- Hive执行计划 -
Hive SQL的执行计划描述SQL实际执行的整体轮廓，通过执行计划能了解SQL程序在转换成相应计算引擎的执行逻辑，掌握了执行逻辑也就能更好地把握程序出现的瓶颈点，从而能够实现更有针对性的优化。此外还能帮助开发者识别看似等价的SQL其实是不等价的，看似不等价的SQL其实是等价的SQL。可以说执行计划是打开SQL优化大门的一把钥匙。
要想学SQL执行计划，就需要学习查看执行计划的命令：explain，在查询语句的SQL前面加上关键字explain是查看执行计划的基本方法。
学会explain，能够给我们工作中使用hive带来极大的便利！
- 查看SQL的执行计划 -
Hive提供的执行计划目前可以查看的信息有以下几种：
- explain：查看执行计划的基本信息；
- explain dependency：dependency在explain语句中使用会产生有关计划中输入的额外信息。它显示了输入的各种属性；
- explain authorization：查看SQL操作相关权限的信息；
- explain vectorization：查看SQL的向量化描述信息，显示为什么未对Map和Reduce进行矢量化。从 Hive 2.3.0 开始支持；
- explain analyze：用实际的行数注释计划。从 Hive 2.2.0 开始支持；
- explain cbo：输出由Calcite优化器生成的计划。CBO 从 Hive 4.0.0 版本开始支持；
- explain locks：这对于了解系统将获得哪些锁以运行指定的查询很有用。LOCKS 从 Hive 3.2.0 开始支持；
- explain ast：输出查询的抽象语法树。AST 在 Hive 2.1.0 版本删除了，存在bug，转储AST可能会导致OOM错误，将在4.0.0版本修复；
- explain extended：加上 extended 可以输出有关计划的额外信息。这通常是物理信息，例如文件名，这些额外信息对我们用处不大；
1. explain 的用法
Hive提供了explain命令来展示一个查询的执行计划，这个执行计划对于我们了解底层原理，Hive 调优，排查数据倾斜等很有帮助。
使用语法如下：
代码语言：javascript复制explain query;
在 hive cli 中输入以下命令(hive 2.3.7)：
代码语言：javascript复制explain select sum(id) from test1;
得到结果：
代码语言：javascript复制STAGE DEPENDENCIES:
Stage-1 is a root stage
Stage-0 depends on stages: Stage-1
STAGE PLANS:
Stage: Stage-1
Map Reduce
Map Operator Tree:
TableScan
alias: test1
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int)
outputColumnNames: id
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Group By Operator
aggregations: sum(id)
mode: hash
outputColumnNames: _col0
Statistics: Num rows: 1 Data size: 8 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Reduce Output Operator
sort order:
Statistics: Num rows: 1 Data size: 8 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
value expressions: _col0 (type: bigint)
Reduce Operator Tree:
Group By Operator
aggregations: sum(VALUE._col0)
mode: mergepartial
outputColumnNames: _col0
Statistics: Num rows: 1 Data size: 8 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
File Output Operator
compressed: false
Statistics: Num rows: 1 Data size: 8 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
table:
input format: org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat
output format: org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat
serde: org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe
Stage: Stage-0
Fetch Operator
limit: -1
Processor Tree:
ListSink
看完以上内容有什么感受，是不是感觉都看不懂，不要着急，下面将会详细讲解每个参数，相信你学完下面的内容之后再看 explain 的查询结果将游刃有余。
一个HIVE查询被转换为一个由一个或多个stage组成的序列（有向无环图DAG）。这些stage可以是MapReduce stage，也可以是负责元数据存储的stage，也可以是负责文件系统的操作（比如移动和重命名）的stage。
我们将上述结果拆分看，先从最外层开始，包含两个大的部分：
先看第一部分 stage dependencies ，包含两个 stage，Stage-1 是根stage，说明这是开始的stage，Stage-0 依赖 Stage-1，Stage-1执行完成后执行Stage-0。
- stage dependencies：各个stage之间的依赖性
- stage plan：各个stage的执行计划
再看第二部分 stage plan，里面有一个 Map Reduce，一个MR的执行计划分为两个部分：
- Map Operator Tree：MAP端的执行计划树
- Reduce Operator Tree：Reduce端的执行计划树
这两个执行计划树里面包含这条sql语句的 operator：
- TableScan：表扫描操作，map端第一个操作肯定是加载表，所以就是表扫描操作，常见的属性：
- alias：表名称
- Statistics：表统计信息，包含表中数据条数，数据大小等
- Select Operator：选取操作，常见的属性 ：
- expressions：需要的字段名称及字段类型
- outputColumnNames：输出的列名称
- Statistics：表统计信息，包含表中数据条数，数据大小等
- Group By Operator：分组聚合操作，常见的属性：
- aggregations：显示聚合函数信息
- mode：聚合模式，值有 hash：随机聚合，就是hash partition；partial：局部聚合；final：最终聚合
- keys：分组的字段，如果没有分组，则没有此字段
- outputColumnNames：聚合之后输出列名
- Statistics：表统计信息，包含分组聚合之后的数据条数，数据大小等
- Reduce Output Operator：输出到reduce操作，常见属性：
- sort order：值为空 不排序；值为 正序排序，值为 - 倒序排序；值为 - 排序的列为两列，第一列为正序，第二列为倒序
- Filter Operator：过滤操作，常见的属性：
- predicate：过滤条件，如sql语句中的where id>=1，则此处显示(id >= 1)
- Map Join Operator：join 操作，常见的属性：
- condition map：join方式 ，如Inner Join 0 to 1 Left Outer Join0 to 2
- keys: join 的条件字段
- outputColumnNames：join 完成之后输出的字段
- Statistics：join 完成之后生成的数据条数，大小等
- File Output Operator：文件输出操作，常见的属性
- compressed：是否压缩
- table：表的信息，包含输入输出文件格式化方式，序列化方式等
- Fetch Operator 客户端获取数据操作，常见的属性：
- limit，值为 -1 表示不限制条数，其他值为限制的条数
2. explain 的使用场景
本节介绍 explain 能够为我们在生产实践中带来哪些便利及解决我们哪些迷惑
案例一：join 语句会过滤 null 的值吗？
现在，我们在hive cli 输入以下查询计划语句
代码语言：javascript复制select a.id,b.user_name from test1 a join test2 b on a.id=b.id;
问：上面这条 join 语句会过滤 id 为 null 的值吗
执行下面语句：
代码语言：javascript复制explain select a.id,b.user_name from test1 a join test2 b on a.id=b.id;
