作者:贺小令(晓令)
本文由阿里巴巴技术专家贺小令分享,社区志愿者郑仲尼整理。文章基于 Flink 1.9 版本,从用户的角度来讲解 Flink 1.9 版本中 SQL 相关原理及部分功能变更,希望对大家有所帮助。主要内容分享以下三个部分:
TableEnvironment 的设计与使用场景
Catalog 的设计以及 DDL 实践
Blink Planner 的几点重要改进及优化
TableEnvironment
FLIP-32 中提出,将 Blink 完全开源,合并到 Flink 主分支中。合并后在 Flink 1.9 中会存在两个 Planner:Flink Planner 和 Blink Planner。
在之前的版本中,Flink Table 在整个 Flink 中是一个二等公民。而 Flink SQL 具备的易用性、使用门槛低等特点深受用户好评,越来越被重视,Flink Table 模块也因此被提升为一等公民。而 Blink 在设计之初就考虑到流和批的统一,批只是流的一种特殊形式,所以可以用同一个TableEnvironment来表述流和批。
TableEnvironment 整体设计
图1 新 Table Environment 整体设计
从图 1 中,可以看出,TableEnvironment 组成部分如下:
flink-table-common:这个包中主要是包含 Flink Planner 和 Blink Planner 一些共用的代码。
flink-table-api-java:这部分是用户编程使用的 API,包含了大部分的 API。
flink-table-api-scala:这里只是非常薄的一层,仅和 Table API 的 Expression 和 DSL 相关。
两个 Planner:flink-table-planner 和 flink-table-planner-blink。
两个 Bridge:flink-table-api-scala-bridge 和 flink-table-api-java-bridge,从图中可以看出,Flink Planner 和 Blink Planner 都会依赖于具体的 JAVA API,也会依赖于具体的 Bridge,通过 Bridge 可以将 API 操作相应的转化为 Scala 的 DataStream、DataSet,或者转化为 JAVA 的 DataStream 或者 Data Set。
新旧 TableEnvironment 对比
在 Flink 1.9 之前,原来的 Flink Table 模块,有 7 个 Environment,使用和维护上相对困难。7 个 Environment 包括:StreamTableEnvironment、BatchTableEnvironment 两类,JAVA 和 Scala 分别 2 个,一共 4 个,加上 3 个父类,一共就是 7 个。
在新的框架之下,社区希望流和批统一,因此对原来的设计进行精简。首先,提供统一的 TableEnvironment,放在 flink-table-api-java 这个包中。然后,在 Bridge 中,提供了两个用于衔接 Scala DataStream 和 Java DataStream 的 StreamTableEnvironment。最后,因为 Flink Planner 中还残存在着 toDataSet() 类似的操作,所以,暂时保留 BatchTableEnvironment。这样,目前一共是 5 个 TableEnvironment。
因为未来 Flink Planner 将会被移除,BatchTableEnvironment 就会被废弃,整个 TableEnvironment 的设计也会更加简洁明了。
新 TableEnvironment 的应用
本节中,将介绍新的应用场景以及相关限制。下图详细列出了新 TableEnvironment 的适用场景:
图2 新 Table Environment 适应场景
第一行,简单起见,在后续将新的 TableEnvironment 称为 UnifyTableEnvironment。在 Blink 中,Batch 被认为是 Stream 的一个特例,因此 Blink 的 Batch 可以使用 UnifyTableEnvironment。
UnifyTableEnvironment 在 1.9 中有一些限制,比如它不能够注册 UDAF 和 UDTF,当前新的 Type System 的类型推导功能还没有完成(Java、Scala 的类型推导还没统一),所以这部分的功能暂时不支持。此外,UnifyTableEnvironment 无法和 DataStream 和 DataSet 互转。
第二行,Stream TableEnvironment 支持转化成 DataStream,也可以注册 UDAF 和 UDTF。如果是 JAVA 写的,就注册到 JAVA 的 StreamTableEnvironment,如果是用 Scala 写的,就注册到 Scala 的 StreamTableEnvironment。
注意,Blink Batch 作业不支持 Stream TableEnvironment ,因为目前 Batch 没法和 DataStream 互转,所以 toDataStream() 这样的语义暂时不支持。从图中也可以看出,目前Blink Batch只能使用 TableEnvironment。
