1 介绍

官网:http://calcite.apache.org/

Apache Calcite是一款开源的动态数据管理框架,它提供了标准的 SQL 语言、多种查询优化和连接各种数据源的能力,但不包括数据存储、处理数据的算法和存储元数据的存储库。

Calcite 之前的名称叫做optiq,optiq 起初在 Hive 项目中,为 Hive 提供基于成本模型的优化,即CBO(Cost Based Optimizatio)。2014 年 5 月 optiq 独立出来,成为 Apache 社区的孵化项目,2014 年 9 月正式更名为 Calcite。

Calcite 的目标是“one size fits all(一种方案适应所有需求场景)”,希望能为不同计算平台和数据源提供统一的查询引擎。

2 架构与解析步骤

一般来说Calcite解析SQL有以下几步:

  • Parser. 此步中Calcite通过Java CC将SQL解析成未经校验的AST
  • Validate. 该步骤主要作用是校证Parser步骤中的AST是否合法,如验证SQL scheme、字段、函数等是否存在; SQL语句是否合法等. 此步完成之后就生成了RelNode树(关于RelNode树, 请参考下文)
  • Optimize. 该步骤主要的作用优化RelNode树, 并将其转化成物理执行计划。主要涉及SQL规则优化如:基于规则优化(RBO)及基于代价(CBO)优化; Optimze 这一步原则上来说是可选的, 通过Validate后的RelNode树已经可以直接转化物理执行计划,但现代的SQL解析器基本上都包括有这一步,目的是优化SQL执行计划。此步得到的结果为物理执行计划。
  • Execute,即执行阶段。此阶段主要做的是:将物理执行计划转化成可在特定的平台执行的程序。如Hive与Flink都在在此阶段将物理执行计划CodeGen生成相应的可执行代码。

2.1 查询优化

INSERT INTO tmp_node
SELECT s1.id1, s1.id2, s2.val1
FROM source1 as s1 INNER JOIN source2 AS s2
ON s1.id1 = s2.id1 and s1.id2 = s2.id2 where s1.val1 > 5 and s2.val2 = 3;

2.2 Parser解析

LogicalTableModify(table=[[TMP_NODE]], operation=[INSERT], flattened=[false])
  LogicalProject(ID1=[$0], ID2=[$1], VAL1=[$7])
    LogicalFilter(condition=[AND(>($2, 5), =($8, 3))])
      LogicalJoin(condition=[AND(=($0, $5), =($1, $6))], joinType=[INNER])
        LogicalTableScan(table=[[SOURCE1]])
        LogicalTableScan(table=[[SOURCE2]])

2.3 Optimize优化

谓词下推,投影下推,关系代数定律优化

LogicalTableModify(table=[[TMP_NODE]], operation=[INSERT], flattened=[false])
  LogicalProject(ID1=[$0], ID2=[$1], VAL1=[$7])
      LogicalJoin(condition=[AND(=($0, $5), =($1, $6))], joinType=[inner])
        LogicalFilter(condition=[=($4, 3)])  
          LogicalProject(ID1=[$0], ID2=[$1],      ID3=[$2], VAL1=[$3], VAL2=[$4],VAL3=[$5])
            LogicalTableScan(table=[[SOURCE1]])
        LogicalFilter(condition=[>($3,5)])    
          LogicalProject(ID1=[$0], ID2=[$1], ID3=[$2], VAL1=[$3], VAL2=[$4],VAL3=[$5])
            LogicalTableScan(table=[[SOURCE2]])

3 LogicalTableScan查询

如上,节点树中的最后节点均为LogicalTableScan,假设我们不参与(LogicalTableScan)Calcite的查询过程,即不做SQL解析,不做优化,只要把它接入进来,实际Calcite是可以工作的,无非就是可能会有扫全表、数据全部加载到内存里等问题,所以实际中我们可能会参与全部(Translatable)或部分工作(FilterableTable),覆盖Calcite的一些执行计划或过滤条件,让它能更高效的工作。

