注意:本文基于 Calcite 1.35.0 版本源码进行学习研究,其他版本可能会存在实现逻辑差异,对源码感兴趣的读者请注意版本选择

前言

在上一篇深入理解 Apache Calcite ValcanoPlanner 优化器一文中,我们介绍了 Calcite VolcanoPlanner 的理论基础、核心概念和整体流程,VolcanoPlanner 在优化时会计算不同执行计划的代价 Cost,然后通过代价的比较,最终寻找出最小代价的执行计划。代价 Cost 的计算依赖于统计信息代价模型,统计信息是否准确,代价模型是否合理,直接影响了 VolcanoPlanner 优化的效果。上一篇文章中,我们对 Calcite 统计信息和代价模型进行了简单的介绍,今天我们将结合一个多表关联查询的案例,和大家一起探究下 Calcite 是如何使用统计信息和代价模型,以及在优化过程中,Calcite 会使用哪些优化方式得到最优执行计划。

统计信息和代价模型

在探究 Calcite 如何使用统计信息和代价模型之前,让我们先来了解下相关的基础知识,笔者参考了一些优秀的网络资料,进行了总结整理,原文链接见文末参考资料,感兴趣的读者可阅读研究。

统计信息

统计信息 Statistic 为优化器的 Cost 计算提供了必要的数据支撑,通常我们可以将统计信息划分为基础统计信息高级统计信息

基础统计信息负责大部分通用场景下的 Cost 计算,具体包括表级别的统计信息 Row Count,单个字段的统计信息:每个字段的 NDV 值(The Number of Distinct Values),Max 值Min 值NULL 值Histogram 值(分布信息,用于区间查询), Count-Min Sketch 值(用于等值查询),DataSize 值 等。由于基础统计信息对 Cost 计算至关重要,需要做到自动收集,自动更新,否则很可能因为基础统计信息的缺失,导致优化器产生灾难性的执行计划。

高级统计信息主要用于提升复杂场景下的决策质量,通常包括多字段间的关联度(Column Group)、Functional Deplendency数据倾斜 等,高级统计信息需要手工触发,只有在必要的时候才会收集。

基数估计

有了统计信息后,我们就可以对执行计划中的各个算子进行基数估计(Cardinality Estimation),估算这些算子产生结果的行数(或基数)。如下图所示,通过基数估计我们可以选择更优的 JOIN 顺序以减少中间结果。Scan 算子的行数可以直接从表的统计信息 Row Count 获取,而对于 Filter 算子,可以使用输入的 Scan 算子的行数乘以谓词的选择率。

下面展示了常用算子基数估计的例子:

  • Scan 算子基数估计:统计信息中收集的表 Row Count;
  • Filter 算子基数估计:对于唯一属性的谓词,相等条件下结果不超过一行,对于非唯一属性的谓词,相等条件下结果使用 NDV 估算选择率,然后计算结果。对于范围查询,我们可以使用直方图估算选择率,然后计算结果;
  • Join 算子基数估计:LeftRowCount * RightRowCount * Join Condition Selectivity
  • Union 算子基数估计:LeftRowCount + RightRowCount
  • Agg 算子基数估计:Group By 列的 Distinct 值数量(NDV)。

代价模型

代价模型(Cost Model)是用于估算物理执行计划的代价,代价通常使用 CPUMemoryIONet 四元组来描述,每一算子都会通过上述四元组来描述其代价。执行计划的代价即是其全部算子的代价之和,最终优化器会根据求和后的 CPU、Memory、IO、Net 加权计算出执行计划的最终代价。

  • CPU:代表 CPU 的消耗数值;
  • Memory:代表 Memory 的占用量;
  • IO:代表磁盘的逻辑 IO 次数;
  • Net:代表网络的逻辑 IO 次数(交互次数及传输量);
  • 最终 Cost = (CPU, Memory, IO, Net) · (w1, w2, w3, w4),w 为权重向量。

Calcite 统计信息实现

Calcite 将统计信息存储在元数据对象中进行管理,通过 RelMetadataQuery 类提供了所有元数据的访问入口,该类包含每个元数据的访问方法,访问方法中需要传递对应的关系代数类 RelNode 及其他参数。例如,获取基数 Cardinality 只需要 RelNode,而获取选择率 Selectivity 还需要传入谓词 predicate

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class RelMetadataQuery {

// Cardinality
public Double getRowCount(RelNode rel) {...}

// Selectivity
public Double getSelectivity(RelNode rel, RexNode predicate) {...}
}

下面展示了 JdbcAdapterTest#testJoin3TablesPlan 单测,测试 SQL 中包含了 scott.empscott.deptscott.salgrade 3 张表,分别使用了等值和非等值关联条件。

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@Test
void testJoin3TablesPlan() {
CalciteAssert.model(JdbcTest.SCOTT_MODEL)
.query("select empno, ename, dname, grade\n"
+ "from scott.emp e inner join scott.dept d\n"
+ "on e.deptno = d.deptno\n"
+ "inner join scott.salgrade s\n"
+ "on e.sal > s.losal and e.sal < s.hisal")
.explainContains("PLAN=JdbcToEnumerableConverter\n"
+ " JdbcProject(EMPNO=[$0], ENAME=[$1], DNAME=[$5], GRADE=[$6])\n"
+ " JdbcJoin(condition=[AND(>($2, $7), <($2, $8))], joinType=[inner])\n"
+ " JdbcJoin(condition=[=($3, $4)], joinType=[inner])\n"
+ " JdbcProject(EMPNO=[$0], ENAME=[$1], SAL=[$5], DEPTNO=[$7])\n"
+ " JdbcTableScan(table=[[SCOTT, EMP]])\n"
+ " JdbcProject(DEPTNO=[$0], DNAME=[$1])\n"
+ " JdbcTableScan(table=[[SCOTT, DEPT]])\n"
+ " JdbcTableScan(table=[[SCOTT, SALGRADE]])\n")
.runs()
.enable(CalciteAssert.DB == CalciteAssert.DatabaseInstance.HSQLDB)
.planHasSql("SELECT \"t\".\"EMPNO\", \"t\".\"ENAME\", "
+ "\"t0\".\"DNAME\", \"SALGRADE\".\"GRADE\"\n"
+ "FROM (SELECT \"EMPNO\", \"ENAME\", \"SAL\", \"DEPTNO\"\n"
+ "FROM \"SCOTT\".\"EMP\") AS \"t\"\n"
+ "INNER JOIN (SELECT \"DEPTNO\", \"DNAME\"\n"
+ "FROM \"SCOTT\".\"DEPT\") AS \"t0\" ON \"t\".\"DEPTNO\" = \"t0\".\"DEPTNO\"\n"
+ "INNER JOIN \"SCOTT\".\"SALGRADE\" "
+ "ON \"t\".\"SAL\" > \"SALGRADE\".\"LOSAL\" "
+ "AND \"t\".\"SAL\" < \"SALGRADE\".\"HISAL\"");
}