最后一行,BatchTableEvironment 能够使用 toDataSet() 转化为 DataSet。
从上面的图 2 中,可以很清晰的看出各个 TableEnvironment 能够做什么事情,以及他们有哪些限制。
接下来,将使用示例对各种情况进行说明。
示例1:Blink Batch
EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance().useBlinkPlanner().inBatchMode().build();
TableEnvironment tEnv = TableEnvironment.create(settings);
tEnv…
tEnv.execute(“job name”);
从图 2 中可以看出,Blink Batch 只能使用 TableEnvironment(即UnifyTableEnvironment),代码中,首先需要创建一个 EnvironmentSetting,同时指定使用 Blink Planner,并且指定用 Batch 模式。之所以需要指定 Blink Planner,是因为目前 Flink 1.9 中,将 Flink Planner 和 Blink Planner 的 jar 同时放在了 Flink 的 lib 目录下。如果不指定使用的 Planner,整个框架并不知道需要使用哪个 Planner,所以必须显示的指定。当然,如果 lib 下面只有一个 Planner 的 jar,这时不需要显示指定使用哪个 Planner。
另外,还需要注意的是在 UnifyEnvironment 中,用户是无法获取到 ExecutionEnvironment 的,即用户无法在写完作业流程后,使用 executionEnvironment.execute() 方法启动任务。需要显式的使用 tableEnvironment.execute() 方法启动任务,这和之前的作业启动很不相同。
示例 2:Blink Stream
EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance().useBlinkPlanner().inStreamingMode().build();
StreamExecutionEnvironment execEnv = …
StreamTableEnvironment tEnv = StreamTableEnvironment.create(execEnv, settings);
tEnv…
Blink Stream 既可以使用 UnifyTableEnvironment,也可以使用 StreamTableEnvironment,与 Batch 模式基本类似,只是需要将 inBatchMode 换成 inStreamingMode。
示例 3:Flink Batch
ExecutionEnvironment execEnv = ...
BatchTableEnvironment tEnv = BatchTableEnvironment.create(execEnv);
tEnv...
与之前没有变化,不做过多介绍。
示例 4:Flink Stream
EnvironmentSettings settings = EnvironmentSettings.newInstance().useOldPlanner().inStreamMode().build();
TableEnvironment tEnv = TableEnvironment.create(settings);
tEnv…
tEnv.execute(“job name”);
Flink Stream 也是同时支持 UnifyEnvironment 和 StreamTableEnvironment,只是在指定 Planner 时,需要指定为 useOldPlanner,也即 Flink Planner。因为未来 Flink Planner 会被移除,因此,特意起了一个 OlderPlanner 的名字,而且只能够使用 inStreamingMode,无法使用 inBatchMode。
Catalog 和 DDL
构建一个新的 Catalog API 主要是 FLIP-30 提出的,之前的 ExternalCatalog 将被废弃,Blink Planner 中已经不支持 ExternalCatalog 了,Flink Planner 还支持 ExternalCatalog。
新 Catalog 设计
下图是新 Catalog 的整体设计:
图3 新 Catalog 设计
可以看到,新的 Catalog 有三层结构(..),最顶层是 Catalog 的名字,中间一层是 Database,最底层是各种 MetaObject,如 Table,Partition,Function 等。当前,内置了两个 Catalog 实现:MemoryCatalog 和 HiveCatalog。当然,用户也可以实现自己的 Catalog。
Catalog 能够做什么事情呢?首先,它可以支持 Create,Drop,List,Alter,Exists 等语句,另外它也支持对 Database,Table,Partition,Function,Statistics 等的操作。基本上,常用的 SQL 语法都已经支持。
