hive原理与源码分析-算子Operators及查询优化器Optimizers（四）

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Operator接口
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/exec/Operator.java?line=66
这个接口最重要的一个方法：

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/**
 * Process the row.
 * @param row The object representing the row.
 * @param tag
 *          The tag of the row usually means which parent this row comes from.
 *          Rows with the same tag should have exactly the same rowInspector
 *          all the time.
 */
public abstract void process(Object row, int tag) throws HiveException;

row是一行数据，tag代表是那张表。用一个整数代表是那张表。
hadoop在执行任务的时候会在每个节点创建一个进程。
每个进程一个实例
每个实例开始执行一次initialize()方法
每个实例执行多次process()方法，每行执行一次，这个进程有几行就执行几次
每个实例最后执行一次close()方法
对于Operator比较正要的有group by Operator和join Operator
前文章节SemanticAnalyzer生成一个QB，之后递归genplan(),然后是genBodyPlan()，genBodyPlan会对group by进行处理：
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HiveConf.ConfVars.HIVEMAPSIDEAGGREGATE：在map阶段进行预聚合减少数据量
HiveConf.ConfVars.HIVEGROUPBYSKEW：将一个group by拆成2个group by减少数据量
Hive Group By
HiveConf.ConfVars.HIVEMAPSIDEAGGREGATE：hive.map.aggr，使用Map端预聚合
HiveConf.ConfVars.HIVEGROUPBYSKEW：hive.groupby.skewindata，是否优化倾斜的查询为两道作业
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/parse/SemanticAnalyzer.java?line=9713
一共四中情况
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Hive GroupBy hive.groupby.skewindata
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Hive GroupBy hive.groupby.skewindata关闭的时候只有一道mr作业，当参数打开的时候，会进行预聚合，整个过程是2道mr作业。

hive.groupby.skewindata源码
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/parse/SemanticAnalyzer.java?line=6114
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这样我们就能完美了吗，我们的group by就不会倾斜了吗？大部分的group by是不会倾斜的，但是有一种是特殊的。

代数型聚合与非代数聚合
代数型聚合：可以通过部分结果计算出最终结果的聚合方法，如count、sum
非代数型聚合：无法通过部分结果计算出最终结果的聚合方法，如percentile，median
Group By优化只适用于代数型聚合，代数型UDAF，思考为什么？

group by聚合：
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/exec/GroupByOperator.java?line=735
group by的聚合逻辑就是这个process方法， process方法会调用 processHashAggr和 processAggr方法，即hash聚合和普通 聚合的方法。
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Join关联
Join是Hive是最难的部分，也是最需要优化的部分
常用Join方法
普通（Reduce端）Join， Common (Reduce-Side) Join
广播（Map端）Join，Broadcast（Map-Side）Join
Bucket Map Join
Sort Merge Bucket Map Join
倾斜Join，Skew Join

先从最简单的Common Join开始，此join是所有join的基础。
Common Join
也叫做Reduce端Join
背景知识：Hive只支持等值Join，不支持非等值Join
扫描N张表
Join Key相同的放在一起（相同Reduce） -> 结果
流程:
Mapper: 扫描，并处理N张表，生成发给Reduce的<Key, Value> Key = {JoinKey, TableAlias}, Value = {row}
Shuffle阶段
JoinKey相同的Reduce放到相同的
TableAlias 是排序的标识，就是表的编号，相同表的数据在一起是排序的。
Reducer: 处理Join Key并输出结果
最坏的情况
所有的数据都被发送到相同的结点，同一个Reduce

JoinOperator：
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/exec/JoinOperator.java?line=78
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从这个过程中我们可以看到，可以看到左边的表放到内存（放不下才会放到磁盘），因此我们join的时候要把小标放到左边，提供性能。

commonJoinOperation下边还有一些特化的Operator：

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先说最简单的commonJoinOperator
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/exec/CommonJoinOperator.java?line=569

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// creates objects in recursive manner
  private void genObject(int aliasNum, boolean allLeftFirst, boolean allLeftNull)
      throws HiveException {
    JoinCondDesc joinCond = condn[aliasNum - 1];
    int type = joinCond.getType();
    int left = joinCond.getLeft();
    int right = joinCond.getRight();

    if (needsPostEvaluation && aliasNum == numAliases - 2) {
      int nextType = condn[aliasNum].getType();
      if (nextType == JoinDesc.RIGHT_OUTER_JOIN || nextType == JoinDesc.FULL_OUTER_JOIN) {
        // Initialize container to use for storing tuples before emitting them
        rowContainerPostFilteredOuterJoin = new HashMap<>();
      }
    }

    boolean[] skip = skipVectors[aliasNum];
    boolean[] prevSkip = skipVectors[aliasNum - 1];

