据一些条件判断是否需要解析字段。

![Where to Operator][]

图中 FIL= FilterOperator SEL= SelectOperator

1.  根据QB1的QBParseInfo\#destToGroupby生成ReduceSinkOperator + GroupByOperator

![GroupBy to Operator][]

图中 GBY= GroupByOperator  
GBY\[12\]是HASH聚合，即在内存中通过Hash进行聚合运算

1.  最终都解析完后，会生成一个FileSinkOperator，将数据写入HDFS

![FileSinkOperator][]

图中FS=FileSinkOperator

### Phase4 逻辑层优化器 ###

大部分逻辑层优化器通过变换OperatorTree，合并操作符，达到减少MapReduce Job，减少shuffle数据量的目的。

<table style="padding:0px; margin:0px; border-collapse:collapse; border-spacing:0px; color:rgb(68,68,68); font-family:&quot;Hiragino Sans GB&quot;,&quot;Microsoft Yahei&quot;,微软雅黑,sans-serif; font-size:12px"> 
 <thead style="padding:0px; margin:0px"> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <th style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; text-align:left"> 
 <div style="padding:0px; margin:0px"> 
 名称 
 </div> </th> 
 <th style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; text-align:left"> 
 <div style="padding:0px; margin:0px"> 
 作用 
 </div> </th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody style="padding:0px; margin:0px"> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ②&nbsp;SimpleFetchOptimizer </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> 优化没有GroupBy表达式的聚合查询 </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ②&nbsp;MapJoinProcessor </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> MapJoin，需要SQL中提供hint，0.11版本已不用 </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ②&nbsp;BucketMapJoinOptimizer </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> BucketMapJoin </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ② GroupByOptimizer </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> Map端聚合 </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ①&nbsp;ReduceSinkDeDuplication </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> 合并线性的OperatorTree中partition/sort key相同的reduce </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ① PredicatePushDown </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> 谓词前置 </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ①&nbsp;CorrelationOptimizer </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> 利用查询中的相关性，合并有相关性的Job，HIVE-2206 </td> 
 </tr> 
 <tr style="padding:0px; margin:0px; border-style:solid; border-width:1px 0px; border-color:rgb(204,204,204)"> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> ColumnPruner </td> 
 <td style="padding:0.2em 0.5em; margin:0px; vertical-align:top"> 字段剪枝 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

表格中①的优化器均是一个Job干尽可能多的事情/合并。②的都是减少shuffle数据量，甚至不做Reduce。

CorrelationOptimizer优化器非常复杂，都能利用查询中的相关性，合并有相关性的Job，参考 [Hive Correlation Optimizer][]

对于样例SQL，有两个优化器对其进行优化。下面分别介绍这两个优化器的作用，并补充一个优化器ReduceSinkDeDuplication的作用

#### PredicatePushDown优化器 ####

断言判断提前优化器将OperatorTree中的FilterOperator提前到TableScanOperator之后

![PredicatePushDown][]

#### NonBlockingOpDeDupProc优化器 ####

`NonBlockingOpDeDupProc`优化器合并SEL-SEL 或者 FIL-FIL 为一个Operator

![NonBlockingOpDeDupProc][]

#### ReduceSinkDeDuplication优化器 ####

ReduceSinkDeDuplication可以合并线性相连的两个RS。实际上CorrelationOptimizer是ReduceSinkDeDuplication的超集，能合并线性和非线性的操作RS，但是Hive先实现的ReduceSinkDeDuplication

譬如下面这条SQL语句

from (select key, value from src group by key, value) s select s.key group by s.key;

经过前面几个阶段之后，会生成如下的OperatorTree，两个Tree是相连的，这里没有画到一起

![ReduceSinkDeDuplication][]

这时候遍历OperatorTree后能发现前前后两个RS输出的Key值和PartitionKey如下

ReduceSinkDeDuplication优化器检测到：1. pRS Key完全包含cRS Key，且排序顺序一致；2. pRS PartitionKey完全包含cRS PartitionKey。符合优化条件，会对执行计划进行优化。

ReduceSinkDeDuplication将childRS和parentheRS与childRS之间的Operator删掉，保留的RS的Key为key,value字段，PartitionKey为key字段。合并后的OperatorTree如下：

![ReduceSinkDeDuplication][ReduceSinkDeDuplication 1]

### Phase5 OperatorTree生成MapReduce Job的过程 ###

OperatorTree转化为MapReduce Job的过程分为下面几个阶段

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

#### 对输出表生成MoveTask ####

由上一步OperatorTree只生成了一个FileSinkOperator，直接生成一个MoveTask，完成将最终生成的HDFS临时文件移动到目标表目录下

MoveTask[Stage-0]
    Move Operator

#### 开始遍历 ####

将OperatorTree中的所有根节点保存在一个toWalk的数组中，循环取出数组中的元素（省略QB1，未画出）

![开始遍历][begin-walk.png]