我们来看结果 (为了适应页面展示，仅截取了部分输出信息)：
代码语言：javascript复制TableScan
alias: a
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Filter Operator
predicate: id is not null (type: boolean)
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int)
outputColumnNames: _col0
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
HashTable Sink Operator
keys:
0 _col0 (type: int)
1 _col0 (type: int)
...
从上述结果可以看到 predicate: id is not null 这样一行，说明 join 时会自动过滤掉关联字段为 null 值的情况，但 left join 或 full join 是不会自动过滤null值的，大家可以自行尝试下。
案例二：group by 分组语句会进行排序吗？
看下面这条sql
代码语言：javascript复制select id,max(user_name) from test1 group by id;
问：group by 分组语句会进行排序吗
直接来看 explain 之后结果 (为了适应页面展示，仅截取了部分输出信息)
代码语言：javascript复制 TableScan
alias: test1
Statistics: Num rows: 9 Data size: 108 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int), user_name (type: string)
outputColumnNames: id, user_name
Statistics: Num rows: 9 Data size: 108 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Group By Operator
aggregations: max(user_name)
keys: id (type: int)
mode: hash
outputColumnNames: _col0, _col1
Statistics: Num rows: 9 Data size: 108 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Reduce Output Operator
key expressions: _col0 (type: int)
sort order:
Map-reduce partition columns: _col0 (type: int)
Statistics: Num rows: 9 Data size: 108 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
value expressions: _col1 (type: string)
...
我们看 Group By Operator，里面有 keys: id (type: int) 说明按照 id 进行分组的，再往下看还有 sort order: ，说明是按照 id 字段进行正序排序的。
案例三：哪条sql执行效率高呢？
观察两条sql语句
代码语言：javascript复制SELECT
a.id,
b.user_name
FROM
test1 a
JOIN test2 b ON a.id = b.id
WHERE
a.id > 2;
SELECT
a.id,
b.user_name
FROM
(SELECT * FROM test1 WHERE id > 2) a
JOIN test2 b ON a.id = b.id;
这两条sql语句输出的结果是一样的，但是哪条sql执行效率高呢？
有人说第一条sql执行效率高，因为第二条sql有子查询，子查询会影响性能；
有人说第二条sql执行效率高，因为先过滤之后，在进行join时的条数减少了，所以执行效率就高了。
到底哪条sql效率高呢，我们直接在sql语句前面加上 explain，看下执行计划不就知道了嘛！
在第一条sql语句前加上 explain，得到如下结果
代码语言：javascript复制hive (default)> explain select a.id,b.user_name from test1 a join test2 b on a.id=b.id where a.id >2;
OK
Explain
STAGE DEPENDENCIES:
Stage-4 is a root stage
Stage-3 depends on stages: Stage-4
Stage-0 depends on stages: Stage-3
STAGE PLANS:
Stage: Stage-4
Map Reduce Local Work
Alias -> Map Local Tables:
$hdt$_0:a
Fetch Operator
limit: -1
Alias -> Map Local Operator Tree:
$hdt$_0:a
TableScan
alias: a
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Filter Operator
predicate: (id > 2) (type: boolean)
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int)
outputColumnNames: _col0
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
HashTable Sink Operator
keys:
0 _col0 (type: int)
1 _col0 (type: int)
Stage: Stage-3
Map Reduce
Map Operator Tree:
TableScan
alias: b
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Filter Operator
predicate: (id > 2) (type: boolean)
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int), user_name (type: string)
outputColumnNames: _col0, _col1
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Map Join Operator
condition map:
Inner Join 0 to 1
keys:
0 _col0 (type: int)
1 _col0 (type: int)
outputColumnNames: _col0, _col2
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: _col0 (type: int), _col2 (type: string)
outputColumnNames: _col0, _col1
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
File Output Operator
compressed: false
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
table:
input format: org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat
output format: org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat
serde: org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe
Local Work:
Map Reduce Local Work
Stage: Stage-0
Fetch Operator
limit: -1
Processor Tree:
ListSink
在第二条sql语句前加上 explain，得到如下结果
代码语言：javascript复制hive (default)> explain select a.id,b.user_name from(select * from test1 where id>2 ) a join test2 b on a.id=b.id;
OK
Explain
STAGE DEPENDENCIES:
Stage-4 is a root stage
Stage-3 depends on stages: Stage-4
Stage-0 depends on stages: Stage-3
STAGE PLANS:
Stage: Stage-4
Map Reduce Local Work
Alias -> Map Local Tables:
$hdt$_0:test1
Fetch Operator