我们将结合此案例,来探究下 Calcite 统计信息入口类 RelMetadataQuery 如何进行初始化,它的内部又将调用哪些元数据对象以获取统计信息,此外,Caclite 又是如何基于统计信息进行基数估计。搞清楚这些问题后,相信大家对 Calcite 统计信息的实现会有更深刻的理解。

RelMetadataQuery 初始化

执行 JdbcAdapterTest#testJoin3TablesPlan 单测,首先会调用 RelOptCluster.create(planner, rexBuilder); 方法初始化 RelOptCluster 对象,初始化 RelOptCluster 时内部会调用 setMetadataProvidersetMetadataQuerySupplier 方法,下面的小节我们将分别探究下这两个初始化方法的内部实现细节。

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/**
* Creates a cluster.
*
* <p>For use only from {@link #create} and {@link RelOptQuery}.
*/
RelOptCluster(RelOptPlanner planner, RelDataTypeFactory typeFactory, RexBuilder rexBuilder, AtomicInteger nextCorrel, Map<String, RelNode> mapCorrelToRel) {
this.nextCorrel = nextCorrel;
this.mapCorrelToRel = mapCorrelToRel;
this.planner = Objects.requireNonNull(planner, "planner");
this.typeFactory = Objects.requireNonNull(typeFactory, "typeFactory");
this.rexBuilder = rexBuilder;
this.originalExpression = rexBuilder.makeLiteral("?");

// set up a default rel metadata provider,
// giving the planner first crack at everything
setMetadataProvider(DefaultRelMetadataProvider.INSTANCE);
setMetadataQuerySupplier(RelMetadataQuery::instance);
this.emptyTraitSet = planner.emptyTraitSet();
assert emptyTraitSet.size() == planner.getRelTraitDefs().size();
}

setMetadataProvider 初始化

我们先来看下 setMetadataProvider 方法,该方法会传入 DefaultRelMetadataProvider.INSTANCE 实例,方法内部会将 metadataProvider 记录在 RelOptCluster 中,并将 metadataProvider 封装为 JaninoRelMetadataProvider,然后设置在 ThreadLocal 中方便上下文进行访问。

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@EnsuresNonNull({"this.metadataProvider", "this.metadataFactory"})
public void setMetadataProvider(@UnknownInitialization RelOptCluster this, RelMetadataProvider metadataProvider) {
this.metadataProvider = metadataProvider;
// 将 metadataProvider 封装在 metadataFactory 中,内部会缓存 UnboundMetadata
this.metadataFactory = new org.apache.calcite.rel.metadata.MetadataFactoryImpl(metadataProvider);
// Wrap the metadata provider as a JaninoRelMetadataProvider
// and set it to the ThreadLocal,
// JaninoRelMetadataProvider is required by the RelMetadataQuery.
RelMetadataQueryBase.THREAD_PROVIDERS.set(JaninoRelMetadataProvider.of(metadataProvider));
}

DefaultRelMetadataProvider.INSTANCE 实例初始化逻辑如下,作为默认的元数据提供器,DefaultRelMetadataProvider 定义了所有常用的关系代数 RelNode 的处理器,如果使用调用链方式时(使用 ChainedRelMetadataProvider),需要将 DefaultRelMetadataProvider 放在最后一个作为兜底方案。

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/**
* Creates a new default provider. This provider defines "catch-all"
* handlers for generic RelNodes, so it should always be given lowest
* priority when chaining.
*
* <p>Use this constructor only from a sub-class. Otherwise use the singleton
* instance, {@link #INSTANCE}.
*/
protected DefaultRelMetadataProvider() {
super(
ImmutableList.of(
RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE,
RelMdColumnOrigins.SOURCE,
RelMdExpressionLineage.SOURCE,
RelMdTableReferences.SOURCE,
RelMdNodeTypes.SOURCE,
RelMdRowCount.SOURCE,
RelMdMaxRowCount.SOURCE,
RelMdMinRowCount.SOURCE,
RelMdUniqueKeys.SOURCE,
RelMdColumnUniqueness.SOURCE,
RelMdPopulationSize.SOURCE,
RelMdSize.SOURCE,
RelMdParallelism.SOURCE,
RelMdDistribution.SOURCE,
RelMdLowerBoundCost.SOURCE,
RelMdMemory.SOURCE,
RelMdDistinctRowCount.SOURCE,
RelMdSelectivity.SOURCE,
RelMdExplainVisibility.SOURCE,
RelMdPredicates.SOURCE,
RelMdAllPredicates.SOURCE,
RelMdCollation.SOURCE));
}

super 方法会将集合中初始化的 RelMetadataProvider 集合传递给父类 ChainedRelMetadataProvider,并维护在 providers 变量中,后续调用 ChainedRelMetadataProvider#applyChainedRelMetadataProvider#handlers 方法时会从 providers 中获取。

上图展示了 RelMetadataProvider 继承体系,RelMetadataProvider 接口定义了获取关系表达式元数据的方法,通常不建议直接调用,而应当使用 RelMetadataQuery 入口类获取元数据。关于设计 RelMetadataProvider 的背景和动机,可以参考 RelationalExpressionMetadata Wiki

