深入浅出Calcite与SQL CBO（Cost-Based Optimizer）优化

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Calcite简介与CBO介绍
- Calcite背景与介绍
- SQL优化与CBO
Calcite优化器
- HepPlanner优化器与VolcanoPlanner优化器
- Calcite优化样例代码介绍

前阵子工作上需要用到Calcite做一些事情，然后发现这个东西也是蛮有意思的，就花了些时间研究了一下。本篇主要围绕SQL 优化这块来介绍Calcite，后面会介绍Hive如何Calcite进行SQL的优化。

此外，也将Calcite的一些使用样例整理成到github，https://github.com/shezhiming/calcite-demo。里面包含了基础的CSV适配器例子，从这个例子延伸出的SQL解析，校验，RBO优化，CBO优化，以及自定义RelNode，自定义Cost信息，自定义rule等使用用例。如果觉得有帮助不妨点个start吧。

Calcite简介与CBO介绍

Calcite背景与介绍

先来说Calcite出现的背景，在上世纪，关系型数据库系统基本主导了数据处理领域，但是在Google三篇创世纪论文发表后，大家开始意识到，一种适合所有场景的数据库是不存在的。事实上，今天也确实是这样，许多特定场景下的数据处理系统已经成为主流，比如流处理领域的Flink，Storm，批处理领域的Spark SQL，文本搜索领域的Elasticsearch等等。而在开发不同特定场景的数据处理系统的时候，有两个主要问题。

一个是每种系统基本都需要查询语言（SQL）及相关拓展（比如流式SQL查询），或是开发过程中碰到查询优化问题，没有一个统一框架，那么每个系统都要一套自己的查询解析框架，那无疑是在重复造轮子。
另一个问题是，开发的这些系统通常要对接或集成其他系统，比如Kylin集成MR，Spark，Hbase等，如何支持跨异构数据源也是一个问题。

Calcite就是为了解决这些问题而生的。

说完背景，再来简单介绍Calcite。从功能上说，Calcite提供了通过SQL管理数据的能力，但是它本身不存储数据。最简单的例子，假如你有一些CSV文件，想通过SQL来查询这些CSV文件，那Calcite就很适合。要做到这一点，只需要提供一个有关CSV的适配器，告诉Calcite文件位置，字段这些信息（这些信息称为Schema）。Calcite就可以帮你实现SQL查询这些CSV文件，这只是最基础的功能。当然这个例子有些鸡肋，将CSV可以直接导入到Mysql同样能用SQL查询，但换个东西，Elasticsearch的数据，你总不能导到Mysql再用SQL查吧，这时候就能用Calcite实现SQL检索ES的数据。

具体CSV适配器例子，可以看我在最开始的github代码里面看到，：Calcite-demo-csv

实际效果大概是这样：

上述例子通过从配置文件中获取定义的Schema信息，然后就能编写对应的SQL进行查询。

从设计特点来说，因为Calcite的目的是提供一个通用的查询引擎，所以它的设计目标就是flexible， embeddable， and extensible，即灵活，可插拔，可拓展。这里可以顺便看一下它的架构图：

Calcite中的各个模块，Parse，Validate，Optimizer，都是可以单独拿出来用，并且可以方便得对其进行拓展。比如你想拓展你的SQL解析，想支持诸如"my select t1.a from t1"这样的语句，Calcite就有提供对应的接口（当然这算是比较高级的用法）。所以诸多开源框架，包括大家耳熟能详的Apache Hive，Apche Storm，Apache Flink，Apache Kylin等等，都会选择使用Calcite作为自己的SQL解析引擎，因为通用的东西直接用，定制化的东西可以方便得自定义。

此外，Calcite还有一些高级用法，比如物化视图，流式SQL支持等等，这里就不做展开。

接下来再介绍下SQL优化。

SQL优化与CBO

SQL从诞生到现在已经有几十年的时间了，尽管前几年nosql一度自我感觉良好号称要去掉sql，却也被现实教做人不得不改口，说是自己其实是not only sql，从这点可以看出sql语言的强大和通用。

说回sql，sql是一种声明式语言，所谓声明式，就是用户只需要告诉机器我要什么样的结果，机器会自己摸索并帮助用户找到结果返回。与之相比的是命令式语言，需要详细告诉机器如何执行，比如常见的编程语言。