limit: -1
Alias -> Map Local Operator Tree:
$hdt$_0:test1
TableScan
alias: test1
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Filter Operator
predicate: (id > 2) (type: boolean)
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int)
outputColumnNames: _col0
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
HashTable Sink Operator
keys:
0 _col0 (type: int)
1 _col0 (type: int)
Stage: Stage-3
Map Reduce
Map Operator Tree:
TableScan
alias: b
Statistics: Num rows: 6 Data size: 75 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Filter Operator
predicate: (id > 2) (type: boolean)
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: id (type: int), user_name (type: string)
outputColumnNames: _col0, _col1
Statistics: Num rows: 2 Data size: 25 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Map Join Operator
condition map:
Inner Join 0 to 1
keys:
0 _col0 (type: int)
1 _col0 (type: int)
outputColumnNames: _col0, _col2
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
Select Operator
expressions: _col0 (type: int), _col2 (type: string)
outputColumnNames: _col0, _col1
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
File Output Operator
compressed: false
Statistics: Num rows: 2 Data size: 27 Basic stats: COMPLETE Column stats: NONE
table:
input format: org.apache.hadoop.mapred.SequenceFileInputFormat
output format: org.apache.hadoop.hive.ql.io.HiveSequenceFileOutputFormat
serde: org.apache.hadoop.hive.serde2.lazy.LazySimpleSerDe
Local Work:
Map Reduce Local Work
Stage: Stage-0
Fetch Operator
limit: -1
Processor Tree:
ListSink
大家有什么发现，除了表别名不一样，其他的执行计划完全一样，都是先进行 where 条件过滤，在进行 join 条件关联。说明 hive 底层会自动帮我们进行优化，所以这两条sql语句执行效率是一样的。
以上仅列举了3个我们生产中既熟悉又有点迷糊的例子，explain 还有很多其他的用途，如查看stage的依赖情况、排查数据倾斜、hive 调优等，小伙伴们可以自行尝试。
2. explain dependency的用法
explain dependency用于描述一段SQL需要的数据来源，输出是一个json格式的数据，里面包含以下两个部分的内容：
- input_partitions：描述一段SQL依赖的数据来源表分区，里面存储的是分区名的列表，如果整段SQL包含的所有表都是非分区表，则显示为空。
- input_tables：描述一段SQL依赖的数据来源表，里面存储的是Hive表名的列表。
使用explain dependency查看SQL查询非分区普通表，在 hive cli 中输入以下命令：
代码语言：javascript复制explain dependency select s_age,count(1) num from student_orc;
得到结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":[],"input_tables":[{"tablename":"default@student_tb _orc","tabletype":"MANAGED_TABLE"}]}
使用explain dependency查看SQL查询分区表，在 hive cli 中输入以下命令：
代码语言：javascript复制explain dependency select s_age,count(1) num from student_orc_partition;
得到结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":[{"partitionName":"default@student_orc_partition@ part=0"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=1"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=2"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=3"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=4"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=5"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=6"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=7"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=8"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=9"}],
"input_tables":[{"tablename":"default@student_orc_partition", "tabletype":"MANAGED_TABLE"}]
explain dependency的使用场景有两个：
- 场景一：快速排除。快速排除因为读取不到相应分区的数据而导致任务数据输出异常。例如，在一个以天分区的任务中，上游任务因为生产过程不可控因素出现异常或者空跑，导致下游任务引发异常。通过这种方式，可以快速查看SQL读取的分区是否出现异常。
- 场景二：理清表的输入，帮助理解程序的运行，特别是有助于理解有多重子查询，多表连接的依赖输入。
下面通过两个案例来看explain dependency的实际运用：
案例一：识别看似等价的代码
对于刚接触SQL的程序员，很容易将
代码语言：javascript复制select * from a inner join b on a.no=b.no and a.f>1 and a.f<3;
等价于
代码语言：javascript复制select * from a inner join b on a.no=b.no where a.f>1 and a.f<3;
我们可以通过案例来查看下它们的区别：
代码1：
代码语言：javascript复制select
a.s_no
from student_orc_partition a
inner join
student_orc_partition_only b
on a.s_no=b.s_no and a.part=b.part and a.part>=1 and a.part<=2;
代码2：
代码语言：javascript复制select
a.s_no
from student_orc_partition a
inner join
student_orc_partition_only b
on a.s_no=b.s_no and a.part=b.part
where a.part>=1 and a.part<=2;
我们看下上述两段代码explain dependency的输出结果：
代码1的explain dependency结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":