RelMetadataProvider 接口定义如下:

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public interface RelMetadataProvider {

// 为具体的关系代数类或子类,获取特定类型的统计信息,该方法返回的是 UnboundMetadata 函数式接口
// 使用时可以调用 bind 方法返回绑定的元数据对象
@Deprecated
<@Nullable M extends @Nullable Metadata> @Nullable UnboundMetadata<M> apply(
Class<? extends RelNode> relClass, Class<? extends M> metadataClass);

@Deprecated
<M extends Metadata> Multimap<Method, MetadataHandler<M>> handlers(MetadataDef<M> def);

// 获取实现特定 MetadataHandler 接口的 MetadataHandler 集合
// MetadataHandler 是元数据处理器的标记接口,MetadataHandler#getDef 方法用于获取元数据处理器的定义,包含了元数据类,处理器类和处理方法
List<MetadataHandler<?>> handlers(Class<? extends MetadataHandler<?>> handlerClass);
}

RelMetadataProvider#apply 方法用于为具体的关系代数类或子类,获取特定类型的统计信息,该方法返回的是 UnboundMetadata 函数式接口,使用时可以调用 bind 方法返回绑定的元数据对象。该方法的使用示例如下,执行完 bind 方法会返回元数据对象 Selectivity,然后可以调用 getSelectivity 获取选择率统计信息。

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RelMetadataProvider provider;
LogicalFilter filter;
RexNode predicate;
UnboundMetadata<Selectivity> unboundMetadata = provider.apply(LogicalFilter.class, Selectivity.class);
Selectivity selectivity = unboundMetadata.bind(filter, mq);
Double d = selectivity.getSelectivity(predicate);

RelMetadataProvider#handlers 方法用于获取实现特定 MetadataHandler 接口的 MetadataHandler 集合。MetadataHandler 是元数据处理器的标记接口,MetadataHandler#getDef 方法用于获取元数据处理器的定义,包含了元数据类,处理器类和处理方法。

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/**
* Marker interface for a handler of metadata.
*
* @param <M> Kind of metadata
*/
public interface MetadataHandler<M extends Metadata> {

MetadataDef<M> getDef();

static SortedMap<String, Method> handlerMethods(Class<? extends MetadataHandler<?>> handlerClass) {
final ImmutableSortedMap.Builder<String, Method> map = ImmutableSortedMap.naturalOrder();
Arrays.stream(handlerClass.getDeclaredMethods()).filter(m -> !m.getName().equals("getDef"))
.filter(m -> !m.isSynthetic()).filter(m -> !Modifier.isStatic(m.getModifiers())).forEach(m -> map.put(m.getName(), m));
return map.build();
}
}

MetadataHandler 接口还提供了静态方法 handlerMethods,该方法负责查找 MetadataHandler 实现类中定义的处理方法,结果会按照 <MethodName, Method> 结构返回,并且会过滤掉静态、synthetic(Java 编译器生成的方法)和 getDef 方法。

介绍完 RelMetadataProvider 接口的相关方法后,我们再回过头看下 DefaultRelMetadataProvider 初始化时,传递给父类的 22 个 providers 是如何创建的,他们分别又有哪些实际的用途。下面我们以 RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE 为例,来看下具体的元数据提供器的内部实现。RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE 实现逻辑如下,可以看到此处通过反射的方式初始化了 3 个元数据提供器,并使用 ChainedRelMetadataProvider 进行了包装,ChainedRelMetadataProvider 内部使用了责任链模式,会按照责任链进行元数据处理。

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public static final RelMetadataProvider SOURCE = ChainedRelMetadataProvider.of(ImmutableList.of(
ReflectiveRelMetadataProvider.reflectiveSource(new RelMdPercentageOriginalRowsHandler(), BuiltInMetadata.PercentageOriginalRows.Handler.class),
ReflectiveRelMetadataProvider.reflectiveSource(new RelMdCumulativeCost(), BuiltInMetadata.CumulativeCost.Handler.class),
ReflectiveRelMetadataProvider.reflectiveSource(new RelMdNonCumulativeCost(), BuiltInMetadata.NonCumulativeCost.Handler.class))
);

我们重点关注下 ReflectiveRelMetadataProvider.reflectiveSource 的逻辑,该方法的第一个参数是 MetadataHandler 对象,此案例中分别为:

  • RelMdPercentageOriginalRowsHandler
  • RelMdCumulativeCost
  • RelMdNonCumulativeCost

他们都继承了 RelMdPercentageOriginalRows,这些类负责具体关系代数的元数据获取,提供了 getPercentageOriginalRowsgetCumulativeCostgetNonCumulativeCost 方法。

第二个参数则是 MetadataHandler 的子接口,该接口声明了特定 RelNode 获取元数据的方法,此案例中子接口分别为:

  • BuiltInMetadata.PercentageOriginalRows.Handler.class
  • BuiltInMetadata.CumulativeCost.Handler.class
  • BuiltInMetadata.NonCumulativeCost.Handler.class

这些 Handler 接口分别声明了 getPercentageOriginalRowsgetCumulativeCostgetNonCumulativeCost 方法,他们接收的参数为 RelNode。那么 Handler 接口里面的方法是如何与 MetadataHandler 对象关联上的呢?我们来具体看下 ReflectiveRelMetadataProvider 类的实现逻辑:

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@SuppressWarnings("deprecation")
public static <M extends Metadata> RelMetadataProvider reflectiveSource(MetadataHandler<? extends M> handler, Class<? extends MetadataHandler<M>> handlerClass) {
// When deprecated code is removed, handler.getDef().methods will no longer be required
return reflectiveSource(handler, handler.getDef().methods, handlerClass);
}