取出最后一个元素TS\[p\]放入栈 opStack\{TS\[p\]\}中

#### Rule \#1 TS% 生成MapReduceTask对象，确定MapWork ####

发现栈中的元素符合下面规则R1（这里用python代码简单表示）

"".join([t + "%" for t in opStack]) == "TS%"

生成一个`MapReduceTask[Stage-1]`对象，`MapReduceTask[Stage-1]`对象的`MapWork`属性保存Operator根节点的引用。由于OperatorTree之间之间的Parent Child关系，这个时候`MapReduceTask[Stage-1]`包含了以`TS[p]`为根的所有Operator

![Stage-1 生成Map阶段][Stage-1 _Map]

#### Rule \#2 TS%.\*RS% 确定ReduceWork ####

继续遍历TS\[p\]的子Operator，将子Operator存入栈opStack中  
当第一个RS进栈后，即栈opStack = \{TS\[p\], FIL\[18\], RS\[4\]\}时，就会满足下面的规则R2

"".join([t + "%" for t in opStack]) == "TS%.*RS%"

这时候在`MapReduceTask[Stage-1]`对象的`ReduceWork`属性保存`JOIN[5]`的引用

![Stage-1 生成Reduce阶段][Stage-1 _Reduce]

#### Rule \#3 RS%.\*RS% 生成新MapReduceTask对象，切分MapReduceTask ####

继续遍历JOIN\[5\]的子Operator，将子Operator存入栈opStack中

当第二个RS放入栈时，即当栈`opStack = {TS[p], FIL[18], RS[4], JOIN[5], RS[6]}`时，就会满足下面的规则R3

"".join([t + "%" for t in opStack]) == “RS%.*RS%” //循环遍历opStack的每一个后缀数组

这时候创建一个新的`MapReduceTask[Stage-2]`对象，将OperatorTree从`JOIN[5]`和`RS[6]`之间剪开，并为`JOIN[5]`生成一个子Operator `FS[19]`，`RS[6]`生成一个`TS[20]`，`MapReduceTask[Stage-2]`对象的`MapWork`属性保存`TS[20]`的引用。

新生成的`FS[19]`将中间数据落地，存储在HDFS临时文件中。

![Stage-2][]

继续遍历RS\[6\]的子Operator，将子Operator存入栈opStack中

当`opStack = {TS[p], FIL[18], RS[4], JOIN[5], RS[6], JOIN[8], SEL[10], GBY[12], RS[13]}`时，又会满足R3规则

同理生成`MapReduceTask[Stage-3]`对象，并切开 Stage-2 和 Stage-3 的OperatorTree

![Stage-3][]

#### R4 FS% 连接MapReduceTask与MoveTask ####

最终将所有子Operator存入栈中之后，`opStack = {TS[p], FIL[18], RS[4], JOIN[5], RS[6], JOIN[8], SEL[10], GBY[12], RS[13], GBY[14], SEL[15], FS[17]}` 满足规则R4

"".join([t + "%" for t in opStack]) == “FS%”

这时候将`MoveTask`与`MapReduceTask[Stage-3]`连接起来，并生成一个`StatsTask`，修改表的元信息

![MoveTask][]

#### 合并Stage ####

此时并没有结束，还有两个根节点没有遍历。

将opStack栈清空，将toWalk的第二个元素加入栈。会发现`opStack = {TS[du]}`继续满足R1 TS%，生成`MapReduceTask[Stage-5]`

![Stage-5][]

继续从`TS[du]`向下遍历，当`opStack={TS[du], RS[7]}`时，满足规则R2 TS%.\*RS%

此时将`JOIN[8]`保存为`MapReduceTask[Stage-5]`的`ReduceWork`时，发现在一个Map对象保存的Operator与MapReduceWork对象关系的`Map<Operator, MapReduceWork>`对象中发现，`JOIN[8]`已经存在。此时将`MapReduceTask[Stage-2]`和`MapReduceTask[Stage-5]`合并为一个MapReduceTask

![合并 Stage-2 和 Stage-5][Stage-2 _ Stage-5]

同理从最后一个根节点`TS[c]`开始遍历，也会对MapReduceTask进行合并

![合并 Stage-1 和 Stage-6][Stage-1 _ Stage-6]

#### 切分Map Reduce阶段 ####

最后一个阶段，将MapWork和ReduceWork中的OperatorTree以RS为界限剪开

![切分Map Reduce阶段][Map Reduce]