值得一提的是,Calcite支持异构数据源查询,比如数据存在es和mysql,可以通过写sql join之类的操作,让calcite分别先从不同的数据源查询数据,然后再在内存里进行合并计算;另外,它本身提供了许多优化规则,也支持我们自定义优化规则,来优化整个查询。

3.1 ScannableTable

a simple implementation of Table, using the ScannableTable interface, that enumerates all rows directly

这种方式基本不会用,原因是查询数据库的时候没有任何条件限制,默认会先把全部数据拉到内存,然后再根据filter条件在内存中过滤。

使用方式:实现Enumerable scan(DataContext root);,该函数返回Enumerable对象,通过该对象可以一行行的获取这个Table的全部数据。

3.2 FilterableTable

a more advanced implementation that implements FilterableTable, and can filter out rows according to simple predicates

初级用法,我们能拿到filter条件,即能再查询底层DB时进行一部分的数据过滤,一般开始介入calcite可以用这种方式(translatable方式学习成本较高)。

使用方式:实现Enumerable scan(DataContext root, List filters )

如果当前类型的“表”能够支持我们自己写代码优化这个过滤器,那么执行完自定义优化器,可以把该过滤条件从集合中移除,否则,就让calcite来过滤,简言之就是,如果我们不处理List filters ,Calcite也会根据自己的规则在内存中过滤,无非就是对于查询引擎来说查的数据多了,但如果我们可以写查询引擎支持的过滤器(比如写一些hbase、es的filter),这样在查的时候引擎本身就能先过滤掉多余数据,更加优化。提示,即使走了我们的查询过滤条件,可以再让calcite帮我们过滤一次,比较灵活。

3.3 TranslatableTable

advanced implementation of Table, using TranslatableTable, that translates to relational operators using planner rules.

高阶用法,有些查询用上面的方式都支持不了或支持的不好,比如join、聚合、或对于select的字段筛选等,需要用这种方式来支持,好处是可以支持更全的功能,代价是所有的解析都要自己写,“承上启下”,上面解析sql的各个部件,下面要根据不同的DB(esmysqldrudi..)来写不同的语法查询。

当使用ScannableTable的时候,我们只需要实现函数Enumerable scan(DataContext root);,该函数返回Enumerable对象,通过该对象可以一行行的获取这个Table的全部数据(也就意味着每次的查询都是扫描这个表的数据,我们干涉不了任何执行过程);当使用FilterableTable的时候,我们需要实现函数Enumerable scan(DataContext root, List filters );参数中多了filters数组,这个数据包含了针对这个表的过滤条件,这样我们根据过滤条件只返回过滤之后的行,减少上层进行其它运算的数据集;当使用TranslatableTable的时候,我们需要实现RelNode toRel( RelOptTable.ToRelContext context, RelOptTable relOptTable);,该函数可以让我们根据上下文自己定义表扫描的物理执行计划,至于为什么不在返回一个Enumerable对象了,因为上面两种其实使用的是默认的执行计划,转换成EnumerableTableAccessRel算子,通过TranslatableTable我们可以实现自定义的算子,以及执行一些其他的rule,Kylin就是使用这个类型的Table实现查询。

4 自定义数据源表接入demo

如果你的数据源不在官方的支持列表中,或者官方的支持不能满足你的需求,那么则需要自己实现源接入。

 4.1 准备工作

4.1.1 maven引入

<!--calcite核心包-->
<dependency>
    <groupId>org.apache.calcite</groupId>
    <artifactId>calcite-core</artifactId>
    <version>1.19.0</version>
</dependency>
<!--项目用-->
<dependency>
    <groupId>com.alibaba</groupId>
    <artifactId>fastjson</artifactId>
    <version>1.2.54</version>
</dependency>
<!--项目用-->
<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>16.0.1</version>
</dependency>

4.1.2 开发流程

calcite中,引入一个数据库通常是通过注册一个SchemaFactory接口实现类来实现。SchemaFactory中只有一个方法,就是生成SchemaSchema最重要的功能是获取所有TableTable有两个功能,一个是获取所有字段的类型,另一个是得到Enumerable迭代器用来读取数据。

