SparkSQL的执行过程：从源码角度解析逻辑计划、优化计划和物理计划

SparkSQL的执行过程可以分为以下几个阶段：从用户的SQL语句到最终生成的RDD执行，涵盖逻辑计划、优化计划和物理计划。以下是详细的源码角度解析：

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1. 解析阶段（Parsing）

• SQL语句解析：Spark 使用 Catalyst 引擎将用户输入的 SQL 语句解析为 抽象语法树（AST, Abstract Syntax Tree）。
• 代码位置：org.apache.spark.sql.catalyst.parser.SqlBase.g4 定义了语法规则，SqlParser 使用 ANTLR 工具解析 SQL。
• 输出结果：解析后的 LogicalPlan，表示 SQL 的初始逻辑计划。

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2. 分析阶段（Analysis）

• 任务：通过元数据和表的 Schema 校验逻辑计划中的字段、函数等，并为计划补充缺失信息。
• 关键组件：
  • Catalog：Spark 用 Catalog 管理表的元数据。
  • Analyzer：负责逻辑计划的语义分析。
  • 规则应用：Analyzer 通过一系列规则（rules）完成字段校验、类型推断。
• 代码位置：
  • org.apache.spark.sql.catalyst.analysis.Analyzer。
• 输出结果：生成一个经过校验和补全的逻辑计划，称为 Analyzed Logical Plan。

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3. 逻辑优化阶段（Logical Optimization）

• 任务：对逻辑计划进行规则化优化，比如谓词下推、列剪裁、常量折叠等。
• 关键组件：
  • Optimizer：基于规则的优化器，应用各种优化规则。
  • 典型优化规则：
    • 谓词下推：将 Filter 操作下推到最靠近数据源的位置。
    • 列剪裁：只保留查询所需的列。
    • 常量折叠：将表达式中的常量计算提前。
• 代码位置：
  • org.apache.spark.sql.catalyst.optimizer.Optimizer。
• 输出结果：一个经过优化的逻辑计划，称为 Optimized Logical Plan。

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4. 物理计划生成阶段（Physical Planning）

• 任务：将逻辑计划转化为物理计划，选择最优执行方案。
• 关键组件：
  • Planner：为逻辑操作选择物理操作的执行方式。
  • 成本模型：基于代价估算，选择最佳的物理计划。例如：选择 SortMergeJoin 或 BroadcastHashJoin。
• 代码位置：
  • org.apache.spark.sql.execution.SparkPlanner。
  • org.apache.spark.sql.execution.strategy 包含了具体的物理计划生成策略。
• 输出结果：多个候选的物理计划，最终选定一个最优计划作为 Physical Plan。

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5. 代码生成阶段（Code Generation）

• 任务：对物理计划中的部分操作生成更高效的 Java 字节码（bytecode）。
• 关键组件：
  • WholeStageCodegen：SparkSQL 中的重要优化，能将多个操作结合为单一代码片段以减少任务调度的开销。
• 代码位置：
  • org.apache.spark.sql.execution.WholeStageCodegenExec。
• 输出结果：带有代码生成（Codegen）信息的物理计划。

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6. RDD生成阶段（Execution Preparation）

• 任务：将物理计划转化为低层次的 RDD 操作。
• 关键组件：
  • 每个 Exec 物理节点都会实现 doExecute 方法，负责生成对应的 RDD。
  • 示例：ScanExec 节点生成数据源的 RDD，ProjectExec 节点生成投影操作的 RDD。
• 代码位置：
  • 各种执行节点的实现位于 org.apache.spark.sql.execution 包中。
• 输出结果：Spark 的执行引擎中直接运行的 RDD DAG。

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7. 执行阶段（Execution）

• 任务：提交作业并执行 RDD 转换。
• 过程：
  • DAG 构建：根据 RDD 依赖构建执行 DAG。
  • 任务调度：通过 TaskScheduler 提交任务到集群执行。
• 代码位置：
  • RDD 转换由 org.apache.spark.rdd.RDD 的 compute 方法完成。
  • 调度部分由 DAGScheduler 和 TaskScheduler 完成。

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总结执行流程示意图

1. 解析阶段

   SELECT name FROM students WHERE age > 18;
   

   ↓

2. 初始逻辑计划

   LogicalPlan(Filter(age > 18), Project(name))
   

   ↓

3. 分析计划

   LogicalPlan(Filter(students.age > 18), Project(students.name))
   

   ↓

4. 优化计划

   Filter(age > 18) -> Project(name)
   ↓
   Pushed Filters -> Optimized LogicalPlan
   

5. 物理计划

   Scan Students RDD -> Apply Filters -> Project Columns
   

6. RDD 生成

   studentsRDD.filter(age > 18).map(name => name)
   

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通过以上步骤，SparkSQL 实现了从用户查询到集群执行的全过程，并通过 Catalyst 提供了高度灵活的优化和扩展能力。