Spark SQL catalyst概述和SQL Parser的具体实现

之前已经对spark core做了较为深入的解读，在如今SQL大行其道的背景下，spark中的SQL不仅在离线batch处理中使用广泛，structured streamming的实现也严重依赖spark SQL。因此，接下来，会对spark SQL做一个较为深入的了解。

本文首先介绍一下spark sql的整体流程，然后对这个流程之中涉及到的第一个步骤：SQL语法解析部分做一下较为深入的分析。

1，spark sql概述

首先截取一张任何介绍spark sql实现都会出现的图（如下）。

总体执行流程如下：从提供的输入API（SQL，Dataset， dataframe）开始，依次经过unresolved逻辑计划，解析的逻辑计划，优化的逻辑计划，物理计划，然后根据cost based优化，选取一条物理计划进行执行。从unresolved logical plan开始， sql的查询是通过抽象语法树（AST）来表示的，所以以后各个操作都是对AST进行的等价转换操作。针对以上过程作如下几点说明：

1，编程接口：通过像df.groupBy("age")这样的Dataset接口构造查询过程，抽象语法树（AST）会自动建立。而通过“SELECT name, count(age) FROM people where age > 21 group by name” 这样的sql语句进行查询时，需要增加一个步骤是，需要将SQL解析成AST（spark 2.2中目前是借助于antlr4来做的，具体见后面分析）。

2，经过步骤1后，我们可以得到unresolved logical plan，此时像以上sql中的name，count（age），people都是unresolved attribute，relation等，他们是AST树TreeNode的一中类型，但是他们是不能被计算的（实现了Unevaluable接口）。

3，unresolved logical plan通过Analyzer模块定义的一系列规则，将步骤2中的unresolved的attribute，relation借助catalog去解析，如将之前提到的unresolved attribute转换成resolved attribute。此时，如果sql中某个表不存在或者列和表不对应，在此阶段便可以发现。Analyzer定义一系列部分规则如下：

4，解析成resolved logical plan以后，通过一系列优化规则会将resolved logical plan的AST转化成optimized logical plan的AST。这些优化包括基于规则和代价的优化，比如谓词下推，列值裁剪等。

5，AST到了optimized logical plan以后，利用如下的策略将逻辑计划转化成物理计划，物理计划是可以执行的计划。当有相关的action操作时，物理计划便可以执行。

2，SQL Parser的具体实现

在上节步骤1中提到，如果使用选择使用SQL进行查询，首先需要将SQL解析成spark中的抽象语法树（AST）。在spark中是借助开源的antlr4库来解析的。Spark SQL的语法规则文件是：SqlBase.g4。该文件以及生成的相关文件截图如下。

在生成的文件中SqlBaseBaseListener和SqlBaseBaseVistor分别代表两种遍历AST的方法，在spark中主要用了visitor模式。

接下来，将看一下spark中，当使用spark.sql("select *** from ...")时，sql怎么解析成spark内部的AST的？

1，用户调用的spark.sql的入口是sparkSession中sql函数，该函数最终返回DataFrame（DataSet[Row]），sql的解析的过程主要是在

sessionState.sqlParser.parsePlan(sqlText)中发生的。

def sql(sqlText: String): DataFrame = {
  Dataset.ofRows(self, sessionState.sqlParser.parsePlan(sqlText))
}

2，调用到parsePlan，将调用parse函数，传入的两个参数分为：sql语句，sqlBaseParse到LogicalPlan的一个函数。

override def parsePlan(sqlText: String): LogicalPlan = parse(sqlText) { parser =>
  astBuilder.visitSingleStatement(parser.singleStatement()) match {
    case plan: LogicalPlan => plan
    case _ =>
      val position = Origin(None, None)
      throw new ParseException(Option(sqlText), "Unsupported SQL statement", position, position)
  }
}

3，在parse函数中，首先构造SqlBaseLexer词法分析器，接着构造Token流，最终SqlBaseParser对象，然后一次尝试用不同的模式去进行解析。最终将执行parsePlan中传入的函数。

4，在步骤2中，astBuilder是SparkSqlAstBuilder的实例，在将Antlr中的匹配树转换成unresolved logical plan中，它起着桥梁作用。

astBuilder.visitSingleStatement使用visitor模式，开始匹配SqlBase.g4中sql的入口匹配规则：

singleStatement
 : statement EOF
 ;

递归的遍历statement，以及其后的各个节点。在匹配过程中，碰到叶子节点，就将构造Logical Plan中对应的TreeNode。如当匹配到

singleTableIdentifier
 : tableIdentifier EOF
 ;

规则时(单表的标识符)。即调用的函数如下：

override def visitSingleTableIdentifier(
    ctx: SingleTableIdentifierContext): TableIdentifier = withOrigin(ctx) {
  visitTableIdentifier(ctx.tableIdentifier)
}

可以看到将递归遍历对应的tableIdentifier，tableIdentifier的定义和遍历规则如下：

tableIdentifier
 : (db=identifier '.')? table=identifier
 ;

override def visitTableIdentifier(
    ctx: TableIdentifierContext): TableIdentifier = withOrigin(ctx) {
  TableIdentifier(ctx.table.getText, Option(ctx.db).map(_.getText))
}

可以看到当匹配到tableIdentifier，将直接生成TableIdentifier对象，而该对象是TreeNode的一种。经过类似以上的过程，匹配结束后整个spark内部的抽象语法树也就建立起来了。

3，小结

本文主要介绍spark catalyst的总体执行情况，以及sql parse的具体实现细节。接下来，计划还将对Analyzer，Optimization，以及执行的过程做更深入的分析。