4.1.3 配置信息

如果将你的数据源引入calcite,一般情况下是使用一个配置文件,以下是配置文件的demo。

{
  "version": "1.0",
  "defaultSchema": "TEST",
  "schemas": [
    {
      "name": "TEST",
      "type": "custom",
      "factory": "org.apache.calcite.adapter.jdbc.JdbcSchema$Factory",
      "operand": {
        "jdbcUrl": "jdbc:mysql://127.0.0.1:3306/test?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8",
        "jdbcDriver":"com.mysql.cj.jdbc.Driver",
        "jdbcUser":"test",
        "jdbcPassword":"test"
      }
    }
  ]
}

4.2 CSV表demo

这里我们先生成一个CSV文件,后边的操作就是通过在calcite中调用SQL访问CSV中的数据。

TEST01.csv

ID:VARCHAR,NAME1:VARCHAR,NAME2:VARCHAR
0,first,second
1,hello,world

CsvSchemaFactory类

package com.calcite.csv;

import org.apache.calcite.schema.Schema;
import org.apache.calcite.schema.SchemaFactory;
import org.apache.calcite.schema.SchemaPlus;

import java.util.Map;

public class CsvSchemaFactory implements SchemaFactory {

    /**
     * parentSchema 他的父节点,一般为root
     * name     数据库的名字,它在model中定义的
     * operand  也是在mode中定义的,是Map类型,用于传入自定义参数。
     * */
    @Override
    public Schema create(SchemaPlus parentSchema, String name, Map<String, Object> operand) {
        return new CsvSchema(String.valueOf(operand.get("dataFile")));
    }
}

CsvSchema类

package com.calcite.csv;

import com.google.common.collect.ImmutableMap;
import com.google.common.io.Resources;
import org.apache.calcite.schema.Table;
import org.apache.calcite.schema.impl.AbstractSchema;
import org.apache.calcite.util.Source;
import org.apache.calcite.util.Sources;

import java.net.URL;
import java.util.Map;

public class CsvSchema extends AbstractSchema {
    private Map<String, Table> tableMap;
    private String dataFile;

    public CsvSchema(String dataFile) {
        this.dataFile = dataFile;
    }

    @Override
    protected Map<String, Table> getTableMap() {
        URL url = Resources.getResource(dataFile);
        Source source = Sources.of(url);
        if (tableMap == null) {
            final ImmutableMap.Builder<String, Table> builder = ImmutableMap.builder();
            builder.put(this.dataFile.split("\\.")[0],new CsvTable(source));    
            // 一个数据库有多个表名,这里初始化,大小写要注意了,TEST01是表名。
            tableMap = builder.build();
        }
        return tableMap;
    }
}

CsvTable类

package com.calcite.csv;

import com.google.common.collect.Lists;
import org.apache.calcite.DataContext;
import org.apache.calcite.adapter.java.JavaTypeFactory;
import org.apache.calcite.linq4j.AbstractEnumerable;
import org.apache.calcite.linq4j.Enumerable;
import org.apache.calcite.linq4j.Enumerator;
import org.apache.calcite.rel.type.RelDataType;
import org.apache.calcite.rel.type.RelDataTypeFactory;
import org.apache.calcite.schema.ScannableTable;
import org.apache.calcite.schema.impl.AbstractTable;
import org.apache.calcite.sql.type.SqlTypeName;
import org.apache.calcite.util.Pair;
import org.apache.calcite.util.Source;

import java.io.*;
import java.util.List;

public class CsvTable extends AbstractTable implements ScannableTable {
    private Source source;

    public CsvTable(Source source) {
        this.source = source;
    }

    /**
     * 获取字段类型
     */
    @Override
    public RelDataType getRowType(RelDataTypeFactory relDataTypeFactory) {
        JavaTypeFactory typeFactory = (JavaTypeFactory)relDataTypeFactory;