    // search for match in the rhs table
    //内存里边的小表
    AbstractRowContainer<List<Object>> aliasRes = storage[order[aliasNum]];
    。。。。。。略。。。。
    根据判断，执行inner join或者left join
      if (type == JoinDesc.INNER_JOIN) {
        innerJoin(skip, left, right);
      } else if (type == JoinDesc.LEFT_SEMI_JOIN) {
        if (innerJoin(skip, left, right)) {
          // if left-semi-join found a match, skipping the rest of the rows in the
          // rhs table of the semijoin
          done = true;
        }
      } else if (type == JoinDesc.LEFT_OUTER_JOIN ||
          (type == JoinDesc.FULL_OUTER_JOIN && rightNull)) {
        int result = leftOuterJoin(skip, left, right);
        if (result < 0) {
          continue;
        }
        done = result > 0;
      } else if (type == JoinDesc.RIGHT_OUTER_JOIN ||
          (type == JoinDesc.FULL_OUTER_JOIN && allLeftNull)) {
        if (allLeftFirst && !rightOuterJoin(skip, left, right) ||
          !allLeftFirst && !innerJoin(skip, left, right)) {
          continue;
        }
      } else if (type == JoinDesc.FULL_OUTER_JOIN) {
        if (tryLOForFO && leftOuterJoin(skip, left, right) > 0) {
          loopAgain = allLeftFirst;
          done = !loopAgain;
          tryLOForFO = false;
        } else if (allLeftFirst && !rightOuterJoin(skip, left, right) ||
          !allLeftFirst && !innerJoin(skip, left, right)) {
          continue;
        }
      }

每来一条数据就会读取一下小表的内容，如果小表比较小，过程会比较快

MapJoin
也叫广播Join，Broadcast Join
从 (n-1)张小表创建Hashtable，Hashtable的键是 Joinkey, 把这张Hashtable广播到每一个结点的map上，只处理大表.
每一个大表的mapper在小表的hashtable中查找join key -> Join Result
Ex: Join by “CityId”
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MapJoin适合小表足够小的情况，否则就走 ReduceSinkOperator
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如何决定MapJoin
内存要求: N-1 张小表必须能够完全读入内存
Hive决定MapJoin的两种方式（手动／自动）
手动，通过Query Hints（不再推荐）:
SELECT /*+ MAPJOIN(cities) / * FROM cities JOIN sales on cities.cityId=sales.cityId;
/+ MAPJOIN(cities) */ *会决定把cities读入内存，放在hashTable里边，分发到每一个节点。
自动，打开(“hive.auto.convert.join”)
如果N-1张小表小于: “hive.mapjoin.smalltable.filesize”这个值

MapJoin Optimizers
构造查询计划Query Plan时，决定MapJoin优化
“逻辑优化器Logical (Compile-time) optimizers” ：修改逻辑执行计划，把JoinOperator修改成MapJoinOperator
“物理优化器Physical (Runtime) optimizers” 修改物理执行计划(MapRedWork, TezWork, SparkWork), 引入条件判断等机制
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逻辑优化之后ReduceSinkOperator.和普通的join operator被摘掉，换成mapjoin。
物理执行计划会被关联到具体的执行引擎，逻辑执行计划的小表部分会在本地执行，即左边小表在本地执行，逻辑执行计划的大表部分会被在远端执行。
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MapJoin Optimizers (MR)
Query Hint: 编译时知道哪个表是小表的情况.（手动模式，加一个/*+ MAPJOIN(cities) */ *注释）
Logical Optimizer逻辑优化器: MapJoinProcessor
Auto-conversion: 编译时不知道哪个表是小表的情况（自动模式）
Physical Optimizer物理优化器: CommonJoinResolver, MapJoinResolver.
创建Conditional Tasks 把每个表是小表的情况考虑进去
Noconditional mode: 如果没有子查询的话，表的大小是在编译时可以知道的，否则是不知道的(join of intermediate results..)
自动模式模式分了三种情况，其中一个属于小表，这是前两种情况，第三种是都不是小表。
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这个过程在CommonJoinResolver中，
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/optimizer/physical/CommonJoinResolver.java?line=71
实现细节是：
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/optimizer/physical/CommonJoinTaskDispatcher.java?line=191

BucketMapJoin
Bucketed 表: 根据不同的值分成不同的桶
CREATE TABLE cities (cityid int, value string) CLUSTERED BY (cityId) INTO 2 BUCKETS;即建表的时候指定桶。
如果把分桶键（Bucket Key）作为关联键（Join Key）: For each bucket of table, rows with matching joinKey values will be in corresponding bucket of other table
像Mapjoin, but big-table mappers load to memory only relevant small-table bucket‟s hashmap
Ex: Bucketed by “CityId”, Join by “CityId”
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1和3在一个桶（奇数），2和4一个桶（偶数）。