[{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=0"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=1"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=2"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=1"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=2"}],
"input_tables": [{"tablename":"default@student_orc_partition","tabletype":"MANAGED_TABLE"}, {"tablename":"default@student_orc_partition_only","tabletype":"MANAGED_TABLE"}]}
代码2的explain dependency结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":
[{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=1"},
{"partitionName" : "default@student_orc_partition@part=2"},
{"partitionName" :"default@student_orc_partition_only@part=1"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=2"}],
"input_tables": [{"tablename":"default@student_orc_partition","tabletype":"MANAGED_TABLE"}, {"tablename":"default@student_orc_partition_only","tabletype":"MANAGED_TABLE"}]}
通过上面的输出结果可以看到，其实上述的两个SQL并不等价，代码1在内连接（inner join）中的连接条件（on）中加入非等值的过滤条件后，并没有将内连接的左右两个表按照过滤条件进行过滤，内连接在执行时会多读取part=0的分区数据。而在代码2中，会过滤掉不符合条件的分区。
案例二：识别SQL读取数据范围的差别
代码1：
代码语言：javascript复制explain dependency
select
a.s_no
from student_orc_partition a
left join
student_orc_partition_only b
on a.s_no=b.s_no and a.part=b.part and b.part>=1 and b.part<=2;
代码2：
代码语言：javascript复制explain dependency
select
a.s_no
from student_orc_partition a
left join
student_orc_partition_only b
on a.s_no=b.s_no and a.part=b.part and a.part>=1 and a.part<=2;
以上两个代码的数据读取范围是一样的吗？答案是不一样，我们通过explain dependency来看下：
代码1的explain dependency结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":
[{"partitionName": "default@student_orc_partition@part=0"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=1"}, …中间省略7个分区
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=9"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=1"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=2"}],
"input_tables": [{"tablename":"default@student_orc_partition","tabletype":"MANAGED_TABLE"}, {"tablename":"default@student_orc_partition_only","tabletype":"MANAGED_TABLE"}]}
代码2的explain dependency结果：
代码语言：javascript复制{"input_partitions":
[{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=0"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=1"}, …中间省略7个分区
{"partitionName":"default@student_orc_partition@part=9"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=0"},
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=1"}, …中间省略7个分区
{"partitionName":"default@student_orc_partition_only@part=9"}],
"input_tables": [{"tablename":"default@student_orc_partition","tabletype":"MANAGED_TABLE"}, {"tablename":"default@student_orc_partition_only","tabletype":"MANAGED_TABLE"}]}
可以看到，对左外连接在连接条件中加入非等值过滤的条件，如果过滤条件是作用于右表（b表）有起到过滤的效果，则右表只要扫描两个分区即可，但是左表（a表）会进行全表扫描。如果过滤条件是针对左表，则完全没有起到过滤的作用，那么两个表将进行全表扫描。这时的情况就如同全外连接一样都需要对两个数据进行全表扫描。
在使用过程中，容易认为代码片段2可以像代码片段1一样进行数据过滤，通过查看explain dependency的输出结果，可以知道不是如此。
3. explain authorization 的用法
通过explain authorization可以知道当前SQL访问的数据来源（INPUTS） 和数据输出（OUTPUTS），以及当前Hive的访问用户 （CURRENT_USER）和操作（OPERATION）。
在 hive cli 中输入以下命令：
代码语言：javascript复制explain authorization
select variance(s_score) from student_tb_orc;
结果如下：
代码语言：javascript复制INPUTS:
default@student_tb_orc
OUTPUTS:
hdfs://node01:8020/tmp/hive/hdfs/cbf182a5-8258-4157-9194- 90f1475a3ed5/-mr-10000
CURRENT_USER:
hdfs
OPERATION:
QUERY
AUTHORIZATION_FAILURES:
No privilege 'Select' found for inputs { database:default, table:student_ tb_orc, columnName:s_score}
从上面的信息可知：
上面案例的数据来源是defalut数据库中的 student_tb_orc表；
数据的输出路径是hdfs://node01:8020/tmp/hive/hdfs/cbf182a5-8258-4157-9194-90f1475a3ed5/-mr-10000；
当前的操作用户是hdfs，操作是查询；
观察上面的信息我们还会看到AUTHORIZATION_FAILURES信息，提示对当前的输入没有查询权限，但如果运行上面的SQL的话也能够正常运行。为什么会出现这种情况？Hive在默认不配置权限管理的情况下不进行权限验证，所有的用户在Hive里面都是超级管理员，即使不对特定的用户进行赋权，也能够正常查询。
通过上面对explain的介绍，可以发现explain中有很多值得我们去研究的内容，读懂 explain 的执行计划有利于我们优化Hive SQL，同时也能提升我们对SQL的掌控力。
- Hive SQL底层执行原理 -
本节结构采用宏观着眼，微观入手，从整体到细节的方式剖析 Hive SQL 底层原理。第一节先介绍 Hive 底层的整体执行流程，然后第二节介绍执行流程中的 SQL 编译成 MapReduce 的过程，第三节剖析 SQL 编译成 MapReduce 的具体实现原理。
- Hive 底层执行架构 -
我们先来看下 Hive 的底层执行架构图， Hive 的主要组件与 Hadoop 交互的过程：
在 Hive 这一侧，总共有五个组件：
- UI：用户界面。可看作我们提交SQL语句的命令行界面。
- DRIVER：驱动程序。接收查询的组件。该组件实现了会话句柄的概念。
- COMPILER：编译器。负责将 SQL 转化为平台可执行的执行计划。对不同的查询块和查询表达式进行语义分析，并最终借助表和从 metastore 查找的分区元数据来生成执行计划.