        List<String> names = Lists.newLinkedList();
        List<RelDataType> types = Lists.newLinkedList();

        try {
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new FileReader(source.file()));
            String line = reader.readLine();
            List<String> lines = Lists.newArrayList(line.split(","));
            lines.forEach(column -> {
                String name = column.split(":")[0];
                String type = column.split(":")[1];
                names.add(name);
                types.add(typeFactory.createSqlType(SqlTypeName.get(type)));
            });

        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return typeFactory.createStructType(Pair.zip(names, types));
    }

    @Override
    public Enumerable<Object[]> scan(DataContext dataContext) {
        return new AbstractEnumerable<Object[]>() {
            @Override
            public Enumerator<Object[]> enumerator() {
                return new CsvEnumerator<>(source);
            }
        };
    }
}

CsvEnumerator类

package com.calcite.csv;

import org.apache.calcite.linq4j.Enumerator;
import org.apache.calcite.util.Source;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;

public class CsvEnumerator <E> implements Enumerator<E> {

    private E current;

    private BufferedReader br;

    public CsvEnumerator(Source source) {
        try {
            this.br = new BufferedReader(source.reader());
            this.br.readLine();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

    @Override
    public E current() {
        return current;
    }

    @Override
    public boolean moveNext() {
        try {
            String line = br.readLine();
            if(line == null){
                return false;
            }

            current = (E)line.split(",");    // 如果是多列,这里要多个值
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 出现异常走这里
     * */
    @Override
    public void reset() {
        System.out.println("报错了兄弟,不支持此操作");
    }

    /**
     * InputStream流在这里关闭
     * */
    @Override
    public void close() {

    }
}

model.json

{
  "version": "1.0",
  "defaultSchema": "TEST_CSV",
  "schemas": [
    {
      "name": "TEST_CSV",
      "type": "custom",
      "factory": "com.calcite.csv.CsvSchemaFactory",
      "operand": {
        "dataFile": "TEST01.csv"
      }
    }
  ]
}

Main方法调用

package com.calcite;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.calcite.util.ReourceUtil;
import com.google.common.collect.Lists;
import com.google.common.collect.Maps;

import java.sql.*;
import java.util.List;
import java.util.Map;


public class Client {
    /**
     * 测试的时候用字符串 defaultSchema 默认数据库 name 数据库名称 type custom factory
     * 请求接收类,该类会实例化Schema也就是数据库类,Schema会实例化Table实现类,Table会实例化数据类。
     * operand 动态参数,ScheamFactory的create方法会接收到这里的数据
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {

            // 用文件的方式
            //URL url = Client.class.getResource("/model.json");
            //String str = URLDecoder.decode(url.toString(), "UTF-8");
            //Properties info = new Properties();
            //info.put("model", str.replace("file:", ""));
            //Connection connection = DriverManager.getConnection("jdbc:calcite:", info);

            // 字符串方式
            String model = ReourceUtil.getResourceAsString("model.json");
            Connection connection = DriverManager.getConnection("jdbc:calcite:model=inline:" + model);

            Statement statement = connection.createStatement();

            test1(statement);

        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    
    /**
     * CSV文件读取
     * @param statement
     * @throws Exception
     */
    public static void test1(Statement statement) throws Exception {
        ResultSet resultSet = statement.executeQuery("select * from test_csv.TEST01");
        System.out.println(JSON.toJSONString(getData(resultSet)));
    }
    
    
    
    public static List<Map<String,Object>> getData(ResultSet resultSet)throws Exception{
        List<Map<String,Object>> list = Lists.newArrayList();
        ResultSetMetaData metaData = resultSet.getMetaData();
        int columnSize = metaData.getColumnCount();

        while (resultSet.next()) {
            Map<String, Object> map = Maps.newLinkedHashMap();
            for (int i = 1; i < columnSize + 1; i++) {
                map.put(metaData.getColumnLabel(i), resultSet.getObject(i));
            }
            list.add(map);
        }
        return list;
    }
}