@Deprecated // to be removed before 2.0
private static RelMetadataProvider reflectiveSource(final MetadataHandler target, final ImmutableList<Method> methods, final Class<? extends MetadataHandler<?>> handlerClass) {
// 计算哪些方法可以作为给定元数据方法的处理程序,最终的结果记录在 Space2 对象中
final Space2 space = Space2.create(target, methods);
final ConcurrentMap<Class<RelNode>, UnboundMetadata> methodsMap = new ConcurrentHashMap<>();
// 遍历元数据处理方法支持的 RelNode 类
for (Class<RelNode> key : space.classes) {
ImmutableNullableList.Builder<Method> builder = ImmutableNullableList.builder();
for (final Method method : methods) {
// 根据 RelNode 类和 getPercentageOriginalRows 方法查找处理方法 Method
builder.add(space.find(key, method));
}
final List<Method> handlerMethods = builder.build();
// 动态创建 UnboundMetadata 实现类
final UnboundMetadata function = (rel, mq) ->
(Metadata) Proxy.newProxyInstance(
space.metadataClass0.getClassLoader(),
new Class[]{space.metadataClass0}, (proxy, method, args) -> {
// Suppose we are an implementation of Selectivity
// that wraps "filter", a LogicalFilter. Then we
// implement
// Selectivity.selectivity(rex)
// by calling method
// new SelectivityImpl().selectivity(filter, rex)
...
// 通过反射调用目标对象上的方法,根据上面获取的 handlerMethods 调用对应的 MetadataHandler 方法
return handlerMethod.invoke(target, args1);
...
});
methodsMap.put(key, function);
}
return new ReflectiveRelMetadataProvider(methodsMap, space.metadataClass0, space.providerMap, handlerClass);
}

ReflectiveRelMetadataProvider 类通过反射将元数据方法转发给目标对象(MetadataHandler 对象)上的方法。目标对象上的方法必须是公共且非静态的,并且除了首个参数为 RelNode 类型或其子类,其他参数都需要与元数据方法的签名保持相同。

reflectiveSource 方法中,首先会计算哪些方法可以作为给定元数据方法的处理程序,最终的结果会记录在 Space2 对象中,下图展示了 Space2 对象中记录的 classeshandlerMap 信息。然后遍历 Space2 对象中记录的 classes 集合,并根据 RelNode 类和 getPercentageOriginalRows 方法查找处理方法 Method,再通过 Proxy.newProxyInstance 动态代理生成 UnboundMetadata 对象,内部核心逻辑是调用目标对象 MetadataHandler 的对应元数据方法。

其他类型的元数据提供器初始化流程和 RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE 基本一致,感兴趣的读者可以自行阅读源码,下表整理了 Calcite 中提供的 22 个元数据提供器以及他们的主要作用,希望能够帮助大家理解 Calcite 元数据信息。

元数据提供器类型元数据提供器作用
RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE用于估计此表达式生成的行数,与去除所有单表筛选条件时生成的行数之间的百分比。
RelMdColumnOrigins.SOURCE列源信息,即表达式输出的结果列,由哪些基础表的基础列所构成,由于 Union 和 LogicalProject 等表达式,列源信息会返回一个集合。
RelMdExpressionLineage.SOURCE表达式血缘信息,记录了表达式的来源以及如何被处理,返回结果是表达式集合。
RelMdTableReferences.SOURCE表引用信息,用于返回给定表达式中使用的所有表,这些表使用 RexTableInputRef.RelTableRef 唯一标识。
RelMdNodeTypes.SOURCERelNode 类型信息,返回结果是 Multimap,key 是 RelNode Class,values 是 RelNode 集合。
RelMdRowCount.SOURCE用于估计关系表达式返回的行数,对于 TableScan 会调用 estimateRowCount 获取统计信息中表的行数,其他关系表达式会通过基数估计的方式获取行数。
RelMdMaxRowCount.SOURCE用于估计关系表达式返回的最大行数。
RelMdMinRowCount.SOURCE用于估计关系表达式返回的最小行数。
RelMdUniqueKeys.SOURCE获取表达式中的唯一键集合,每个唯一键使用 ImmutableBitSet 表示,每个位置表示基于 0 的列序号。
RelMdColumnUniqueness.SOURCE判断特定关系表达式中的列集合是否唯一,例如:关系表达式 TableScan 包含 T(A, B, C, D) 四列,唯一键为 (A, B),则 areColumnsUnique([0, 1]) 返回 true,areColumnsUnique([0] 返回 false。
RelMdPopulationSize.SOURCE用于估计指定的 groupKey 原始数据源(通常指基表)中的不同行数,估计时会忽略表达式中的任何过滤条件。
RelMdSize.SOURCE获取特定关系表达式中每行或者每列的平均大小(以 bytes 为单位)。
RelMdParallelism.SOURCE获取关系表达式并行度相关的元数据,isPhaseTransition 方法返回当前关系表达式是否支持在其他进程执行,splitCount 则返回数据集的分割数,以广播为例 splitCount 为 1。
RelMdDistribution.SOURCE获取数据行的分布信息,返回 RelDistribution 对象。
RelMdLowerBoundCost.SOURCE获取 RelNode 的最小代价。
RelMdMemory.SOURCE获取算子使用内存的元数据信息。
RelMdDistinctRowCount.SOURCE用于估计 groupKey 分组后产生的行数,进行 groupKey 分组的数据行会使用 predicate 进行过滤。
RelMdSelectivity.SOURCE用于估计表达式输出行中满足给定谓词的百分比,也叫选择率。
RelMdExplainVisibility.SOURCE确定关系表达式是否应该在特定级别的 EXPLAIN PLAN 输出中可见。
RelMdPredicates.SOURCE获取可以上拉的谓词集合,谓词上拉主要是将内层子查询中的谓词上拉到外层查询中,参与外层的谓词推导过程,帮助生成更多有意义的谓词。
RelMdAllPredicates.SOURCE获取所有的谓词集合。
RelMdCollation.SOURCE获取哪些列被排序的元数据信息,返回 RelCollation 集合。

setMetadataQuerySupplier 初始化

介绍完 setMetadataProvider,我们再来看下 setMetadataQuerySupplier 初始化时会处理哪些逻辑。setMetadataQuerySupplier 方法的逻辑很简单,就是将传入的 Supplier 记录在 RelOptCluster 中,使用时通过 getMetadataQuery 获取 RelMetadataQuery 对象。

