SparkSQL總體流程介紹

在闡述Join實現之前，我們首先簡單介紹SparkSQL的總體流程，一般地，我們有兩種方式使用SparkSQL，一種是直接寫sql語句，這個需要有元資料庫支援，例如Hive等，另一種是通過Dataset/DataFrame編寫Spark應用程式。如下圖所示，sql語句被語法解析(SQL AST)成查詢計劃，或者我們通過Dataset/DataFrame提供的APIs組織成查詢計劃，查詢計劃分為兩大類：邏輯計劃和物理計劃，這個階段通常叫做邏輯計劃，經過語法分析(Analyzer)、一系列查詢優化(Optimizer)後得到優化後的邏輯計劃，最後被對映成物理計劃，轉換成RDD執行。

更多關於SparkSQL的解析與執行請參考文章【sql的解析與執行】。對於語法解析、語法分析以及查詢優化，本文不做詳細闡述，本文重點介紹Join的物理執行過程。

Join基本要素

如下圖所示，Join大致包括三個要素：Join方式、Join條件以及過濾條件。其中過濾條件也可以通過AND語句放在Join條件中。

Spark支援所有型別的Join，包括：

• inner join
• left outer join
• right outer join
• full outer join
• left semi join
• left anti join

下面分別闡述這幾種Join的實現。

Join基本實現流程

總體上來說，Join的基本實現流程如下圖所示，Spark將參與Join的兩張表抽象為流式遍歷表(streamIter)和查詢表(buildIter)，通常streamIter為大表，buildIter為小表，我們不用擔心哪個表為streamIter，哪個表為buildIter，這個spark會根據join語句自動幫我們完成。

在實際計算時，spark會基於streamIter來遍歷，每次取出streamIter中的一條記錄rowA，根據Join條件計算keyA，然後根據該keyA去buildIter中查詢所有滿足Join條件(keyB==keyA)的記錄rowBs，並將rowBs中每條記錄分別與rowAjoin得到join後的記錄，最後根據過濾條件得到最終join的記錄。

從上述計算過程中不難發現，對於每條來自streamIter的記錄，都要去buildIter中查詢匹配的記錄，所以buildIter一定要是查詢效能較優的資料結構。spark提供了三種join實現：sort merge join、broadcast join以及hash join。

sort merge join實現

要讓兩條記錄能join到一起，首先需要將具有相同key的記錄在同一個分割槽，所以通常來說，需要做一次shuffle，map階段根據join條件確定每條記錄的key，基於該key做shuffle write，將可能join到一起的記錄分到同一個分割槽中，這樣在shuffle read階段就可以將兩個表中具有相同key的記錄拉到同一個分割槽處理。前面我們也提到，對於buildIter一定要是查詢效能較優的資料結構，通常我們能想到hash表，但是對於一張較大的表來說，不可能將所有記錄全部放到hash表中，另外也可以對buildIter先排序，查詢時按順序查詢，查詢代價也是可以接受的，我們知道，spark shuffle階段天然就支援排序，這個是非常好實現的，下面是sort merge join示意圖。

在shuffle read階段，分別對streamIter和buildIter進行merge sort，在遍歷streamIter時，對於每條記錄，都採用順序查詢的方式從buildIter查詢對應的記錄，由於兩個表都是排序的，每次處理完streamIter的一條記錄後，對於streamIter的下一條記錄，只需從buildIter中上一次查詢結束的位置開始查詢，所以說每次在buildIter中查詢不必重頭開始，整體上來說，查詢效能還是較優的。

broadcast join實現

為了能具有相同key的記錄分到同一個分割槽，我們通常是做shuffle，那麼如果buildIter是一個非常小的表，那麼其實就沒有必要大動干戈做shuffle了，直接將buildIter廣播到每個計算節點，然後將buildIter放到hash表中，如下圖所示。

