如何实现Spark SQL 字段血缘？

作者： vivo互联网服务器团队-Hao Guangshi

一、背景

字段血缘是在表处理的过程中将字段的处理过程保留下来。为什么会需要字段血缘呢？

有了字段间的血缘关系，便可以知道数据的来源去处，以及字段之间的转换关系，这样对数据的质量，治理有很大的帮助。 

Spark SQL 相对于 Hive 来说通常情况下效率会比较高，对于运行时间、资源的使用上面等都会有较大的收益。

平台计划将 Hive 任务迁移到 Spark SQL 上，同时也需要实现字段血缘的功能。

二、前期调研

开发前我们做了很多相关调研，从中得知 Spark 是支持扩展的：允许用户对 Spark SQL 的 SQL 解析、逻辑计划的分析和检查、逻辑计划的优化、物理计划的形成等进行扩展。

该方案可行，且对 Spark 的源码没有改动，代价也比较小，确定使用该方案。

三、Spark SQL 扩展

3.1 Spark 可扩展的内容

 SparkSessionExtensions是比较重要的一个类，其中定义了注入规则的方法，现在支持以下内容：

• 【Analyzer Rules】逻辑计划分析规则

• 【Check Analysis Rules】逻辑计划检查规则

• 【Optimizer Rules.】 逻辑计划优化规则

• 【Planning Strategies】形成物理计划的策略

• 【Customized Parser】自定义的sql解析器

• 【(External) Catalog listeners  catalog】监听器

在以上六种可以用户自定义的地方，我们选择了【Check Analysis Rules】。因为该检查规则在方法调用的时候是不需要有返回值的，也就意味着不需要对当前遍历的逻辑计划树进行修改，这正是我们需要的。

而【Analyzer Rules】、【Optimizer Rules】则需要对当前的逻辑计划进行修改，使得我们难以迭代整个树，难以得到我们想要的结果。

3.2 实现自己的扩展

class ExtralSparkExtension extends (SparkSessionExtensions => Unit) {
  override def apply(spark: SparkSessionExtensions): Unit = {


    //字段血缘
    spark.injectCheckRule(FieldLineageCheckRuleV3)


    //sql解析器
    spark.injectParser { case (_, parser) => new ExtraSparkParser(parser) }


  }
}

上面按照这种方式实现扩展，并在 apply 方法中把自己需要的规则注入到 SparkSessionExtensions 即可，除了以上四种可以注入的以外还有其他的规则。要让 ExtralSparkExtension 起到作用的话我们需要在spark-default.conf下配置

spark.sql.extensions=org.apache.spark.sql.hive.ExtralSparkExtension

在启动 Spark 任务的时候即可生效。

注意到我们也实现了一个自定义的SQL解析器，其实该解析器并没有做太多的事情。只是在判断如果该语句包含insert的时候就将 SQLText（SQL语句）设置到一个为FIELD_LINE_AGE_SQL，之所以将SQLText放到FIELD_LINE_AGE_SQL里面。因为在 DheckRule 里面是拿不到SparkPlan的我们需要对SQL再次解析拿到 SprkPlan，而FieldLineageCheckRuleV3的实现也特别简单，重要的在另一个线程实现里面。

这里我们只关注了insert语句，因为插入语句里面有从某些个表里面输入然后写入到某个表。

class ExtraSparkParser(delegate: ParserInterface) extends ParserInterface with Logging{


  override def parsePlan(sqlText: String): LogicalPlan = {
    val lineAgeEnabled = SparkSession.getActiveSession
      .get.conf.getOption("spark.sql.xxx-xxx-xxx.enable").getOrElse("false").toBoolean
    logDebug(s"SqlText: $sqlText")
    if(sqlText.toLowerCase().contains("insert")){
      if(lineAgeEnabled){
        if(FIELD_LINE_AGE_SQL_COULD_SET.get()){
          //线程本地变量在这里
          FIELD_LINE_AGE_SQL.set(sqlText)
        }
        FIELD_LINE_AGE_SQL_COULD_SET.remove()
      }
    }
    delegate.parsePlan(sqlText)
  }
  //调用原始的sqlparser
  override def parseExpression(sqlText: String): Expression = {
    delegate.parseExpression(sqlText)
  }
  //调用原始的sqlparser
  override def parseTableIdentifier(sqlText: String): TableIdentifier = {
    delegate.parseTableIdentifier(sqlText)
  }
  //调用原始的sqlparser
  override def parseFunctionIdentifier(sqlText: String): FunctionIdentifier = {
    delegate.parseFunctionIdentifier(sqlText)
  }
  //调用原始的sqlparser
  override def parseTableSchema(sqlText: String): StructType = {
    delegate.parseTableSchema(sqlText)
  }
  //调用原始的sqlparser
  override def parseDataType(sqlText: String): DataType = {
    delegate.parseDataType(sqlText)
  }
}

3.3 扩展的规则类

case class FieldLineageCheckRuleV3(sparkSession:SparkSession) extends (LogicalPlan=>Unit ) {


  val executor: ThreadPoolExecutor =
    ThreadUtils.newDaemonCachedThreadPool("spark-field-line-age-collector",3,6)


  override def apply(plan: LogicalPlan): Unit = {
    val sql = FIELD_LINE_AGE_SQL.get
    FIELD_LINE_AGE_SQL.remove()
    if(sql != null){
      //这里我们拿到sql然后启动一个线程做剩余的解析任务
      val task = new FieldLineageRunnableV3(sparkSession,sql)
      executor.execute(task)
    }