CatalogManager 正如它名字一样,主要是用来管理 Catalog,且可以同时管理多个 Catalog。也就是说,可以通过在一个相同 SQL 中,跨 Catalog 做查询或者关联操作。例如,支持对 A Hive Catalog 和 B Hive Catalog 做相互关联,这给 Flink 的查询带来了很大的灵活性。
CatalogManager 支持的操作包括:
注册 Catalog(registerCatalog)
获取所有的 Catalog(getCatalogs)
获取特定的 Catalog(getCatalog)
获取当前的 Catalog(getCurrentCatalog)
设置当前的 Catalog(setCurrentCatalog)
获取当前的 Database(getCurrentDatabase)
设置当前的 Database(setCurrentDatabase)
Catalog 虽然设计了三层结构,但在使用的时候,并不需要完全指定三层结构的值,可以只写Table Name,这时候,系统会使用 getCurrentCatalog,getCurrentDatabase 获取到默认值,自动补齐三层结构,这种设计简化了对 Catalog 的使用。如果需要切换默认的 Catalog,只需要调用 setCurrentCatalog 就可以了。
在 TableEnvironment 层,提供了操作 Catalog 的方法,例如:
注册 Catalog(registerCatalog)
列出所有的 Catalog(listCatalogs)
获取指定 Catalog(getCatalog)
使用某个 Catalog(useCatalog)
在 SQL Client 层,也做了一定的支持,但是功能有一定的限制。用户不能够使用 Create 语句直接创建 Catalog,只能通过在 yarn 文件中,通过定义 Description 的方式去描述 Catalog,然后在启动 SQL Client 的时候,通过传入 -e +file_path 的方式,定义 Catalog。目前 SQL Client 支持列出已定义的 Catalog,使用一个已经存在的 Catalog 等操作。
DDL 设计与使用
有了 Catalog,就可以使用 DDL 来操作 Catalog 的内容,可以使用 TableEnvironment 的 sqlUpdate() 方法执行 DDL 语句,也可以在 SQL Client 执行 DDL 语句。
sqlUpdate() 方法中,支持 Create Table、Create View、Drop Table、Drop View 四个命令。当然,inset into 这样的语句也是支持的。
下面分别对 4 个命令进行说明:
- Create Table:可以显示的指定 Catalog Name 或者 DB Name,如果缺省,那就按照用户设定的 Current Catalog 去补齐,然后可以指定字段名称,字段的说明,也可以支持 Partition By 语法。最后是一个 With 参数,用户可以在此处指定使用的 Connector,例如,Kafka,CSV,HBase 等。With 参数需要配置一堆的属性值,可以从各个 Connector 的 Factory 定义中找到。Factory 中会指出有哪些必选属性,哪些可选属性值。
需要注意的是,目前 DDL 中,还不支持计算列和 Watermark 的定义,后续的版本中将会继续完善这部分。
Create Table [[catalog_name.]db_name.]table_name(
a int comment 'column comment',
b bigint,
c varchar
)comment 'table comment'
[partitioned by(b)]
With(
update-mode='append',
connector.type='kafka',
...
)
- Create View:需要指定 View 的名字,然后紧跟着的是 SQL。View 将会存储在 Catalog 中。
CREATE VIEW view_name AS SELECT xxx
- Drop Table&Drop View:和标准 SQL 语法差不多,支持使用 IF EXISTS 语法,如果未加 IF EXISTS ,Drop 一个不存在的表,会抛出异常。
DROP TABLE [IF EXISTS] [[catalog_name.]db_name.]table_name
- SQL Client 中执行 DDL:大部分都只支持查看操作,仅可以使用 Create View 和 Drop View。Catalog,Database,Table ,Function 这些只能做查看。用户可以在 SQL Client 中 Use 一个已经存在的 Catalog,修改一些属性,或者做 Description,Explain 这样的一些操作。
CREATE VIEW
DROP VIEW
SHOW CATALOGS/DATABASES/TABLES/FUNCTIONS l USE CATALOG xxx
SET xxx=yyy
DESCRIBE table_name
EXPLAIN SELECT xxx
DDL 部分,在 Flink 1.9 中其实基本已经成型,只是还有一些特性,在未来需要逐渐的完善。
Blink Planner
本节将主要从 SQL/Table API 如何转化为真正的 Job Graph 的流程开始,让大家对 Blink Planner 有一个比较清晰的认识,希望对大家阅读 Blink 代码,或者使用 Blink 方面有所帮助。然后介绍 Blink Planner 的改进及优化。