- METASTORE：元数据库。存储 Hive 中各种表和分区的所有结构信息。
- EXECUTION ENGINE：执行引擎。负责提交 COMPILER 阶段编译好的执行计划到不同的平台上。
上图的基本流程是：
步骤1：UI 调用 DRIVER 的接口；
步骤2：DRIVER 为查询创建会话句柄，并将查询发送到 COMPILER(编译器)生成执行计划；
步骤3和4：编译器从元数据存储中获取本次查询所需要的元数据，该元数据用于对查询树中的表达式进行类型检查，以及基于查询谓词修建分区；
步骤5：编译器生成的计划是分阶段的DAG，每个阶段要么是 map/reduce 作业，要么是一个元数据或者HDFS上的操作。将生成的计划发给 DRIVER。
如果是 map/reduce 作业，该计划包括 map operator trees 和一个 reduce operator tree，执行引擎将会把这些作业发送给 MapReduce ：
步骤6、6.1、6.2和6.3：执行引擎将这些阶段提交给适当的组件。在每个 task(mapper/reducer) 中，从HDFS文件中读取与表或中间输出相关联的数据，并通过相关算子树传递这些数据。最终这些数据通过序列化器写入到一个临时HDFS文件中（如果不需要 reduce 阶段，则在 map 中操作）。临时文件用于向计划中后面的 map/reduce 阶段提供数据。
步骤7、8和9：最终的临时文件将移动到表的位置，确保不读取脏数据(文件重命名在HDFS中是原子操作)。对于用户的查询，临时文件的内容由执行引擎直接从HDFS读取，然后通过Driver发送到UI。
- Hive SQL 编译成MapReduce过程 -
编译 SQL 的任务是在上节中介绍的 COMPILER（编译器组件）中完成的。Hive将SQL转化为MapReduce任务，整个编译过程分为六个阶段：
- 词法、语法解析: Antlr 定义 SQL 的语法规则，完成 SQL 词法，语法解析，将 SQL 转化为抽象语法树 AST Tree； Antlr是一种语言识别的工具，可以用来构造领域语言。使用Antlr构造特定的语言只需要编写一个语法文件，定义词法和语法替换规则即可，Antlr完成了词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成的过程。
- 语义解析: 遍历 AST Tree，抽象出查询的基本组成单元 QueryBlock；
- 生成逻辑执行计划: 遍历 QueryBlock，翻译为执行操作树 OperatorTree；
- 优化逻辑执行计划: 逻辑层优化器进行 OperatorTree 变换，合并 Operator，达到减少 MapReduce Job，减少数据传输及 shuffle 数据量；
- 生成物理执行计划: 遍历 OperatorTree，翻译为 MapReduce 任务；
- 优化物理执行计划: 物理层优化器进行 MapReduce 任务的变换，生成最终的执行计划。
下面对这六个阶段详细解析：
为便于理解，我们拿一个简单的查询语句进行展示，对5月23号的地区维表进行查询：
代码语言：javascript复制select * from dim.dim_region where dt = '2021-05-23';
阶段一：词法、语法解析
根据Antlr定义的sql语法规则，将相关sql进行词法、语法解析，转化为抽象语法树AST Tree：
代码语言：javascript复制ABSTRACT SYNTAX TREE:
TOK_QUERY
TOK_FROM
TOK_TABREF
TOK_TABNAME
dim
dim_region
TOK_INSERT
TOK_DESTINATION
TOK_DIR
TOK_TMP_FILE
TOK_SELECT
TOK_SELEXPR
TOK_ALLCOLREF
TOK_WHERE
=
TOK_TABLE_OR_COL
dt
'2021-05-23'
阶段二：语义解析
遍历AST Tree，抽象出查询的基本组成单元QueryBlock：
AST Tree生成后由于其复杂度依旧较高，不便于翻译为mapreduce程序，需要进行进一步抽象和结构化，形成QueryBlock。
QueryBlock是一条SQL最基本的组成单元，包括三个部分：输入源，计算过程，输出。简单来讲一个QueryBlock就是一个子查询。
QueryBlock的生成过程为一个递归过程，先序遍历 AST Tree ，遇到不同的 Token 节点(理解为特殊标记)，保存到相应的属性中。
阶段三：生成逻辑执行计划
遍历QueryBlock，翻译为执行操作树OperatorTree：
Hive最终生成的MapReduce任务，Map阶段和Reduce阶段均由OperatorTree组成。
基本的操作符包括：
- TableScanOperator
- SelectOperator
- FilterOperator
- JoinOperator
- GroupByOperator
- ReduceSinkOperator
Operator在Map Reduce阶段之间的数据传递都是一个流式的过程。每一个Operator对一行数据完成操作后之后将数据传递给childOperator计算。