#### OperatorTree生成MapReduceTask全貌 ####

最终共生成3个MapReduceTask，如下图

![OperatorTree生成MapReduceTask全貌][OperatorTree_MapReduceTask]

### Phase6 物理层优化器 ###

这里不详细介绍每个优化器的原理，单独介绍一下MapJoin的优化器

#### MapJoin原理 ####

![mapjoin原理][mapjoin]

MapJoin简单说就是在Map阶段将小表读入内存，顺序扫描大表完成Join。

上图是Hive MapJoin的原理图，出自Facebook工程师Liyin Tang的一篇介绍Join优化的slice，从图中可以看出MapJoin分为两个阶段：

1.  通过MapReduce Local Task，将小表读入内存，生成HashTableFiles上传至Distributed Cache中，这里会对HashTableFiles进行压缩。
2.  MapReduce Job在Map阶段，每个Mapper从Distributed Cache读取HashTableFiles到内存中，顺序扫描大表，在Map阶段直接进行Join，将数据传递给下一个MapReduce任务。

![conditionaltask][]

如果Join的两张表一张表是临时表，就会生成一个ConditionalTask，在运行期间判断是否使用MapJoin

#### CommonJoinResolver优化器 ####

CommonJoinResolver优化器就是将CommonJoin转化为MapJoin，转化过程如下

1.  深度优先遍历Task Tree
2.  找到JoinOperator，判断左右表数据量大小
3.  对与小表 + 大表 => MapJoinTask，对于小/大表 + 中间表 => ConditionalTask

遍历上一个阶段生成的MapReduce任务，发现`MapReduceTask[Stage-2]` `JOIN[8]`中有一张表为临时表，先对Stage-2进行深度拷贝（由于需要保留原始执行计划为Backup Plan，所以这里将执行计划拷贝了一份），生成一个MapJoinOperator替代JoinOperator，然后生成一个MapReduceLocalWork读取小表生成HashTableFiles上传至DistributedCache中。

![mapjoin变换][mapjoin 1]

MapReduceTask经过变换后的执行计划如下图所示

![mapjoin变换][mapjoin 2]

#### MapJoinResolver优化器 ####

MapJoinResolver优化器遍历Task Tree，将所有有local work的MapReduceTask拆成两个Task

![MapJoinResolver][]

最终MapJoinResolver处理完之后，执行计划如下图所示

![MapJoinResolver][MapJoinResolver 1]

### Hive SQL编译过程的设计 ###

从上述整个SQL编译的过程，可以看出编译过程的设计有几个优点值得学习和借鉴

*  使用Antlr开源软件定义语法规则，大大简化了词法和语法的编译解析过程，仅仅需要维护一份语法文件即可。
 *  整体思路很清晰，分阶段的设计使整个编译过程代码容易维护，使得后续各种优化器方便的以可插拔的方式开关，譬如Hive 0.13最新的特性Vectorization和对Tez引擎的支持都是可插拔的。
 *  每个Operator只完成单一的功能，简化了整个MapReduce程序。

### 社区发展方向 ###

Hive依然在迅速的发展中，为了提升Hive的性能，hortonworks公司主导的Stinger计划提出了一系列对Hive的改进，比较重要的改进有：

*  Vectorization - 使Hive从单行单行处理数据改为批量处理方式，大大提升了指令流水线和缓存的利用率
 *  Hive on Tez - 将Hive底层的MapReduce计算框架替换为Tez计算框架。Tez不仅可以支持多Reduce阶段的任务MRR，还可以一次性提交执行计划，因而能更好的分配资源。
 *  Cost Based Optimizer - 使Hive能够自动选择最优的Join顺序，提高查询速度
 *  Implement insert, update, and delete in Hive with full ACID support - 支持表按主键的增量更新

我们也将跟进社区的发展，结合自身的业务需要，提升Hive型ETL流程的性能

### 参考 ###

Antlr: [http://www.antlr.org/][http_www.antlr.org]  
Wiki Antlr介绍: [http://en.wikipedia.org/wiki/ANTLR][http_en.wikipedia.org_wiki_ANTLR]  
Hive Wiki: [https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/Home][https_cwiki.apache.org_confluence_display_Hive_Home]  
HiveSQL编译过程: [http://www.slideshare.net/recruitcojp/internal-hive][http_www.slideshare.net_recruitcojp_internal-hive]  
Join Optimization in Hive: [Join Strategies in Hive from the 2011 Hadoop Summit (Liyin Tang, Namit Jain)][Join Strategies in Hive from the 2011 Hadoop Summit _Liyin Tang_ Namit Jain]  
Hive Design Docs: [https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/DesignDocs][https_cwiki.apache.org_confluence_display_Hive_DesignDocs]