图4 主要流程
从上图可以很清楚的看到,解析的过程涉及到了三层:Table API/SQL,Blink Planner,Runtime,下面将对主要的步骤进行讲解。
- Table API&SQL 解析验证:在 Flink 1.9 中,Table API 进行了大量的重构,引入了一套新的 Operation,这套 Operation 主要是用来描述任务的 Logic Tree。
当 SQL 传输进来后,首先会去做 SQL 解析,SQL 解析完成之后,会得到 SqlNode Tree(抽象语法树),然后会紧接着去做 Validate(验证),验证时会去访问 FunctionManger 和 CatalogManger,FunctionManger 主要是查询用户定义的 UDF,以及检查 UDF 是否合法,CatalogManger 主要是检查这个 Table 或者 Database 是否存在,如果验证都通过,就会生成一个 Operation DAG(有向无环图)。
从这一步可以看出,Table API 和 SQL 在 Flink 中最终都会转化为统一的结构,即 Operation DAG。
- 生成RelNode:Operation DAG 会被转化为 RelNode(关系表达式) DAG。
优化:优化器会对 RelNode 做各种优化,优化器的输入是各种优化的规则,以及各种统计信息。当前,在 Blink Planner 里面,绝大部分的优化规则,Stream 和 Batch 是共享的。差异在于,对 Batch 而言,它没有 state 的概念,而对于 Stream 而言,它是不支持 sort 的,所以目前 Blink Planner 中,还是运行了两套独立的规则集(Rule Set),然后定义了两套独立的 Physical Rel:BatchPhysical Rel 和 StreamPhysical Rel。优化器优化的结果,就是具体的 Physical Rel DAG。
转化:得到 Physical Rel Dag 后,继续会转化为 ExecNode,通过名字可以看出,ExecNode 已经属于执行层的概念了,但是这个执行层是 Blink 的执行层,在 ExecNode 中,会进行大量的 CodeGen 的操作,还有非 Code 的 Operator 操作,最后,将 ExecNode 转化为 Transformation DAG。
生成可执行 Job Graph:得到 Transformation DAG 后,最终会被转化成 Job Graph,完成 SQL 或者 Table API 的解析。
Blink Planner 改进及优化
Blink Planner 功能方面改进主要包含如下几个方面:
更完整的 SQL 语法支持:例如,IN,EXISTS,NOT EXISTS,子查询,完整的 Over 语句,Group Sets 等。而且已经跑通了所有的 TPCH,TPCDS 这两个测试集,性能还非常不错。
提供了更丰富,高效的算子。
提供了非常完善的 cost 模型,同时能够对接 Catalog 中的统计信息,使 cost 根据统计信息得到更优的执行计划。
支持 join reorder。
shuffle service:对 Batch 而言,Blink Planner 还支持 shuffle service,这对 Batch 作业的稳定性有非常大的帮助,如果遇到 Batch 作业失败,通过 shuffle service 能够很快的进行恢复。
性能方面,主要包括以下部分:
分段优化。
Sub-Plan Reuse。
更丰富的优化 Rule:共一百多个 Rule ,并且绝大多数 Rule 是 Stream 和 Batch 共享的。
更高效的数据结构 BinaryRow:能够节省序列化和反序列化的操作。
mini-batch 支持(仅 Stream):节省 state 的访问的操作。
节省多余的 Shuffle 和 Sort(Batch 模式):两个算子之间,如果已经按 A 做 Shuffle,紧接着他下的下游也是需要按 A Shuffle 的数据,那中间的这一层 Shuffle,就可以省略,这样就可以省很多网络的开销,Sort 的情况也是类似。Sort 和 Shuffle 如果在整个计算里面是占大头,对整个性能是有很大的提升的。
深入性能优化及实践
本节中,将使用具体的示例进行讲解,让你深入理解 Blink Planner 性能优化的设计。
■ 分段优化
示例 5
create view MyView as select word, count(1) as freq from SourceTable group by word; insert into SinkTable1 select * from MyView where freq >10;
insert into SinkTable2 select count(word) as freq2, freq from MyView group by freq;
上面的这几个 SQL,转化为 RelNode DAG,大致图形如下:
图5 示例5 RelNode DAG
如果是使用 Flink Planner,经过优化层后,会生成如下执行层的 DAG:
图6 示例 5 old planner DAG