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/**
* Sets up the customized {@link RelMetadataQuery} instance supplier that to
* use during rule planning.
*
* <p>Note that the {@code mqSupplier} should return
* a fresh new {@link RelMetadataQuery} instance because the instance would be
* cached in this cluster, and we may invalidate and re-generate it
* for each {@link RelOptRuleCall} cycle.
*/
@EnsuresNonNull("this.mqSupplier")
public void setMetadataQuerySupplier(@UnknownInitialization RelOptCluster this, Supplier<RelMetadataQuery> mqSupplier) {
this.mqSupplier = mqSupplier;
}

/**
* Returns the current RelMetadataQuery.
*
* <p>This method might be changed or moved in future.
* If you have a {@link RelOptRuleCall} available,
* for example if you are in a {@link RelOptRule#onMatch(RelOptRuleCall)}
* method, then use {@link RelOptRuleCall#getMetadataQuery()} instead.
*/
public RelMetadataQuery getMetadataQuery() {
if (mq == null) {
mq = castNonNull(mqSupplier).get();
}
return mq;
}

setMetadataQuerySupplier 方法的参数为 RelMetadataQuery::instance,RelMetadataQuery 构造方法逻辑如下,会从前文介绍的 RelMetadataQueryBase.THREAD_PROVIDERS 中获取 JaninoRelMetadataProvider,并同时传入 RelMetadataQuery 中的 EMPTY 进行初始化。

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/**
* Creates the instance with {@link JaninoRelMetadataProvider} instance
* from {@link #THREAD_PROVIDERS} and {@link #EMPTY} as a prototype.
*/
protected RelMetadataQuery() {
this(castNonNull(THREAD_PROVIDERS.get()), EMPTY.get());
}

到这里我们就完成了 setMetadataQuerySupplier 初始化,RelOptCluster 中记录了 RelMetadataQuery 对象,而 RelMetadataQuery 对象中则初始化了各种通过动态代理创建的 Handler 对象,通过 Handler 对象又可以将元数据请求转发到不同元数据对象的内部方法。

RelMetadataQuery 获取统计信息

前文介绍了 RelMetadataQuery 初始化流程,下面我们再来探究下 RelMetadataQuery 获取统计信息的流程。RelMetadataQuery 是获取统计信息的门面类,内部提供了不同 RelNode 类型对应的元数据获取方法,我们以 getRowCount 方法为例,介绍下获取统计信息的内部逻辑。

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/**
* Returns the
* {@link BuiltInMetadata.RowCount#getRowCount()}
* statistic.
*
* @param rel the relational expression
* @return estimated row count, or null if no reliable estimate can be
* determined
*/
public /* @Nullable: CALCITE-4263 */ Double getRowCount(RelNode rel) {
for (; ; ) {
try {
Double result = rowCountHandler.getRowCount(rel, this);
return RelMdUtil.validateResult(castNonNull(result));
} catch (MetadataHandlerProvider.NoHandler e) {
rowCountHandler = revise(BuiltInMetadata.RowCount.Handler.class);
}
}
}

getRowCount 方法的逻辑很简单,会调用 RelMetadataQuery 内部维护的 rowCountHandler.getRowCount 方法获取行数统计信息,然后使用 RelMdUtil 对结果进行校验并返回。从下图可以看到,首次调用 getRowCount 方法时会抛出 NoHandler 异常,此时会调用 revise 方法对 rowCountHandler 进行再次初始化。

revise 方法实现逻辑如下,会调用 MetadataHandlerProvider 的 revise 方法,此处为 JaninoRelMetadataProvider。revise 方法内部会调用 HANDLERS.get 方法从缓存中获取 MetadataHandler。

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/**
* Re-generates the handler for a given kind of metadata, adding support for
* {@code class_} if it is not already present.
*/
protected <H extends MetadataHandler<?>> H revise(Class<H> def) {
return getMetadataHandlerProvider().revise(def);
}

// JaninoRelMetadataProvider#revise 方法
public synchronized <H extends MetadataHandler<?>> H revise(Class<H> handlerClass) {
try {
final Key key = new Key(handlerClass, provider);
//noinspection unchecked
return handlerClass.cast(HANDLERS.get(key));
} catch (UncheckedExecutionException | ExecutionException e) {
throw Util.throwAsRuntime(Util.causeOrSelf(e));
}
}

如果缓存未命中,则调用 generateCompileAndInstantiate 方法编译生成 MetadataHandler 对象。generateCompileAndInstantiate 方法第一个参数为 Class<? extends MetadataHandler<? extends Metadata>>,此处为 interface org.apache.calcite.rel.metadata.BuiltInMetadata$RowCount$Handler。第二个参数为 MetadataHandler 集合,通过 handlers 方法过滤出 key.handlerClass 的子类对象。

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/**
* Cache of pre-generated handlers by provider and kind of metadata.
* For the cache to be effective, providers should implement identity
* correctly.
*/
private static final LoadingCache<Key, MetadataHandler<?>> HANDLERS = maxSize(CacheBuilder.newBuilder(), CalciteSystemProperty.METADATA_HANDLER_CACHE_MAXIMUM_SIZE.value())
.build(CacheLoader.from(key -> generateCompileAndInstantiate(key.handlerClass, key.provider.handlers(key.handlerClass))));

根据下图可知,key.provider 主要为 ChainedRelMetadataProvider 和 ReflectiveRelMetadataProvider,ChainedRelMetadataProvider 会按照责任链方式遍历 providers,而 ReflectiveRelMetadataProvider 则会根据 key.handlerClass 过滤出子类对象。

ReflectiveRelMetadataProvider#handlers 方法实现逻辑如下,经过过滤我们得到了一个 RelMdRowCount 处理器。

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// ReflectiveRelMetadataProvider#handlers 方法
@Override
public List<MetadataHandler<?>> handlers(Class<? extends MetadataHandler<?>> handlerClass) {
if (this.handlerClass.isAssignableFrom(handlerClass)) {
return handlers;
} else {
return ImmutableList.of();
}
}