4.3 内存数据源与CSV数据源关联查询demo

在4.2的演示中,我们能够使用SQL查询CSV文件中的数据。接下来,我们再定义一种内存数据源,主要作用是演示两种数据源间的关联查询。

MemSchemaFactory类

package com.calcite.memory;

import org.apache.calcite.schema.Schema;
import org.apache.calcite.schema.SchemaFactory;
import org.apache.calcite.schema.SchemaPlus;

import java.util.Map;


public class MemSchemaFactory implements SchemaFactory {
    @Override
    public Schema create(SchemaPlus schemaPlus, String s, Map<String, Object> map) {
        return new MemSchema(map);
    }
}

MemSchema类

package com.calcite.memory;

import com.google.common.collect.ImmutableMap;
import org.apache.calcite.schema.Table;
import org.apache.calcite.schema.impl.AbstractSchema;

import java.util.Map;

public class MemSchema extends AbstractSchema {
    private Map<String, Object> map;
    private Map<String, Table> tableMap;

    public MemSchema(Map<String, Object> map) {
        this.map = map;
    }

    @Override
    protected Map<String, Table> getTableMap() {
        if (tableMap == null) {
            final ImmutableMap.Builder<String, Table> builder = ImmutableMap.builder();
            map.forEach((key, value) -> {
                builder.put(key, new MemTable(value));
            });
            tableMap = builder.build();
        }
        return tableMap;
    }
}

MemTable类

package com.calcite.memory;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.alibaba.fastjson.TypeReference;
import com.alibaba.fastjson.parser.Feature;
import com.google.common.collect.Lists;
import org.apache.calcite.DataContext;
import org.apache.calcite.adapter.java.JavaTypeFactory;
import org.apache.calcite.linq4j.AbstractEnumerable;
import org.apache.calcite.linq4j.Enumerable;
import org.apache.calcite.linq4j.Enumerator;
import org.apache.calcite.rel.type.RelDataType;
import org.apache.calcite.rel.type.RelDataTypeFactory;
import org.apache.calcite.schema.ScannableTable;
import org.apache.calcite.schema.impl.AbstractTable;
import org.apache.calcite.sql.type.SqlTypeName;
import org.apache.calcite.util.Pair;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.FileNotFoundException;
import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class MemTable extends AbstractTable implements ScannableTable {

    private List<Map<String, Object>> list = Lists.newLinkedList();

    public MemTable(Object list) {
        if (list instanceof List) {
            ((List)list).forEach(o -> {
                this.list.add(
                    JSON.parseObject(JSON.toJSONString(o),
                        new TypeReference<Map<String, Object>>() {},
                        Feature.OrderedField));
            });
        }
    }

    @Override
    public Enumerable<Object[]> scan(DataContext dataContext) {
        return new AbstractEnumerable<Object[]>() {
            @Override
            public Enumerator<Object[]> enumerator() {
                return new MemEnumerator<Object[]>(list);
            }
        };
    }

    @Override
    public RelDataType getRowType(RelDataTypeFactory relDataTypeFactory) {
        JavaTypeFactory typeFactory = (JavaTypeFactory)relDataTypeFactory;

        List<String> names = Lists.newLinkedList();
        List<RelDataType> types = Lists.newLinkedList();

        if (list.size() != 0) {
            list.get(0).forEach((key, value) -> {
                names.add(key);
                types.add(typeFactory.createSqlType(SqlTypeName.get("VARCHAR")));
            });
        }
        return typeFactory.createStructType(Pair.zip(names, types));
    }
}

MemEnumerator类

package com.calcite.memory;

import com.google.common.collect.Lists;
import org.apache.calcite.linq4j.Enumerator;

import java.util.List;
import java.util.Map;

public class MemEnumerator<E> implements Enumerator<E> {

    private List<Map<String, Object>> list = Lists.newLinkedList();
    private int index = -1;
    private E e;

    public MemEnumerator(List<Map<String, Object>> list) {
        this.list = list;
    }