那么作为声明式语言，如何帮助用户高效准确地获取到结果，这就是机器的责任。在这其中，SQL优化是许多研究者一直在探索的一个领域。

SQL优化的发展，则可以分为两个阶段，即RBO（Rule Base Optimization），和CBO（Cost Base Optimization）。

先简单说下RBO，RBO主要是开发人员在使用SQL的过程中，有些发现有些通用的规则，可以显著提高SQL执行的效率，比如最经典的filter下推：

上面图片的意思很明显，我们都知道join是非常耗时的一个操作，且性能与join双方数据量大小呈线性关系（通常情况下）。那么很自然的一个优化，就是尽可能减少join左右双方的数据量，于是就想到了先filter再join这样一个rule。而非常多个类似的rule，就构成了RBO。

但后面开发者发现，RBO确实能够对通用情况下对SQL进行优化，但在有些需要本地状态才能优化的场景却无能为力。比如某个计算引擎，在数据量小于XXX的时候，可以做一些特殊的优化操作，这种场景下RBO无能为力。

而这就是CBO出现的背景了，CBO全称Cost Base Optimization，基于Cost的优化，其中Cost指的是执行SQL所需要的资源，通常是行数rowcount，CPU，内存，IO等等。基于Cost意思就是根据需要的资源，做更加智能的优化。

最典型的例子，就是Spark的join的选择。在Spark中，join会触发Shuffle操作，这种操作类型是非常消耗资源的。而Spark有三种类型的join，分别是broadcase join，将小的表广播到所有节点，在内存中hash碰撞进行join，这种join避免节点间shuffle操作，性能最好，但条件也苛刻。第二种是hash join，就是普通的shuffle join。第三种是sort merge join，先排序然后join，类似归并的思想，排序后能减少一些hash碰撞后的数据扫描，在join双方都是大表的情况下性能较好。

选择哪种类型的join，就要根据数据类型来选择，如果一方是小表，就用broadcase join，如果双方都是大表，就用sort merge join，否则就是 hash join。而这就需要用到Cost的信息了。

小结一下，RBO和CBO的区别大概在于，RBO只会无脑得应用提供的rule，而CBO会根据给出的Cost信息，智能应用rule，求出一个Cost最低的执行计划。需要纠正很多人误区的一点是，CBO其实也是基于rule的，接触到RBO和CBO这两个概念的时候，很容易将他们对立起来。但实际上CBO，可以理解为就是加上Cost的RBO。

Calcite优化器

HepPlanner优化器与VolcanoPlanner优化器

Calcite提供了两类型的优化器，即上述所说的RBO优化器和CBO优化器，在Calcite中的具体实现类对应HepPlanner（RBO）和VolcanoPlanner（CBO）。

其中HepPlanner简单理解就是两个循环，第一个循环会遍历用户提供的rule，第二个循环会遍历SQL树的节点，每当rule匹配到对应树节点的时候，会重新进行一遍循环。这个比较好理解。

而VolcanoPlanner则相对复杂一些，它不是简单地应用rule，而是会使用动态规划算法，计算每种rule匹配后生成新的SQL树的Cost信息，与原先SQL树的Cost信息相比较，如果新的树的Cost比较低，那么才会真正应用对应的rule。

当然这里都只是简单介绍，更加具体的内容，可以看看下面的两篇文章，一篇主要从理论的角度介绍了Calcite优化的原理，一篇从源码实现的角度剖析优化流程。

SQL 查询优化原理与 Volcano Optimizer 介绍
Apache Calcite 优化器详解（二）

同时我的github代码中也有提供RBO和CBO相关的测试样例（主要是Test5和Test6），可以通过debug来看具体的执行流程，再结合理论和上述文章的解析，相信会有更加深入的理解。

Calcite优化样例代码介绍

github代码中Test6主要对比了RBO和CBO的差异，这里再顺便说下Test6测试样例的逻辑，其中的输出结果大概是这样：

这里有比较多自定义的内容，不过也很好理解。最开始就是简单地将SQL解析成RelNode树（RelNode可以理解树节点吧）。然后提供自定义的rule，使用RBO将对应RelNode转成CSV类型的RelNode（RBO optimizer 1），改变下rule顺序，会发现生成了NewCsvProject而不再是CSVProject（RBO optimizer 2）。

最后是CBO，代码实现是自定义了一个CsvProject->NewCsvProject的rule，添加到VolcanoPlanner中。最终会发现，修改NewCsvProject的computeSelfCost()方法返回的Cost信息，该条rule会产生不同的效果，即CBO的体现。

以上就是本篇的全部内容，下面一篇主要介绍hive Sql解析的流程，以及在这个过程中如何应用Calcite来进行优化。

参考文章：