Spark SQL架构工作原理及流程解析

Spark SQL架构工作原理及流程解析，spark sql从shark发展而来，Shark为了实现Hive兼容，在HQL方面重用了Hive中HQL的解析、逻辑执行计划翻译、执行计划优化等逻辑。

Spark SQL兼容Hive，因为Spark SQL架构与Hive底层结构相似，Spark SQL复用了Hive提供的元数据仓库（Metastore）、HiveQL、用户自定义函数（UDF）以及序列化和反序列工具（SerDes），深入了解Spark SQL底层架构：

Spark SQL架构

Spark SQL架构与Hive架构相比除了把底层的MapReduce执行引擎更改为Spark还修改了Catalyst优化器，Spark SQL快速的计算效率得益于Catalyst优化器。从HiveQL被解析成语法抽象树起，执行计划生成和优化的工作全部交给Spark SQL的Catalyst优化器进行负责和管理。

Catalyst优化器是一个新的可扩展的查询优化器，它是基于Scala函数式编程结构，Spark SQL开发工程师设计可扩展架构主要是为了在今后的版本迭代时，能够轻松地添加新的优化技术和功能，尤其是为了解决大数据生产环境中遇到的问题（例如，针对半结构化数据和高级数据分析），另外，Spark作为开源项目，外部开发人员可以针对项目需求自行扩展Catalyst优化器的功能。Spark SQL的工作原理图：

Spark SQL工作原理

Spark要想很好地支持SQL，就需要完成解析（Parser）、优化（Optimizer）、执行（Execution）三大过程。Catalyst优化器在执行计划生成和优化的工作时候，它离不开自己内部的五大组件，具体介绍如下所示。

Parse组件：该组件根据一定的语义规则（即第三方类库ANTLR）将SparkSql字符串解析为一个抽象语法树/AST。

Analyze组件：该组件会遍历整个AST，并对AST上的每个节点进行数据类型的绑定以及函数绑定，然后根据元数据信息Catalog对数据表中的字段进行解析。

Optimizer组件：该组件是Catalyst的核心，主要分为RBO和CBO两种优化策略，其中RBO是基于规则优化，CBO是基于代价优化。

SparkPlanner组件：优化后的逻辑执行计划OptimizedLogicalPlan依然是逻辑的，并不能被Spark系统理解，此时需要将OptimizedLogicalPlan转换成physical plan（物理计划）。

CostModel组件：主要根据过去的性能统计数据，选择最佳的物理执行计划。

在了解了上述组件的作用后，下面分步骤讲解Spark SQL工作流程。

1、在解析SQL语句之前，会创建SparkSession，涉及到表名、字段名称和字段类型的元数据都将保存在Catalog中；

2、当调用SparkSession的sql()方法时就会使用SparkSqlParser进行解析SQL语句，解析过程中使用的ANTLR进行词法解析和语法解析；

3、接着使用Analyzer分析器绑定逻辑计划，在该阶段，Analyzer会使用Analyzer Rules，并结合Catalog，对未绑定的逻辑计划进行解析，生成已绑定的逻辑计划；

4、然后Optimizer根据预先定义好的规则（RBO）对 Resolved Logical Plan 进行优化并生成 Optimized Logical Plan（最优逻辑计划）；

5、接着使用SparkPlanner对优化后的逻辑计划进行转换，生成多个可以执行的物理计划Physical Plan；

6、接着CBO优化策略会根据Cost Model算出每个Physical Plan的代价，并选取代价最小的 Physical Plan作为最终的Physical Plan；

7、最终使用QueryExecution执行物理计划，此时则调用SparkPlan的execute()方法，返回RDD。

第一阶段：大数据开发入门

1、MySQL数据库及SQL语法

MySQL可以处理拥有上千万条记录的大型数据库，使用标准的SQL数据语言形式，MySQL可以安装在不同的操作系统，并且提供多种编程语言的操作接口，这些编程语言包括C、C++、Python、Java、Ruby等等。支持多种存储引擎。
SQL就是客户端和MySQL服务器端进行通信和沟通的语言。

2、Kettle与BI工具

Kettle作为一个端对端的数据集成平台，其部分特色功能包括：无代码拖拽式构建数据管道、多数据源对接、数据管道可视化、模板化开发数据管道、可视化计划任务、深度Hadoop支持、数据任务下压Spark集群、数据挖掘与机器学习支持。