由于Join/GroupBy/OrderBy均需要在Reduce阶段完成，所以在生成相应操作的Operator之前都会先生成一个ReduceSinkOperator，将字段组合并序列化为Reduce Key/value, Partition Key。
阶段四：优化逻辑执行计划
Hive中的逻辑查询优化可以大致分为以下几类：
- 投影修剪
- 推导传递谓词
- 谓词下推
- 将Select-Select，Filter-Filter合并为单个操作
- 多路 Join
- 查询重写以适应某些列值的Join倾斜
阶段五：生成物理执行计划
- 生成物理执行计划即是将逻辑执行计划生成的OperatorTree转化为MapReduce Job的过程，主要分为下面几个阶段：
- 对输出表生成MoveTask
- 从OperatorTree的其中一个根节点向下深度优先遍历
- ReduceSinkOperator标示Map/Reduce的界限，多个Job间的界限
- 遍历其他根节点，遇过碰到JoinOperator合并MapReduceTask
- 生成StatTask更新元数据
- 剪断Map与Reduce间的Operator的关系
阶段六：优化物理执行计划
Hive中的物理优化可以大致分为以下几类：
- 分区修剪(Partition Pruning)
- 基于分区和桶的扫描修剪(Scan pruning)
- 如果查询基于抽样，则扫描修剪
- 在某些情况下，在 map 端应用 Group By
- 在 mapper 上执行 Join
- 优化 Union，使Union只在 map 端执行
- 在多路 Join 中，根据用户提示决定最后流哪个表
- 删除不必要的 ReduceSinkOperators
- 对于带有Limit子句的查询，减少需要为该表扫描的文件数
- 对于带有Limit子句的查询，通过限制 ReduceSinkOperator 生成的内容来限制来自 mapper 的输出
- 减少用户提交的SQL查询所需的Tez作业数量
- 如果是简单的提取查询，避免使用MapReduce作业
- 对于带有聚合的简单获取查询，执行不带 MapReduce 任务的聚合
- 重写 Group By 查询使用索引表代替原来的表
- 当表扫描之上的谓词是相等谓词且谓词中的列具有索引时，使用索引扫描
经过以上六个阶段，SQL 就被解析映射成了集群上的 MapReduce 任务。
SQL编译成MapReduce具体原理
在阶段五-生成物理执行计划，即遍历 OperatorTree，翻译为 MapReduce 任务，这个过程具体是怎么转化的呢
我们接下来举几个常用 SQL 语句转化为 MapReduce 的具体步骤：
Join的实现原理
以下面这个SQL为例，讲解 join 的实现：
代码语言：javascript复制select u.name, o.orderid from order o join user u on o.uid = u.uid;
在map的输出value中为不同表的数据打上tag标记，在reduce阶段根据tag判断数据来源。MapReduce的过程如下：
MapReduce CommonJoin的实现
Group By的实现原理
以下面这个SQL为例，讲解 group by 的实现：
代码语言：javascript复制select rank, isonline, count(*) from city group by rank, isonline;
将GroupBy的字段组合为map的输出key值，利用MapReduce的排序，在reduce阶段保存LastKey区分不同的key。MapReduce的过程如下:
Distinct的实现原理
以下面这个SQL为例，讲解 distinct 的实现：
代码语言：javascript复制select dealid, count(distinct uid) num from order group by dealid;
当只有一个distinct字段时，如果不考虑Map阶段的Hash GroupBy，只需要将GroupBy字段和Distinct字段组合为map输出key，利用mapreduce的排序，同时将GroupBy字段作为reduce的key，在reduce阶段保存LastKey即可完成去重:
- Hive 千亿级数据倾斜 -
数据倾斜问题剖析
数据倾斜是分布式系统不可避免的问题，任何分布式系统都有几率发生数据倾斜，但有些小伙伴在平时工作中感知不是很明显，这里要注意本篇文章的标题—“千亿级数据”，为什么说千亿级，因为如果一个任务的数据量只有几百万，它即使发生了数据倾斜，所有数据都跑到一台机器去执行，对于几百万的数据量，一台机器执行起来还是毫无压力的，这时数据倾斜对我们感知不大，只有数据达到一个量级时，一台机器应付不了这么多的数据，这时如果发生数据倾斜，那么最后就很难算出结果。
所以就需要我们对数据倾斜的问题进行优化，尽量避免或减轻数据倾斜带来的影响。
在解决数据倾斜问题之前，还要再提一句：没有瓶颈时谈论优化，都是自寻烦恼。
大家想想，在map和reduce两个阶段中，最容易出现数据倾斜的就是reduce阶段，因为map到reduce会经过shuffle阶段，在shuffle中默认会按照key进行hash，如果相同的key过多，那么hash的结果就是大量相同的key进入到同一个reduce中，导致数据倾斜。
那么有没有可能在map阶段就发生数据倾斜呢，是有这种可能的。