    @Override
    public E current() {
       return e;
    }

    @Override
    public boolean moveNext() {
        if (index+1 >= list.size()){
            return false;
        }else {
            e = (E)list.get(index+1).values().toArray();
            index++;
            return true;
        }
    }

    @Override
    public void reset() {
        index = -1;
        e = null;
    }

    @Override
    public void close() {

    }
}

model.json

{
  "version": "1.0",
  "defaultSchema": "TEST_CSV",
  "schemas": [
    {
      "name": "TEST_CSV",
      "type": "custom",
      "factory": "com.calcite.csv.CsvSchemaFactory",
      "operand": {
        "dataFile": "TEST01.csv"
      }
    },
    {
      "name": "TEST_MEM",
      "type": "custom",
      "factory": "com.calcite.memory.MemSchemaFactory",
      "operand": {
        "MEM_TABLE_1": [
          {
            "ID": 0,
            "MEM_STR": "str0"
          },
          {
            "ID": 1,
            "MEM_STR": "str1"
          },
          {
            "ID": 2,
            "MEM_STR": "str2"
          }
        ]
      }
    }
  ]
}

Main方法调用


package com.calcite;

import com.alibaba.fastjson.JSON;
import com.calcite.util.ReourceUtil;
import com.google.common.collect.Lists;
import com.google.common.collect.Maps;

import java.sql.*;
import java.util.List;
import java.util.Map;


public class Client {
    /**
     * 测试的时候用字符串 defaultSchema 默认数据库 name 数据库名称 type custom factory
     * 请求接收类,该类会实例化Schema也就是数据库类,Schema会实例化Table实现类,Table会实例化数据类。
     * operand 动态参数,ScheamFactory的create方法会接收到这里的数据
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {

            // 用文件的方式
            //URL url = Client.class.getResource("/model.json");
            //String str = URLDecoder.decode(url.toString(), "UTF-8");
            //Properties info = new Properties();
            //info.put("model", str.replace("file:", ""));
            //Connection connection = DriverManager.getConnection("jdbc:calcite:", info);

            // 字符串方式
            String model = ReourceUtil.getResourceAsString("model.json");
            Connection connection = DriverManager.getConnection("jdbc:calcite:model=inline:" + model);

            Statement statement = connection.createStatement();

            test2(statement);
            
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }


    /**
     * CSV文件读取
     * @param statement
     * @throws Exception
     */
    public static void test1(Statement statement) throws Exception {
        ResultSet resultSet = statement.executeQuery("select * from test_csv.TEST01");
        System.out.println(JSON.toJSONString(getData(resultSet)));
    }

    /**
     * CSV文件与内存文件关联读取
     * @param statement
     * @throws Exception
     */
    public static void test2(Statement statement) throws Exception {
        ResultSet resultSet1 = statement.executeQuery("select csv1.id as cid,csv1.name1 as cname ,mem1.id as mid,mem1.mem_str as mstr from test_csv.TEST01 as csv1 left join test_mem.mem_table_1 as mem1 on csv1.id = mem1.id");
        System.out.println(JSON.toJSONString(getData(resultSet1)));
    }

    public static List<Map<String,Object>> getData(ResultSet resultSet)throws Exception{
        List<Map<String,Object>> list = Lists.newArrayList();
        ResultSetMetaData metaData = resultSet.getMetaData();
        int columnSize = metaData.getColumnCount();

        while (resultSet.next()) {
            Map<String, Object> map = Maps.newLinkedHashMap();
            for (int i = 1; i < columnSize + 1; i++) {

                map.put(metaData.getColumnLabel(i), resultSet.getObject(i));
            }
            list.add(map);
        }
        return list;
    }
}

小结

calcite对于没有高并发低延时的多数据源间数据有着天然的优势。但需要注意的是,如果一个表中数据量特别大,大到读取速度很慢或内存无法容纳,那么务必在操作该表数据时加入尽可能多的筛选条件,如果自定义实现LogicalTableScan,最好也是实现FilterableTable,从而减少calcite在内存中操作数据行的量。

参考:

标签: apache, calcite, database

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