下面会调用 generateCompileAndInstantiate 方法生成最终的 MetadataHandler 对象。generateHandler 方法会在 org.apache.calcite.rel.metadata.janino 包下生成 GeneratedMetadata_RowCountHandler 类,该类包含一个 getRowCount 方法,会根据 RelNode 类型将请求转发到 RelMdRowCount 处理器中。

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private static <MH extends MetadataHandler<?>> MH generateCompileAndInstantiate(Class<MH> handlerClass, List<? extends MetadataHandler<? extends Metadata>> handlers) {
final List<? extends MetadataHandler<? extends Metadata>> uniqueHandlers = handlers.stream().distinct().collect(Collectors.toList());
// 生成代码
RelMetadataHandlerGeneratorUtil.HandlerNameAndGeneratedCode handlerNameAndGeneratedCode = RelMetadataHandlerGeneratorUtil.generateHandler(handlerClass, uniqueHandlers);
try {
return compile(handlerNameAndGeneratedCode.getHandlerName(), handlerNameAndGeneratedCode.getGeneratedCode(), handlerClass, uniqueHandlers);
} catch (CompileException | IOException e) {
throw new RuntimeException("Error compiling:\n" + handlerNameAndGeneratedCode.getGeneratedCode(), e);
}
}

generateHandler 方法生成的类逻辑如下:

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public final class GeneratedMetadata_RowCountHandler implements org.apache.calcite.rel.metadata.BuiltInMetadata.RowCount.Handler {
private final Object methodKey0 = new org.apache.calcite.rel.metadata.janino.DescriptiveCacheKey("Double Handler.getRowCount()");
public final org.apache.calcite.rel.metadata.RelMdRowCount provider0;

public GeneratedMetadata_RowCountHandler(org.apache.calcite.rel.metadata.RelMdRowCount provider0) {
// 初始化处理器类
this.provider0 = provider0;
}

public org.apache.calcite.rel.metadata.MetadataDef getDef() {
return provider0.getDef();
}

public java.lang.Double getRowCount(org.apache.calcite.rel.RelNode r, org.apache.calcite.rel.metadata.RelMetadataQuery mq) {
while (r instanceof org.apache.calcite.rel.metadata.DelegatingMetadataRel) {
r = ((org.apache.calcite.rel.metadata.DelegatingMetadataRel) r).getMetadataDelegateRel();
}
final Object key;
key = methodKey0;
// 先从缓存中获取统计信息
final Object v = mq.map.get(r, key);
if (v != null) {
if (v == org.apache.calcite.rel.metadata.NullSentinel.ACTIVE) {
throw new org.apache.calcite.rel.metadata.CyclicMetadataException();
}
if (v == org.apache.calcite.rel.metadata.NullSentinel.INSTANCE) {
return null;
}
// 命中缓存直接返回
return (java.lang.Double) v;
}
mq.map.put(r, key, org.apache.calcite.rel.metadata.NullSentinel.ACTIVE);
try {
// 未命中则查询统计信息
final java.lang.Double x = getRowCount_(r, mq);
mq.map.put(r, key, org.apache.calcite.rel.metadata.NullSentinel.mask(x));
return x;
} catch (java.lang.Exception e) {
mq.map.row(r).clear();
throw e;
}
}

private java.lang.Double getRowCount_(org.apache.calcite.rel.RelNode r, org.apache.calcite.rel.metadata.RelMetadataQuery mq) {
// 根据不同的 RelNode 类型,从处理器中获取统计信息
if (r instanceof org.apache.calcite.adapter.enumerable.EnumerableLimit) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.adapter.enumerable.EnumerableLimit) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.plan.volcano.RelSubset) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.plan.volcano.RelSubset) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Aggregate) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Aggregate) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Calc) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Calc) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Exchange) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Exchange) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Filter) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Filter) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Intersect) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Intersect) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Join) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Join) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Minus) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Minus) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Project) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Project) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Sort) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Sort) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.TableModify) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.TableModify) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.TableScan) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.TableScan) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Union) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Union) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.core.Values) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.core.Values) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.SingleRel) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.SingleRel) r, mq);
} else if (r instanceof org.apache.calcite.rel.RelNode) {
return provider0.getRowCount((org.apache.calcite.rel.RelNode) r, mq);
} else {
throw new java.lang.IllegalArgumentException("No handler for method [public abstract java.lang.Double org.apache.calcite.rel.metadata.BuiltInMetadata$RowCount$Handler.getRowCount(org.apache.calcite.rel.RelNode,org.apache.calcite.rel.metadata.RelMetadataQuery)] applied to argument of type [" + r.getClass() + "]; we recommend you create a catch-all (RelNode) handler");
}
}
}

可以看到生成的 GeneratedMetadata_RowCountHandler 内部还增加了统计信息的缓存以提升性能。根据经验来看,关系代数的统计信息在较长时间内会保持不变,Calcite 会监测子节点统计信息,当子节点发生变化时会主动失效缓存数据。

最终,getRowCount 方法会调用到 RelMdRowCount 类中的 getRowCount 方法,我们来看下常用的关系代数行数是如何计算的。下面展示了 TableScan 获取行数的方法,首先会判断 RelOptTable 是否实现了 BuiltInMetadata.RowCount.Handler 接口,如果实现了接口则可以直接调用 handler.getRowCount 获取,否则调用 estimateRowCount 方法进行估算。TableScan#estimateRowCount 方法会调用 table.getStatistic().getRowCount() 从统计信息中获取行数。

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// RelMdRowCount#getRowCount
public @Nullable Double getRowCount(TableScan rel, RelMetadataQuery mq) {
final BuiltInMetadata.RowCount.Handler handler = rel.getTable().unwrap(BuiltInMetadata.RowCount.Handler.class);
if (handler != null) {
return handler.getRowCount(rel, mq);
}
return rel.estimateRowCount(mq);
}