一个任务中，数据文件在进入map阶段之前会进行切分，默认是128M一个数据块，但是如果当对文件使用GZIP压缩等不支持文件分割操作的压缩方式时，MR任务读取压缩后的文件时，是对它切分不了的，该压缩文件只会被一个任务所读取，如果有一个超大的不可切分的压缩文件被一个map读取时，就会发生map阶段的数据倾斜。
所以，从本质上来说，发生数据倾斜的原因有两种：一是任务中需要处理大量相同的key的数据。二是任务读取不可分割的大文件。
数据倾斜解决方案
MapReduce和Spark中的数据倾斜解决方案原理都是类似的，以下讨论Hive使用MapReduce引擎引发的数据倾斜，Spark数据倾斜也可以此为参照。
- 空值引发的数据倾斜
实际业务中有些大量的null值或者一些无意义的数据参与到计算作业中，表中有大量的null值，如果表之间进行join操作，就会有shuffle产生，这样所有的null值都会被分配到一个reduce中，必然产生数据倾斜。
之前有小伙伴问，如果A、B两表join操作，假如A表中需要join的字段为null，但是B表中需要join的字段不为null，这两个字段根本就join不上啊，为什么还会放到一个reduce中呢？
这里我们需要明确一个概念，数据放到同一个reduce中的原因不是因为字段能不能join上，而是因为shuffle阶段的hash操作，只要key的hash结果是一样的，它们就会被拉到同一个reduce中。
解决方案：
第一种：可以直接不让null值参与join操作，即不让null值有shuffle阶段
代码语言：javascript复制SELECT *
FROM log a
JOIN users b
ON a.user_id IS NOT NULL
AND a.user_id = b.user_id
UNION ALL
SELECT *
FROM log a
WHERE a.user_id IS NULL;
第二种：因为null值参与shuffle时的hash结果是一样的，那么我们可以给null值随机赋值，这样它们的hash结果就不一样，就会进到不同的reduce中：
代码语言：javascript复制SELECT *
FROM log a
LEFT JOIN users b ON CASE
WHEN a.user_id IS NULL THEN concat('hive_', rand())
ELSE a.user_id
END = b.user_id;
- 不同数据类型引发的数据倾斜
对于两个表join，表a中需要join的字段key为int，表b中key字段既有string类型也有int类型。当按照key进行两个表的join操作时，默认的Hash操作会按int型的id来进行分配，这样所有的string类型都被分配成同一个id，结果就是所有的string类型的字段进入到一个reduce中，引发数据倾斜。
解决方案：
如果key字段既有string类型也有int类型，默认的hash就都会按int类型来分配，那我们直接把int类型都转为string就好了，这样key字段都为string，hash时就按照string类型分配了：
代码语言：javascript复制SELECT *
FROM users a
LEFT JOIN logs b ON a.usr_id = CAST(b.user_id AS string);
- 不可拆分大文件引发的数据倾斜
当集群的数据量增长到一定规模，有些数据需要归档或者转储，这时候往往会对数据进行压缩；当对文件使用GZIP压缩等不支持文件分割操作的压缩方式，在日后有作业涉及读取压缩后的文件时，该压缩文件只会被一个任务所读取。如果该压缩文件很大，则处理该文件的Map需要花费的时间会远多于读取普通文件的Map时间，该Map任务会成为作业运行的瓶颈。这种情况也就是Map读取文件的数据倾斜。
解决方案：
这种数据倾斜问题没有什么好的解决方案，只能将使用GZIP压缩等不支持文件分割的文件转为bzip和zip等支持文件分割的压缩方式。
所以，我们在对文件进行压缩时，为避免因不可拆分大文件而引发数据读取的倾斜，在数据压缩的时候可以采用bzip2和Zip等支持文件分割的压缩算法。
- 数据膨胀引发的数据倾斜
在多维聚合计算时，如果进行分组聚合的字段过多，如下：
代码语言：javascript复制select a，b，c，count（1）from log group by a，b，c with rollup;注：对于最后的with rollup关键字不知道大家用过没，with rollup是用来在分组统计数据的基础上再进行统计汇总，即用来得到group by的汇总信息。
如果上面的log表的数据量很大，并且Map端的聚合不能很好地起到数据压缩的情况下，会导致Map端产出的数据急速膨胀，这种情况容易导致作业内存溢出的异常。如果log表含有数据倾斜key，会加剧Shuffle过程的数据倾斜。
解决方案：
可以拆分上面的sql，将with rollup拆分成如下几个sql：
代码语言：javascript复制SELECT a, b, c, COUNT(1)
FROM log
GROUP BY a, b, c;
SELECT a, b, NULL, COUNT(1)
FROM log
GROUP BY a, b;
SELECT a, NULL, NULL, COUNT(1)
FROM log
GROUP BY a;
SELECT NULL, NULL, NULL, COUNT(1)