  }
}

很简单，我们只是拿到了 SQL 然后便启动了一个线程去得到 SparkPlan，实际逻辑在

FieldLineageRunnableV3。

3.4 具体的实现方法

3.4.1 得到 SparkPlan

我们在 run 方法中得到 SparkPlan：

override def run(): Unit = {
  val parser = sparkSession.sessionState.sqlParser
  val analyzer = sparkSession.sessionState.analyzer
  val optimizer = sparkSession.sessionState.optimizer
  val planner = sparkSession.sessionState.planner
      ............
  val newPlan = parser.parsePlan(sql)
  PASS_TABLE_AUTH.set(true)
  val analyzedPlan = analyzer.executeAndCheck(newPlan)


  val optimizerPlan = optimizer.execute(analyzedPlan)
  //得到sparkPlan
  val sparkPlan = planner.plan(optimizerPlan).next()
  ...............
if(targetTable != null){
  val levelProject = new ArrayBuffer[ArrayBuffer[NameExpressionHolder]]()
  val predicates = new ArrayBuffer[(String,ArrayBuffer[NameExpressionHolder])]()
  //projection
  projectionLineAge(levelProject, sparkPlan.child)
  //predication
  predicationLineAge(predicates, sparkPlan.child)
  ...............

为什么要使用 SparkPlan 呢？当初我们考虑的时候，物理计划拿取字段关系的时候是比较准的，且链路比较短也更直接。

在这里补充一下 Spark SQL 解析的过程如下：

经过SqlParser后会得到逻辑计划，此时表名、函数等都没有解析，还不能执行；经过Analyzer会分析一些绑定信息，例如表验证、字段信息、函数信息；经过Optimizer 后逻辑计划会根据既定规则被优化，这里的规则是RBO，当然 Spark 还支持CBO的优化；经过SparkPlanner后就成了可执行的物理计划。

我们看一个逻辑计划与物理计划对比的例子：

一个 SQL 语句：

select item_id,TYPE,v_value,imei from t1
union all
select item_id,TYPE,v_value,imei from t2
union all
select item_id,TYPE,v_value,imei from t3

逻辑计划是这样的：

物理计划是这样的：

显然简化了很多。

得到 SparkPlan 后，我们就可以根据不同的SparkPlan节点做迭代处理。

我们将字段血缘分为两种类型：projection（select查询字段）、predication(wehre查询条件)。

这两种是一种点对点的关系,即从原始表的字段生成目标表的字段的对应关系。

想象一个查询是一棵树，那么迭代关系会如下从树的顶端开始迭代，直到树的叶子节点，叶子节点即为原始表：

那么我们迭代查询的结果应该为

id ->tab1.id , 

name->tab1.name,tabb2.name,

age→tabb2.age。

注意到有该变量

 val levelProject = new ArrayBuffer

[ArrayBuffer[NameExpressionHolder]]()，通过projecti-onLineAge 迭代后 levelProject 存储了顶层id，name,age对应的（tab1.id），（tab1.name,tabb2.name），（tabb2.age）。

当然也不是简单的递归迭代，还需要考虑特殊情况例如：Join、ExplandExec、Aggregate、Explode、GenerateExec等都需要特殊考虑。

例子及效果：

SQL:

with A as (select id,name,age from tab1 where id > 100 ) ,
C as (select id,name,max(age) from A group by A.id,A.name) ,
B as (select id,name,age from tabb2 where age > 28)
insert into tab3
   select C.id,concat(C.name,B.name) as name, B.age from
     B,C where C.id = B.id

效果：

{
  "edges": [
    {
      "sources": [
        3
      ],
      "targets": [
        0
      ],
      "expression": "id",
      "edgeType": "PROJECTION"
    },
    {
      "sources": [
        4,
        7
      ],
      "targets": [
        1
      ],
      "expression": "name",
      "edgeType": "PROJECTION"
    },
    {
      "sources": [
        5
      ],
      "targets": [
        2
      ],
      "expression": "age",
      "edgeType": "PROJECTION"
    },
    {
      "sources": [
        6,
        3
      ],
      "targets": [
        0,
        1,
        2
      ],
      "expression": "INNER",
      "edgeType": "PREDICATE"
    },
    {
      "sources": [
        6,
        5
      ],
      "targets": [
        0,
        1,
        2
      ],
      "expression": "((((default.tabb2.`age` IS NOT NULL) AND (CAST(default.tabb2.`age` AS INT) > 28)) AND (B.`id` > 100)) AND (B.`id` IS NOT NULL))",
      "edgeType": "PREDICATE"
    },
    {
      "sources": [
        3
      ],
      "targets": [
        0,
        1,
        2
      ],
      "expression": "((default.tab1.`id` IS NOT NULL) AND (default.tab1.`id` > 100))",
      "edgeType": "PREDICATE"
    }
  ],
  "vertices": [
    {
      "id": 0,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tab3.id"
    },
    {
      "id": 1,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tab3.name"
    },
    {
      "id": 2,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tab3.age"
    },
    {
      "id": 3,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tab1.id"
    },
    {
      "id": 4,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tab1.name"
    },
    {
      "id": 5,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tabb2.age"
    },
    {
      "id": 6,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tabb2.id"
    },
    {
      "id": 7,
      "vertexType": "COLUMN",
      "vertexId": "default.tabb2.name"
    }
  ]
}

四、总结

在 Spark SQL 的字段血缘实现中，我们通过其自扩展，首先拿到了 insert 语句，在我们自己的检查规则中拿到SQL 语句，通过SparkSqlParser、Analyzer、Optimizer、SparkPlanner，最终得到了物理计划。

我们通过迭代物理计划，根据不同执行计划做对应的转换，然后就得到了字段之间的对应关系。当前的实现是比较简单的，字段之间是直线的对应关系，中间过程被忽略，如果想实现字段的转换的整个过程也是没有问题的。

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