[MapReduce CommonJoin]: /images/20220607/e3a93402d1d746c68532f653f4037b7c.png
[MapReduce Group By]: /images/20220607/55819b7f7794401796a1f2119918da5f.png
[MapReduce Distinct]: /images/20220607/fd63f89b4e8045b3848b44ce33bc7216.png
[MapReduce Multi Distinct]: /images/20220607/421f025adb904d67a419fa449ecd5e25.png
[MapReduce Multi Distinct 1]: /images/20220607/4724ba5fed624090a2f6e6eca5afde56.png
[SQL_AST Tree]: /images/20220607/66fad247674441d187443ef9c37187e3.png
[AST Tree]: /images/20220607/bcdd9a2ab9824cc6a2bee68066ba212e.png
[QueryBlock]: /images/20220607/83209953d29f48a8872c5909c87e338b.png
[QueryBlock 1]: /images/20220607/824ad7c5eff2452aa8037156bf299627.png
[Join to Operator]: /images/20220607/05d3579976d24f4bb693c7f4028331e1.png
[Join to Operator 1]: /images/20220607/62a27d1cf29f4075a6b60d7a5f8a1e04.png
[Where to Operator]: /images/20220607/3061111f446545dd91efbdae9b0dac12.png
[GroupBy to Operator]: /images/20220607/c9f35f3c3c8f4747909812c85adf2fb1.png
[FileSinkOperator]: /images/20220607/4583036bc2b44c6d974e2b64b24fbf82.png
[Hive Correlation Optimizer]: https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/Correlation+Optimizer
[PredicatePushDown]: /images/20220607/4f074e9a3d1d448785546ae7a201102e.png
[NonBlockingOpDeDupProc]: /images/20220607/e97015fa323a413ca8b4e2e61ca4748b.png
[ReduceSinkDeDuplication]: /images/20220607/c7671fa454c14b3b9be0b5b413141388.png
[ReduceSinkDeDuplication 1]: /images/20220607/8388806be22143e19a38fe73a2af31dd.png
[begin-walk.png]: /images/20220607/a953aad5bc19488880a9fba0ad9a1fe1.png
[Stage-1 _Map]: /images/20220607/0deb372a67004c68af01c03642834b70.png
[Stage-1 _Reduce]: /images/20220607/810eb59e9a5d4486bbf9419fde5895e7.png
[Stage-2]: /images/20220607/fe502a4c422e411ab1c75117940f42a8.png
[Stage-3]: /images/20220607/ccc094c328c643f3947e7aa9bbdc300d.png
[MoveTask]: /images/20220607/e6adb22084b64067a3ac1969636e0468.png
[Stage-5]: /images/20220607/6ae06b5b8da84fb1900e102c23eaf2ec.png
[Stage-2 _ Stage-5]: /images/20220607/86b0d09823504a9c98e253f2064d08c1.png
[Stage-1 _ Stage-6]: /images/20220607/8f6df09167ea4ea59d4d3140e0442282.png
[Map Reduce]: /images/20220607/4fcf9f21dff849159eaaa6cc0eb4b7ed.png
[OperatorTree_MapReduceTask]: /images/20220607/db6ec82460b14240b22cc4df09de22aa.png
[mapjoin]: /images/20220607/a2aa3304a3fd4787b5169110b861a004.png
[conditionaltask]: /images/20220607/0b4ee52153ae45a9864d27790ef05349.png
[mapjoin 1]: /images/20220607/c5f1637783194037b5c4e5f53f7d6726.png
[mapjoin 2]: /images/20220607/69807049ca10431ea0911da8f9257dee.png
[MapJoinResolver]: /images/20220607/8f4ad0ba62e44fa88d5aa5e01252edf3.png
[MapJoinResolver 1]: /images/20220607/c61d8dde7e964aa39317f98febc52646.png
[http_www.antlr.org]: http://www.antlr.org/
[http_en.wikipedia.org_wiki_ANTLR]: http://en.wikipedia.org/wiki/ANTLR
[https_cwiki.apache.org_confluence_display_Hive_Home]: https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/Home
[http_www.slideshare.net_recruitcojp_internal-hive]: http://www.slideshare.net/recruitcojp/internal-hive
[Join Strategies in Hive from the 2011 Hadoop Summit _Liyin Tang_ Namit Jain]: https://cwiki.apache.org/confluence/download/attachments/27362054/Hive+Summit+2011-join.pdf?version=1&modificationDate=1309986642000
[https_cwiki.apache.org_confluence_display_Hive_DesignDocs]: https://cwiki.apache.org/confluence/display/Hive/DesignDocs