Databend SQL Planner 全新設計

databend發表於2022-06-22
SQL

前言

為了支援複雜的 SQL 查詢，並且提供更好的使用體驗，我們在最近的幾個月裡對 Databend 的 SQL planner 進行了大規模的重構。目前重構已經接近尾聲，感興趣的朋友可以通過修改 Databend 的 Session settings

SET enable_planner_v2 = 1

來啟用新 planner 進行搶先體驗。

功能亮點

更加友好的查詢體驗

無論是資料分析師還是開發人員，在編寫 SQL 查詢的時候總會遇到各種各樣的報錯。尤其是在 SQL 查詢較為複雜的情況下，排查報錯成了許多人的噩夢（筆者本人曾經修改過有數十個 JOIN 子句的 MySQL 查詢，從此對 MySQL 的錯誤提示深惡痛絕）。

為了改善這方面的使用者體驗，我們在新的 Planner 中引入了嚴格的語義檢查環節，使得大部分的錯誤可以在查詢編譯階段就被攔截。同時為了方便使用者定位錯誤的位置，我們也引入了全新的錯誤提示演算法。

當你的 SQL 查詢使用了錯誤的語法時（比如寫錯了關鍵字，或者遺漏了某些子句），Databend 會為你提供提示資訊：

當你的 SQL 查詢出現語義上的錯誤時（比如使用了不存在的 Column，或者 Column 具有歧義），Databend 也會為你指出錯誤出現的位置：

在編寫複雜查詢時，依然可以獲得較好的體驗：

支援 JOIN 查詢與關聯子查詢

在新的 SQL planner 中，我們支援了 JOIN 查詢（INNER JOIN，OUTER JOIN，CROSS JOIN）與關聯子查詢，並且提供了 Hash Join 演算法用以執行 JOIN 查詢。

JOIN 查詢的相關文件已經發布在 https://databend.rs/doc/refer...，你可以查閱文件以瞭解 Databend 中 JOIN 查詢的使用方式。

在 OLAP 查詢中，JOIN 是非常重要的一部分。在傳統的星型模型和雪花模型中，我們都需要通過 JOIN 查詢將維度表與事實表連線起來以生成結果報表。

TPCH Benchmark 是由 TPC 委員會制定的一套 OLAP 查詢基準測試標準，用於評測資料庫系統的 OLAP 能力。其中包含了 8 張表，分別是：

  • Lineitem：產品專案
  • Orders：訂單資訊
  • Customer：顧客資訊
  • Part：零部件資訊
  • Supplier：供應商資訊
  • Partsupp：零件與供應商的關係表
  • Nation：國家資訊
  • Region：地區資訊

TPCH 中有 22 條複雜的查詢，對應不同的商業需求。這裡以 Q9 查詢為例，它的用途是計算指定年度和地區的利潤額，其中包含了大量的 JOIN 計算。在新的 Planner 中，我們已經可以支援該查詢：

關聯子查詢同樣也是 SQL 中的重要組成部分，通過關聯子查詢可以輕鬆表示複雜的查詢邏輯。TPCH 的 Q4 就是一個例子，它的用途是計算一段時間內各優先順序的訂單的交付情況。其中使用了 EXISTS 關聯子查詢來篩選逾期收貨的訂單：

目前 Databend 僅支援了關聯子查詢的簡單執行，相關的查詢優化工作仍在進行中，敬請期待。

全新架構

新的 SQL planner 中我們對 SQL 解析的流程進行了重新設計，以支撐更加複雜的語義分析和 SQL 優化。在新的 SQL planner 中，一條 SQL 語句通過客戶端傳送到 databend-query server 後，會按照下圖所示的順序由不同的元件進行處理，最終將查詢的結果返回給客戶端：

收到 SQL 查詢後，Parser 元件會對其進行解析。在此步驟中如果遇到了語法錯誤則會直接將錯誤資訊返回給客戶端，解析成功則會生成查詢對應的 AST(抽象語法樹)。

Parser

為了提供更豐富的語法分析功能和更好的開發體驗，我們開發了一套基於 nom Parser combinator 的 DSL (領域特定語言) nom-rule，並基於該框架重新編寫了 SQL Parser。