Bucket MapJoin 执行过程
与MapJoin非常类似
HashTableSink (小表) 写Hashtable是每个桶写一个Hashtable，而不是每张表写一个
HashTableLoader (大表Mapper mapper) 也是每个桶读取一次HashTable

SMB Join
CREATE TABLE cities (cityid int, cityName string) CLUSTERED BY (cityId) SORTED BY (cityId) INTO 2 BUCKETS;
Join tables are bucketed and sorted (per bucket)
This allows sort-merge join per bucket.
Advance table until find a match

建表的时候对桶内的指定字段进行排序，这样的安排可以直接使用common join operator,不需要使用map join operator，直接把表读出来交给common join operator

SMB Join
MR和Spark执行方式相同
用mapper处理大表，处理过程中直接读取对应的小表
Map直接读取小表中相应的文件，相应的部分，避免了广播的开销
小表没有大小的限制
前提是，要知道经常使用哪个键做Join
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SMB Join Optimizers: MR
SMB 需要识别„大表‟，以便在大表上运行mapper，执行过程中读取„小表‟. 通常来说，在编译时决定
手动方法，用户可以手动提供hints
Triggered by “hive.optimize.bucketmapjoin.sortedmerge”
Logical Optimizer逻辑优化器: SortedMergeBucketMapJoinProc
自动触发: “hive.auto.convert.sortmerge.join.bigtable.selection.policy” 一个处理类
Triggered by “hive.auto.convert.sortmerge.join”
Logical Optimizer: SortedBucketMapJoinProc
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逻辑优化器SortedMergeBucketMapjoinProc的处理过程：
https://insight.io/github.com/apache/hive/blob/master/ql/src/java/org/apache/hadoop/hive/ql/optimizer/SortedMergeBucketMapjoinProc.java?line=42

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public Object process(Node nd, Stack<Node> stack, NodeProcessorCtx procCtx,
    Object... nodeOutputs) throws SemanticException {
  if (nd instanceof SMBMapJoinOperator) {
    return null;
  }

  MapJoinOperator mapJoinOp = (MapJoinOperator) nd;
  SortBucketJoinProcCtx smbJoinContext = (SortBucketJoinProcCtx) procCtx;

  boolean convert =
      canConvertBucketMapJoinToSMBJoin(mapJoinOp, stack, smbJoinContext, nodeOutputs);

  // Throw an error if the user asked for sort merge bucketed mapjoin to be enforced
  // and sort merge bucketed mapjoin cannot be performed
  if (!convert &&
      pGraphContext.getConf().getBoolVar(
          HiveConf.ConfVars.HIVEENFORCESORTMERGEBUCKETMAPJOIN)) {
    throw new SemanticException(ErrorMsg.SORTMERGE_MAPJOIN_FAILED.getMsg());
  }

  if (convert) {
    convertBucketMapJoinToSMBJoin(mapJoinOp, smbJoinContext);
  }
  return null;
}

回到原来的那个汇总：
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join operator是最基本的，其他的mapjoin，SMB都是属于优化。

倾斜关联Skew Join
倾斜键Skew keys = 高频出现的键, 非常多的键，多到一个reduce处理不了
使用Common Join处理非倾斜键，使用Map Join处理倾斜键.
A join B on A.id=B.id, 如果A 表中id=1倾斜, 那么查询会变成
A join B on A.id=B.id and A.id!=1 union
A join B on A.id=B.id and A.id=1
判断是否是倾斜的，主要是判断建是不是倾斜的，那么怎么判断一个建是不是倾斜的呢？

Skew Join Optimizers (Compile Time, MR)
建表时指定倾斜键: create table … skewed by (key) on (key_value);
开关“hive.optimize.skewjoin.compiletime”
Logical Optimizer逻辑优化器: SkewJoinOptimizer查看元数据
直接指定倾斜建，是最好的一种，他会直接给出union的方式处理倾斜：
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但是实际环境是苛刻的很多情况并不知道那个建会倾斜，往下看。

Skew Join Optimizers (Runtime, MR)
开关“hive.optimize.skewjoin”
Physical Optimizer: SkewJoinResolver
JoinOperator处理时候计数，如果某个可以被某个节点处理次数超过 “hive.skewjoin.key” 域值
倾斜键Skew key被跳过并且把值拷到单独的目录
ConditionalTask会单独针对倾斜的键作处理，并将结果作Union
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即最终结果是倾斜的建处理之后的结果加上未倾斜的common join的结果。不可否认这是一种笨重的方法，最好的方法是直接指定那个键会倾斜，单独处理倾斜。当出现处理慢的时候我们排查是join慢还是group by慢，如果是join慢能不能用map join处理，如果是group by慢，能不能进行预聚合。