// TableScan#estimateRowCount
public double estimateRowCount(RelMetadataQuery mq) {
return table.getRowCount();
}

// RelOptTableImpl#getRowCount
public double getRowCount() {
if (rowCount != null) {
return rowCount;
}
if (table != null) {
final Double rowCount = table.getStatistic().getRowCount();
if (rowCount != null) {
return rowCount;
}
}
return 100d;
}

对于 Join 等复杂的关系代数表达式,统计信息的获取会更加复杂,此处调用了 RelMdUtil.getJoinRowCount 方法。getJoinRowCount 方法中会根据 Join 类型计算统计信息,对于最常用的 INNER JOIN,计算 rowCount 时会采用 left * right * selectivity 方式,即左侧节点 rowCount 乘以右侧节点 rownCount,再乘以 Join 关联条件的选择率。LEFT JOINRIGHT JOIN 则是在 INNER JOIN 的基础上,增加了左侧节点或右侧节点的剩余行,FULL JOIN 则是计算了左右两侧的剩余行。

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// RelMdRowCount#getRowCount
public @Nullable Double getRowCount(Join rel, RelMetadataQuery mq) {
return RelMdUtil.getJoinRowCount(mq, rel, rel.getCondition());
}

// RelMdUtil#getJoinRowCount
Double selectivity = mq.getSelectivity(join, condition);
if (selectivity == null) {
return null;
}
double innerRowCount = left * right * selectivity;
switch (join.getJoinType()) {
case INNER:
return innerRowCount;
case LEFT:
return left * (1D - selectivity) + innerRowCount;
case RIGHT:
return right * (1D - selectivity) + innerRowCount;
case FULL:
return (left + right) * (1D - selectivity) + innerRowCount;
default:
throw Util.unexpected(join.getJoinType());
}

其他统计信息以及不同关系代数对应的统计信息计算逻辑,大家可以自行阅读统计信息处理器源码进行探究,有问题欢迎留言探讨。

Calcite 代价模型实现

在上一篇深入理解 Apache Calcite ValcanoPlanner 优化器一文中,我们跟随 ValcanoPlanner 内部执行逻辑,已经大致了解过了 Calcite 代价模型的相关逻辑,本节我们再来详细了解下代价模型具体由哪些类组成,使用代价模型计算代价时,它的内部逻辑又是如何实现的。

Calcite 代价模型组成

如下图所示,Calcite 代价模型主要包含了 RelOptCostFactory 代价工厂类和 RelOptCost 代价接口。RelOptCost 代价接口主要提供了 RowsCpuIo 3 个指标,并提供了代价大小比较以及加减乘除运算能力,通过扩展 RelOptCost 代价接口,我们可以增加更多指标,例如在分布式数据库中比较重要的网络开销。

在 Caclite 中,RelOptCost 接口有两个实现类:RelOptCostImplVolcanoCost。RelOptCostImpl 是 RelOptCost 接口的默认实现,它只关注 Rows 指标,Cpu 和 Io 默认都返回 0,Caclite 中主要在 RBO 优化时使用 RelOptCostImpl 代价。VolcanoCost 与 RelOptCostImpl 不同,它同时考虑了 Rows、Cpu 和 Io 指标,Calcite 中主要在 CBO 优化时使用 VolcanoCost 代价。

RelOptCostFactory 工厂类用于创建具体的代价对象,接口中提供了 makeCost(创建代价对象)、makeHugeCost(创建巨大但非无穷的代价对象)、makeInfiniteCost(创建无穷大的代价对象)、makeTinyCost(创建很小的正成本代价对象) 和 makeZeroCost(创建零成本代价对象) 方法,这些方法会在计算算子代价时使用。

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/**
* Cost model for query planning.
*/
public interface RelOptCostFactory {
/**
* Creates a cost object.
*/
RelOptCost makeCost(double rowCount, double cpu, double io);

/**
* Creates a cost object representing an enormous non-infinite cost.
*/
RelOptCost makeHugeCost();

/**
* Creates a cost object representing infinite cost.
*/
RelOptCost makeInfiniteCost();

/**
* Creates a cost object representing a small positive cost.
*/
RelOptCost makeTinyCost();

/**
* Creates a cost object representing zero cost.
*/
RelOptCost makeZeroCost();
}

Calcite 中每一个 RelNode 都具体实现了 computeSelfCost 接口,RelNode 类可以重写该方法以实现自定义的代价计算,也可以复用父类 AbstractRelNode 中实现的代价计算逻辑,可以看到 AbstractRelNode#computeSelfCost 调用了 planner.getCostFactory() 方法,通过优化器对象获取代价工厂类,然后再调用代价创建的方法。

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/**
* Returns the cost of this plan (not including children). The base
* implementation throws an error; derived classes should override.
*
* <p>NOTE jvs 29-Mar-2006: Don't call this method directly. Instead, use
* {@link RelMetadataQuery#getNonCumulativeCost}, which gives plugins a
* chance to override the rel's default ideas about cost.
*
* @param planner Planner for cost calculation
* @param mq Metadata query
* @return Cost of this plan (not including children)
*/
// RelNode#computeSelfCost
@Nullable
RelOptCost computeSelfCost(RelOptPlanner planner, RelMetadataQuery mq);

// AbstractRelNode#computeSelfCost
public @Nullable RelOptCost computeSelfCost(RelOptPlanner planner, RelMetadataQuery mq) {
// by default, assume cost is proportional to number of rows
double rowCount = mq.getRowCount(this);
return planner.getCostFactory().makeCost(rowCount, rowCount, 0);
}

根据 RelNode#computeSelfCost 方法注释,我们可以看到不允许直接调用 computeSelfCost 方法,用户获取代价时需要通过 RelMetadataQuery#getNonCumulativeCost 方法来获取当前节点的代价。下面的部分,我们再来探究下如何通过 RelMetadataQuery 门面类获取代价信息,它的内部又是如何与代价模型交互的。