3、Python与数据库交互

实际的生产任务中，数据几乎全部存在与数据库中，因此，与数据库的交互成为一件难以避免的事情。想要在Python代码中和mysql数据库进行交互，需要借助一个第三方的模块“pymysql”

第二阶段：大数据核心基础

1、Linux

Linux 作为操作系统，本身是为了管理内存，调度进程，处理网络协议栈等等。而大数据的发展是基于开源软件的平台，大数据的分布式集群( Hadoop，Spark )都是搭建在多台 Linux 系统上，对集群的执行命令都是在 Linux 终端窗口输入的。据Linux基金会的研究，86%的企业已经使用Linux操作系统进行大数据平台的构建。Linux占据优势。

2、Hadoop基础

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Hadoop是一个能够对大量数据进行分布式处理的软件框架。 Hadoop 以一种可靠、高效、可伸缩的方式进行数据处理。它很擅长存储大量的半结构化的数据集。也非常擅长分布式计算——快速地跨多台机器处理大型数据集合。Hadoop的框架最核心的设计就是：HDFS和MapReduce.HDFS为海量的数据提供了存储，则MapReduce为海量的数据提供了计算。

MapReduce和Hadoop是相互独立的，实际上又能相互配合工作得很好。MapReduce是处理大量半结构化数据集合的编程模型。

3、大数据开发Hive基础

hive是基于Hadoop的一个数据仓库工具，用来进行数据提取、转化、加载，这是一种可以存储、查询和分析存储在Hadoop中的大规模数据的机制。

hive数据仓库工具能将结构化的数据文件映射为一张数据库表，并提供SQL查询功能，能将SQL语句转变成MapReduce任务来执行。Hive的优点是学习成本低，可以通过类似SQL语句实现快速MapReduce统计，使MapReduce变得更加简单，而不必开发专门的MapReduce应用程序。Hive十分适合对数据仓库进行统计分析。

第三阶段：千亿级数仓技术

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以真实项目为驱动，学习离线数仓技术。建立集团数据仓库，统一集团数据中心，把分散的业务数据集中存储和处理；从需求调研、设计、版本控制、研发、测试到落地上线，涵盖了项目的完整工序；挖掘分析海量用户行为数据，定制多维数据集合，形成数据集市，供各个场景主题使用。

第四阶段：PB内存计算

1、Python编程基础+进阶

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Python是基于ABC语言的发展来的，Python语法和动态类型，以及解释型语言的本质，使它成为多数平台上写脚本和快速开发应用的编程语言，随着版本的不断更新和语言新功能的添加，逐渐被用于独立的、大型项目的开发。

Python 语言的语法非常简洁明了，即便是非软件专业的初学者，也很容易上手，和其它编程语言相比，实现同一个功能，Python 语言的实现代码往往是最短的。

2、Spark技术栈

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Spark是大数据体系的明星产品，是一款高性能的分布式内存迭代计算框架，可以处理海量规模的数据。本课程基于Python语言学习Spark3.2开发，课程的讲解注重理论联系实际，高效快捷，深入浅出，让初学者也能快速掌握。让有经验的工程师也能有所收获。

3、大数据Flink技术栈

Flink核心是一个流式的数据流执行引擎，其针对数据流的分布式计算提供了数据分布、数据通信以及容错机制等功能。基于流执行引擎，Flink提供了诸多更高抽象层的API以便用户编写分布式任务。Flink也可以方便地和Hadoop生态圈中其他项目集成，例如Flink可以读取存储在HDFS或HBase中的静态数据，以Kafka作为流式的数据源，直接重用MapReduce或Storm代码，或是通过YARN申请集群资源等。

4.Spark离线数仓工业项目实战

全网首次披露大数据Spark离线数仓工业项目实战，Hive+Spark构建企业级大数据平台

通过大数据技术架构，解决工业物联网制造行业的数据存储和分析、可视化、个性化推荐问题。一站制造项目主要基于Hive数仓分层来存储各个业务指标数据，基于sparkSQL做数据分析。核心业务涉及运营商、呼叫中心、工单、油站、仓储物料。