可以看到,old planner 只是简单的从 Sink 出发,反向的遍历到 Source,从而形成两个独立的执行链路,从上图也可以清楚的看到,Scan 和第一层 Aggregate 是有重复计算的。
在 Blink Planner 中,经过优化层之后,会生成如下执行层的 DAG:
图7 示例 5 Blink Planner DAG
Blink Planner 不是在每次调用 insert into 的时候就开始优化,而是先将所有的 insert into 操作缓存起来,等到执行前才进行优化,这样就可以看到完整的执行图,可以知道哪些部分是重复计算的。Blink Planner 通过寻找可以优化的最大公共子图,找到这些重复计算的部分。经过优化后,Blink Planner 会将最大公共子图的部分当做一个临时表,供其他部分直接使用。
这样,上面的图可以分为三部分,最大公共子图部分(临时表),临时表与 Filter 和 SinkTable1 优化,临时表与第二个 Aggregate 和 SinkTable 2 优化。
Blink Planner 其实是通过声明的 View 找到最大公共子图的,因此在开发过程中,如果需要复用某段逻辑,就将其定义为 View,这样就可以充分利用 Blink Planner 的分段优化功能,减少重复计算。
当然,当前的优化也不是最完美的,因为提前对图进行了切割,可能会导致一些优化丢失,今后会持续地对这部分算法进行改进。
总结一下,Blink Planner 的分段优化,其实解的是多 Sink 优化问题(DAG 优化),单 Sink 不是分段优化关心的问题,单 Sink 可以在所有节点上优化,不需要分段。
■ Sub-Plan Reuse
示例 6
insert into SinkTabl
select freq from (select word, count(1) as freq from SourceTable group by word) t where word like 'T%'
union all
select count(word) as freq2 from (select word, count(1) as freq from SourceTable group by word) t group by freq;
这个示例的 SQL 和分段优化的 SQL 其实是类似的,不同的是,没有将结果 Sink 到两个 Table 里面,而是将结果 Union 起来,Sink 到一个结果表里面。
下面看一下转化为 RelNode 的 DAG 图:
图 8 示例 6 RelNode DAG
从上图可以看出,Scan 和第一层的 Aggregate 也是有重复计算的,Blink Planner 其实也会将其找出来,变成下面的图:
图9 示例 6 Blink Planner DAG
Sub-Plan 优化的启用,有两个相关的配置:
table.optimizer.reuse-sub-plan-enabled (默认开启)
table.optimizer.reuse-source-enabled(默认开启)
这两个配置,默认都是开启的,用户可以根据自己的需求进行关闭。这里主要说明一下 table.optimizer.reuse-source-enabled 这个参数。在 Batch 模式下,join 操作可能会导致死锁,具体场景是在执行 hash-join 或者 nested-loop-join 时一定是先读 build 端,然后再读 probe 端,如果启用 reuse-source-enabled,当数据源是同一个 Source 的时候,Source 的数据会同时发送给 build 和 probe 端。这时候,build 端的数据将不会被消费,导致 join 操作无法完成,整个 join 就被卡住了。
为了解决死锁问题,Blink Planner 会先将 probe 端的数据落盘,这样 build 端读数据的操作才会正常,等 build 端的数据全部读完之后,再从磁盘中拉取 probe 端的数据,从而解决死锁问题。但是,落盘会有额外的开销,会多一次写的操作;有时候,读两次 Source 的开销,可能比一次写的操作更快,这时候,可以关闭 reuse-source,性能会更好。
当然,如果读两次 Source 的开销,远大于一次落盘的开销,可以保持 reuse-source 开启。需要说明的是,Stream 模式是不存在死锁问题的,因为 Stream 模式 join 不会有选边的问题。
总结而言,sub-plan reuse 解的问题是优化结果的子图复用问题,它和分段优化类似,但他们是一个互补的过程。
注:Hash Join:对于两张待 join 的表 t1, t2。选取其中的一张表按照 join 条件给的列建立hash 表。然后扫描另外一张表,一行一行去建好的 hash 表判断是否有对应相等的行来完成 join 操作,这个操作称之为 probe (探测)。前一张表叫做 build 表,后一张表的叫做 probe 表。
■ Agg 分类优化
Blink 中的 Aggregate 操作是非常丰富的:
group agg,例如:select count(a) from t group by b
over agg,例如:select count(a) over (partition by b order by c) from t
window agg,例如:select count(a) from t group by tumble(ts, interval '10' second), b