FROM log;
但是，上面这种方式不太好，因为现在是对3个字段进行分组聚合，那如果是5个或者10个字段呢，那么需要拆解的SQL语句会更多。
在Hive中可以通过参数 hive.new.job.grouping.set.cardinality 配置的方式自动控制作业的拆解，该参数默认值是30。表示针对grouping sets/rollups/cubes这类多维聚合的操作，如果最后拆解的键组合大于该值，会启用新的任务去处理大于该值之外的组合。如果在处理数据时，某个分组聚合的列有较大的倾斜，可以适当调小该值。
- 表连接时引发的数据倾斜
两表进行普通的repartition join时，如果表连接的键存在倾斜，那么在 Shuffle 阶段必然会引起数据倾斜。
解决方案：
通常做法是将倾斜的数据存到分布式缓存中，分发到各个 Map任务所在节点。在Map阶段完成join操作，即MapJoin，这避免了 Shuffle，从而避免了数据倾斜。
MapJoin是Hive的一种优化操作，其适用于小表JOIN大表的场景，由于表的JOIN操作是在Map端且在内存进行的，所以其并不需要启动Reduce任务也就不需要经过shuffle阶段，从而能在一定程度上节省资源提高JOIN效率。
在Hive 0.11版本之前，如果想在Map阶段完成join操作，必须使用MAPJOIN来标记显示地启动该优化操作，由于其需要将小表加载进内存所以要注意小表的大小。
如将a表放到Map端内存中执行，在Hive 0.11版本之前需要这样写：
代码语言：javascript复制select /* mapjoin(a) */ a.id , a.name, b.age
from a join b
on a.id = b.id;
如果想将多个表放到Map端内存中，只需在mapjoin()中写多个表名称即可，用逗号分隔，如将a表和c表放到Map端内存中，则 / mapjoin(a,c) / 。
在Hive 0.11版本及之后，Hive默认启动该优化，也就是不在需要显示的使用MAPJOIN标记，其会在必要的时候触发该优化操作将普通JOIN转换成MapJoin，可以通过以下两个属性来设置该优化的触发时机：
hive.auto.convert.join=true 默认值为true，自动开启MAPJOIN优化。
hive.mapjoin.smalltable.filesize=2500000 默认值为2500000(25M)，通过配置该属性来确定使用该优化的表的大小，如果表的大小小于此值就会被加载进内存中。
注意：使用默认启动该优化的方式如果出现莫名其妙的BUG(比如MAPJOIN并不起作用)，就将以下两个属性置为fase手动使用MAPJOIN标记来启动该优化:
hive.auto.convert.join=false (关闭自动MAPJOIN转换操作)
hive.ignore.mapjoin.hint=false (不忽略MAPJOIN标记)
再提一句：将表放到Map端内存时，如果节点的内存很大，但还是出现内存溢出的情况，我们可以通过这个参数 mapreduce.map.memory.mb 调节Map端内存的大小。
- 确实无法减少数据量引发的数据倾斜
在一些操作中，我们没有办法减少数据量，如在使用 collect_list 函数时：
代码语言：javascript复制select s_age,collect_list(s_score) list_score
from student
group by s_age
collect_list：将分组中的某列转为一个数组返回。
在上述sql中，s_age有数据倾斜，但如果数据量大到一定的数量，会导致处理倾斜的Reduce任务产生内存溢出的异常。
collect_list输出一个数组，中间结果会放到内存中，所以如果collect_list聚合太多数据，会导致内存溢出。
有小伙伴说这是 group by 分组引起的数据倾斜，可以开启hive.groupby.skewindata参数来优化。我们接下来分析下：
开启该配置会将作业拆解成两个作业，第一个作业会尽可能将Map的数据平均分配到Reduce阶段，并在这个阶段实现数据的预聚合，以减少第二个作业处理的数据量；第二个作业在第一个作业处理的数据基础上进行结果的聚合。
hive.groupby.skewindata的核心作用在于生成的第一个作业能够有效减少数量。但是对于collect_list这类要求全量操作所有数据的中间结果的函数来说，明显起不到作用，反而因为引入新的作业增加了磁盘和网络I/O的负担，而导致性能变得更为低下。
解决方案：
这类问题最直接的方式就是调整reduce所执行的内存大小。
调整reduce的内存大小使用mapreduce.reduce.memory.mb这个配置。
- 总结 -
通过上面的内容我们发现，shuffle阶段堪称性能的杀手，为什么这么说，一方面shuffle阶段是最容易引起数据倾斜的；另一方面shuffle的过程中会产生大量的磁盘I/O、网络I/O 以及压缩、解压缩、序列化和反序列化等。这些操作都是严重影响性能的。
所以围绕shuffle和数据倾斜有很多的调优点：
Mapper 端的Buffer 设置为多大？Buffer 设置得大，可提升性能，减少磁盘I/O ，但 是对内存有要求，对GC 有压力；Buffer 设置得小，可能不占用那么多内存， 但是可能频繁的磁盘I/O 、频繁的网络I/O 。