Calcite 代价计算逻辑

Calcite 代价计算都是通过调用 RelMetadataQuery 进行获取,而 RelMetadataQuery 对象可以从优化器全局对象 RelOptCluster 中获取,用户可以从 RelOptNode#getCluster 中快速获取 RelOptCluster, 因此在 Calcite 中访问元数据非常容易。下面展示了前一小节介绍的 RelMetadataQuery#getNonCumulativeCost 方法获取当前 RelNode 的代价逻辑:

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/**
* Returns the
* {@link BuiltInMetadata.NonCumulativeCost#getNonCumulativeCost()}
* statistic.
*
* @param rel the relational expression
* @return estimated cost, or null if no reliable estimate can be determined
*/
public @Nullable RelOptCost getNonCumulativeCost(RelNode rel) {
for (; ; ) {
try {
return nonCumulativeCostHandler.getNonCumulativeCost(rel, this);
} catch (MetadataHandlerProvider.NoHandler e) {
nonCumulativeCostHandler = revise(BuiltInMetadata.NonCumulativeCost.Handler.class);
}
}
}

该方法最终会调用到 RelMdPercentageOriginalRows#getNonCumulativeCost,可以看到该方法内部也是调用 RelNode 对应的 computeSelfCost 方法。

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// RelMdPercentageOriginalRows#getNonCumulativeCost
public @Nullable RelOptCost getNonCumulativeCost(RelNode rel, RelMetadataQuery mq) {
return rel.computeSelfCost(rel.getCluster().getPlanner(), mq);
}

此案例中 RelNode 为 JdbcTableScan 实现类,它继承了 TableScan,而 TableScan 的 computeSelfCost 实现逻辑如下,它调用了 VolcanoCost#Factory 创建了 VolcanoCost 对象。

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public @Nullable RelOptCost computeSelfCost(RelOptPlanner planner, RelMetadataQuery mq) {
double dRows = table.getRowCount();
double dCpu = dRows + 1; // ensure non-zero cost
double dIo = 0;
return planner.getCostFactory().makeCost(dRows, dCpu, dIo);
}

至此,我们就有了一个代表 RelNode 代价的 VolcanoCost 对象,VolcanoCost 对象属性及值如下,其中包含了 RelNode 对应的行数、CPU 消耗以及 IO 消耗。

有了 VolcanoCost 对象后,Planner 会在优化过程中调用 VolcanoCost 的内部方法,例如:进行代价的大小比较,以选择代价最小的执行计划。以及计算当前 RelNode 的累加代价,会将当前 RelNode 的代价和子节点的代价进行累加。VolcanoCost 大小比较和累加的方法实现如下。

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public boolean isLt(RelOptCost other) {
// 为什么为 true? Calcite 源码未进行说明
if (true) {
// 判断 rowCount 是否小于另一个 RelOptCost
VolcanoCost that = (VolcanoCost) other;
return this.rowCount < that.rowCount;
}
return isLe(other) && !equals(other);
}

public RelOptCost plus(RelOptCost other) {
VolcanoCost that = (VolcanoCost) other;
if ((this == INFINITY) || (that == INFINITY)) {
return INFINITY;
}
// 将所有的指标相加
return new VolcanoCost(this.rowCount + that.rowCount, this.cpu + that.cpu, this.io + that.io);
}

总体来看 Calcite VolcanoCost 实现逻辑相对简单,在进行代价比较时只考虑了单一的 rowCount 指标,其他指标并未进行比较。在实际使用中,我们需要对代价计算逻辑进行更精细的设计,例如:考虑分布式数据库中关心的网络传输开销,以及为不同的指标设计权重,参照权重进行综合的代价计算,这些需要大家不断去打磨提升。

结语

本文首先介绍了数据库领域的基础知识——统计信息和代价模型,让大家对相关的知识有一些了解。然后我们结合 Calcite 源码,一起学习了 Calcite 统计信息相关的实现逻辑,从 RelMetadataQuery 初始化,一直聊到 RelMetadataQuery 获取统计信息。这部分为大家介绍了初始化过程中涉及到的细节,Calcite 内部提供了 22 种元数据处理器,我们以 RelMdPercentageOriginalRows.SOURCE 为例进行了详细介绍,最后以表格的形式总结了所有元数据处理器的作用。此外,我们还介绍了 RelMetadataQuery 获取统计信息时,如何通过 Janio 生成代码,对元数据处理逻辑进行转发,在这个过程中,我们发现 Calcite 对统计信息进行了缓存以提升性能。

最后,本文介绍了 Calcite 代价模型相关的实现,了解了代价模型相关的接口和实现类,我们可以通过扩展接口增加代价模型中的指标。代价模型计算部分,我们以 getNonCumulativeCost 方法为例,简单地进行了探索,目前 Calcite 中的计算逻辑较为简单,如果我们想要进行更精细地计算,则需要自己去进行扩展实现,根据权重对不同指标进行计算从而获得一个综合代价。

阅读完本文,想必大家一定还有很多疑惑?Calcite 提供了 22 种元数据处理器,文章中只看到了如何获取统计信息,如何基于统计信息进行基数估计和代价计算,那么基础的统计信息我们又如何获取呢?另外,Calcite 代价计算逻辑目前看起来非常简单,那么生产级别的代价要如何计算,不同指标的权重应当如何设置

不仅大家会有这样的疑惑,笔者同样也有,本着打破砂锅问到底的原则,下一篇文章我们将探索 PolarDB-X 中统计信息和代价模型的相关实现,PolarDB-X 内核采用 Calcite 实现 SQL 优化,内部实现了丰富的统计信息指标收集,并对代价模型进行了扩展。学习 PolarDB-X 中统计信息和代价模型的实现,能够帮助大家快速了解生产级别的查询优化器是如何实现的,帮助大家在工作中更好地落地实践,欢迎感兴趣的朋友持续关注。

写在最后

笔者因为工作原因接触到 Calcite,前期学习过程中,深感 Calcite 学习资料之匮乏,因此创建了 Calcite 从入门到精通知识星球,希望能够将学习过程中的资料和经验沉淀下来,为更多想要学习 Calcite 的朋友提供一些帮助。

Calcite 从入门到精通