table agg ,例如:tEnv.scan('t').groupBy('a').flatAggregate(flatAggFunc('b' as ('c', 'd')))
下面主要对 Group Agg 优化进行讲解,主要是两类优化。
■ Local/Global Agg 优化
Local/Global Agg 主要是为了减少网络 Shuffle。要运用 Local/Global 的优化,必要条件如下:
Aggregate 的所有 Agg Function 都是 mergeable 的,每个 Aggregate 需要实现 merge 方法,例如 SUM,COUNT,AVG,这些都是可以分多阶段完成,最终将结果合并;但是求中位数,计算 95% 这种类似的问题,无法拆分为多阶段,因此,无法运用 Local/Global 的优化。
table.optimizer.agg-phase-strategy 设置为 AUTO 或者 TWO_PHASE。
Stream 模式下,mini-batch 开启 ;Batch 模式下 AUTO 会根据 cost 模型加上统计数据,选择是否进行 Local/Global 优化。
示例 7
select count(*) from t group by color
没有优化的情况下,下面的这个 Aggregate 会产生 10 次的 Shuffle 操作。
图 10 示例 7 未做优化的 Count 操作
使用 Local/Global 优化后,会转化为下面的操作,会在本地先进行聚合,然后再进行 Shuffle 操作,整个 Shuffle 的数据剩下 6 条。在 Stream 模式下,Blink 其实会以 mini-batch 的维度对结果进行预聚合,然后将结果发送给 Global Agg 进行汇总。
图 11 示例 7 经过 Local/Global 优化的 Count 操作
■ Distinct Agg 优化
Distinct Agg 进行优化,主要是对 SQL 语句进行改写,达到优化的目的。但 Batch 模式和 Stream 模式解决的问题是不同的:
Batch 模式下的 Distinct Agg,需要先做 Distinct,再做 Agg,逻辑上需要两步才能实现,直接实现 Distinct Agg 开销太大。
Stream 模式下,主要是解决热点问题,因为 Stream 需要将所有的输入数据放在 State 里面,如果数据有热点,State 操作会很频繁,这将影响性能。
Batch 模式
第一层,求 distinct 的值和非 distinct agg function 的值,第二层求 distinct agg function 的值。
示例 8
select color, count(distinct id), count(*) from t group by color
手工改写成:
select color, count(id), min(cnt) from (
select color, id, count(*) filter (where e from t --for distinct id
union all
select color, null as id, 2 as e
) group by color
转化的逻辑过程,如下图所示:
图 12 示例 8 Batch 模式 Distinct 改写逻辑
Stream 模式
Stream 模式的启用有一些必要条件:
必须是支持的 agg function:avg/count/min/max/sum/first_value/concat_agg/single_value;
table.optimizer.distinct-agg.split.enabled(默认关闭)
示例 9
select color, count(distinct id), count(*) from t group by color
手工改写成:
select color, sum(dcnt), sum(cnt) from (
select color, count(distinct id) as dcnt, count(*) as cnt from t
group by color, mod(hash_code(id), 1024)
) group by color
改写前,逻辑图大概如下:
图 13 示例 9 Stream 模式未优化 Distinct
改写后,逻辑图就会变为下面这样,热点数据被打散到多个中间节点上。
图14 示例 9 Stream 模式优化 Distinct
需要注意的是,示例 5 的 SQL 中 mod(hash_code(id),1024)中的这个 1024 为打散的维度,这个值建议设置大一些,设置太小产生的效果可能不好。
总结
本文首先对新的 TableEnvironment 的整体设计进行了介绍,并且列举了各种模式下TableEnvironment 的选择,然后通过具体的示例,展示了各种模式下代码的写法,以及需要注意的事项。
在新的 Catalog 和 DDL 部分,对 Catalog 的整体设计、DDL 的使用部分也都以实例进行拆分讲解。最后,对 Blink Planner 解析 SQL/Table API 的流程、Blink Planner 的改进以及优化的原理进行了讲解,希望对大家探索和使用 Flink SQL 有所帮助。
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