從上圖可以看到，不用做shuffle，可以直接在一個map中完成，通常這種join也稱之為map join。那麼問題來了，什麼時候會用broadcast join實現呢？這個不用我們擔心，spark sql自動幫我們完成，當buildIter的估計大小不超過引數spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold設定的值(預設10M)，那麼就會自動採用broadcast join，否則採用sort merge join。

hash join實現

除了上面兩種join實現方式外，spark還提供了hash join實現方式，在shuffle read階段不對記錄排序，反正來自兩格表的具有相同key的記錄會在同一個分割槽，只是在分割槽內不排序，將來自buildIter的記錄放到hash表中，以便查詢，如下圖所示。

不難發現，要將來自buildIter的記錄放到hash表中，那麼每個分割槽來自buildIter的記錄不能太大，否則就存不下，預設情況下hash join的實現是關閉狀態，如果要使用hash join，必須滿足以下四個條件：

• buildIter總體估計大小超過spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold設定的值，即不滿足broadcast join條件
• 開啟嘗試使用hash join的開關，spark.sql.join.preferSortMergeJoin=false
• 每個分割槽的平均大小不超過spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold設定的值，即shuffle read階段每個分割槽來自buildIter的記錄要能放到記憶體中
• streamIter的大小是buildIter三倍以上

所以說，使用hash join的條件其實是很苛刻的，在大多數實際場景中，即使能使用hash join，但是使用sort merge join也不會比hash join差很多，所以儘量使用hash

下面我們分別闡述不同Join方式的實現流程。

inner join

inner join是一定要找到左右表中滿足join條件的記錄，我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，可以不用關心哪個是左表，哪個是右表，在spark sql查詢優化階段，spark會自動將大表設為左表，即streamIter，將小表設為右表，即buildIter。這樣對小表的查詢相對更優。其基本實現流程如下圖所示，在查詢階段，如果右表不存在滿足join條件的記錄，則跳過。

left outer join

left outer join是以左表為準，在右表中查詢匹配的記錄，如果查詢失敗，則返回一個所有欄位都為null的記錄。我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，一般讓大表在左邊，小表在右邊。其基本實現流程如下圖所示。

right outer join

right outer join是以右表為準，在左表中查詢匹配的記錄，如果查詢失敗，則返回一個所有欄位都為null的記錄。所以說，右表是streamIter，左表是buildIter，我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，一般讓大表在右邊，小表在左邊。其基本實現流程如下圖所示。

full outer join

full outer join相對來說要複雜一點，總體上來看既要做left outer join，又要做right outer join，但是又不能簡單地先left outer join，再right outer join，最後union得到最終結果，因為這樣最終結果中就存在兩份inner join的結果了。因為既然完成left outer join又要完成right outer join，所以full outer join僅採用sort merge join實現，左邊和右表既要作為streamIter，又要作為buildIter，其基本實現流程如下圖所示。

由於左表和右表已經排好序，首先分別順序取出左表和右表中的一條記錄，比較key，如果key相等，則joinrowA和rowB，並將rowA和rowB分別更新到左表和右表的下一條記錄；如果keyA<keyB，則說明右表中沒有與左表rowA對應的記錄，那麼joinrowA與nullRow，緊接著，rowA更新到左表的下一條記錄；如果keyA>keyB，則說明左表中沒有與右表rowB對應的記錄，那麼joinnullRow與rowB，緊接著，rowB更新到右表的下一條記錄。如此迴圈遍歷直到左表和右表的記錄全部處理完。

left semi join

left semi join是以左表為準，在右表中查詢匹配的記錄，如果查詢成功，則僅返回左邊的記錄，否則返回null，其基本實現流程如下圖所示。

left anti join

left anti join與left semi join相反，是以左表為準，在右表中查詢匹配的記錄，如果查詢成功，則返回null，否則僅返回左邊的記錄，其基本實現流程如下圖所示。

總結

Join是資料庫查詢中一個非常重要的語法特性，在資料庫領域可以說是“得join者的天下”，SparkSQL作為一種分散式資料倉庫系統，給我們提供了全面的join支援，並在內部實現上無聲無息地做了很多優化，瞭解join的實現將有助於我們更深刻的瞭解我們的應用程式的執行軌跡。