在這套框架下我們可以非常輕鬆地定義一條 Statement 的語法，以 CREATE TABLE 語句為例，我們可以使用 DSL 將其簡單描述為：

CREATE ~ TABLE ~ #identifier ~ "(" ~ (#column_def)+ ~ ")" ~ ";"

優雅的語法大大提高了編寫 Parser 的樂趣，歡迎有興趣的朋友們進行嘗試。

Binder

由 Parser 成功解析出 AST 後，我們會通過 Binder 對其進行語義分析，並且生成一個初始的 Logical Plan（邏輯計劃）。在此過程中，我們會進行不同型別的語義分析：

  • Name resolution：通過查詢 Databend Catalog 中相關的 Table, Column 物件資訊，來檢查 SQL 查詢中引用的變數的合法性。並將合法的變數與對應的物件進行繫結，以進行後續的分析。
  • Type check：根據 name resolution 中拿到的資訊，對錶達式的合法性進行檢查，並且為表示式尋找合適的返回型別。
  • Subquery unnesting：將表示式中的子查詢提取出來，翻譯成關係代數的形式
  • Grouping check: 對於含有聚合計算的查詢，分析是否在聚合函式以外引用了非聚合列

通過語義分析，我們可以排除掉絕大多數的語義錯誤，並在編譯階段將其返回給使用者，以提供最佳的錯誤排查體驗。

Optimizer

得到初始的 Logical Plan 後，優化器會對其進行改寫和優化，最終生成一個可執行的 Physical Plan 。

在新的 Planner 中，我們引入了一套基於 Transformation Rule 的優化器框架（Volcano/Cascades）。通過定義一個關係代數子樹結構的 Pattern 以及相關的 Transform 邏輯，即可實現一個獨立的 Rule。

以簡單的 Predicate Push Down 為例：

我們只需要定義輸入的 Plan 的 Pattern：

impl RulePushDownFilterProject {
    pub fn new() -> Self {
        Self {
            id: RuleID::PushDownFilterProject,
            // Filter
            //  \
            //   Project
            //    \
            //     *
            pattern: SExpr::create_unary(
                Pattern {
                    plan_type: RelOp::Filter,
                },
                SExpr::create_unary(
                    Pattern {
                        plan_type: RelOp::Project,
                    },
                    SExpr::create_leaf(
                        Pattern {
                            plan_type: RelOp::Pattern,
                        },
                    ),
                ),
            ),
        }
    }
}

並且實現一個進行轉換的函式：

impl RulePushDownFilterProject {
    pub fn apply(&self, s_expr: SExpr) -> Result<SExpr> {
        let filter = s_expr.plan().into();
        let project = s_expr.child(0).plan().into();
        let result = SExpr::create_unary(
            project, 
            SExpr::create_unary(
                filter,
                s_expr.child(0).child(0)
            )
        );
        
        Ok(result)
    }
}

Interpreter

通過 Optimizer 生成 Physical Plan 後，我們會將其翻譯成可執行的 Pipeline，並交由 Databend 的 Processor 執行框架進行計算。至此 Planner 的工作就告一段落，相信讀者也對新 Planner 的架構有了一個初步的瞭解。更多的技術細節請關注我們的後續文章。

未來規劃

從頭構建一個 SQL Planner 是一件十分具有挑戰性的事情，但是通過重新的設計和開發，我們可以找到最適合系統本身的架構與功能。在未來的一段時間裡，我們將持續完善和鞏固新的 SQL Planner，功能方面則會注重於：

  • Cost-based Optimization（CBO, 基於代價的優化）
  • 分散式查詢優化
  • 更多的優化規則

目前，新的 SQL planner 的遷移工作已經接近尾聲，你可以通過該 issue 追蹤進度。預計在七月份內所有的遷移工作將會完成， 屆時我們將會發布版本更新的公告，敬請期待。

關於 Databend

Databend 是一款開源、彈性、低成本，基於物件儲存也可以做實時分析的新式數倉。期待您的關注，一起探索雲原生數倉解決方案，打造新一代開源 Data Cloud。


文章首發於公眾號：Databend

相關文章