Hive SQL ——窗口函数源码阅读

前言

   使用Starrocks引擎中的窗口函数 row_number() over( )对10亿的数据集进行去重操作，BE内存溢出问题频发（忘记当时指定的BE内存上限是多少了.....），此时才意识到，开窗操作，如果使用 不当，反而更容易引发性能问题。 下文是对Hive中的窗口函数底层源码进行初步学习，若有问题，请指正~

一、窗口函数的执行步骤

（1）将数据分割成多个分区；

（2）在各个分区上调用窗口函数；

   由于窗口函数的返回结果不是一个聚合值，而是另一张表的格式（table-in, table-out），因此Hive社区引入分区表函数  Partitioned Table Function（PTF）。

  简略的代码流转图：

  hive会把QueryBlock，翻译成执行操作数OperatorTree，其中每个operator都会有三个重要的方法：

• initializeOp() ：初始化算子
• process() ：执行每一行数据
• forward() ：把处理好的每一行数据发送到下个Operator

   当遇到窗口函数时，会生成PTFOperator，PTFOperator依赖PTFInvocation 读取已经排好序的数据，创建相应的输入分区：PTFPartition inputPart;

   WindowTableFunction 负责管理窗口帧、调用窗口函数（UDAF）、并将结果写入输出分区: PTFPartition outputPart。

二、源码分析

2.1 PTFOperator 类

   是PartitionedTableFunction的运算符，继承Operator抽象类（Hive运算符基类）

重写process(Object row, int tag) 方法，该方法来处理一行数据Row

@Overridepublic void process(Object row, int tag) throws HiveException {if (!isMapOperator) {/** check if current row belongs to the current accumulated Partition:* - If not:*  - process the current Partition*  - reset input Partition* - set currentKey to the newKey if it is null or has changed.*/newKeys.getNewKey(row, inputObjInspectors[0]);//会判断当前row所属的Key（newKeys）是否等于当前正在累积数据的partition所属的key（currentKeys）boolean keysAreEqual = (currentKeys != null && newKeys != null) ?newKeys.equals(currentKeys) : false;// 如果不相等，就结束当前partition分区的数据累积，触发窗口计算if (currentKeys != null && !keysAreEqual) {// 关闭正在积累的分区ptfInvocation.finishPartition();}// 如果currentKeys为空或者被改变，就将newKeys赋值给currentKeysif (currentKeys == null || !keysAreEqual) {// 开启一个新的分区partitionptfInvocation.startPartition();if (currentKeys == null) {currentKeys = newKeys.copyKey();} else {currentKeys.copyKey(newKeys);}}} else if (firstMapRow) { // 说明当前row是进入的第一行ptfInvocation.startPartition();firstMapRow = false;}// 将数据row添加到分区中，积累数据ptfInvocation.processRow(row);}

   上面的代码可以看出，所有数据应该是按照分区排好了序，排队进入process方法，当遇到进入的row和当前分区不是同一个key时，当前分区就可以关闭了，然后在打开下一个分区。

2.2 PTFInvocation类

  PTFInvocation是PTFOperator类 的内部类

 在PTFOperator的初始化方法中创建了实例。

@Overrideprotected void initializeOp(Configuration jobConf) throws HiveException {...ptfInvocation = setupChain();ptfInvocation.initializeStreaming(jobConf, isMapOperator);...}

   它的主要作用是负责PTF 数据链中行（ row）的流动，通过 ptfInvocation.processRow(row) 方法调用传递链中的每一行，并且通过ptfInvocation.startPartition()、ptfInvocation.finishPartition()方法来通知分区何时开始何时结束。

 该类中包含TableFunction，用来处理分区数据。

PTFPartition inputPart; // inputPart理解为：分区对象，一直是在复用一个inputPart
TableFunctionEvaluator tabFn; // tabFn理解为：窗口函数的实例//向分区中添加一行数据
void processRow(Object row) throws HiveException {if (isStreaming()) {// tabFn是窗口函数的实例handleOutputRows(tabFn.processRow(row));} else {// inputPart就是当前正在累积数据的分区inputPart.append(row);}
}// 开启一个分区
void startPartition() throws HiveException {if (isStreaming()) {tabFn.startPartition();} else {if (prev == null || prev.isOutputIterator()) {if (inputPart == null) {// 创建新分区对象：PTFPartition对象createInputPartition();} else {// 重置分区inputPart.reset();}}}if (next != null) {next.startPartition();}
}// 关闭一个分区
void finishPartition() throws HiveException {if (isStreaming()) {handleOutputRows(tabFn.finishPartition());} else {if (tabFn.canIterateOutput()) {outputPartRowsItr = inputPart == null ? null :tabFn.iterator(inputPart.iterator());} else {// tabFn是窗口函数的实例，execute方法：执行窗口函数逻辑的计算，返回outputPart依旧是一个分区对象outputPart = inputPart == null ? null : tabFn.execute(inputPart);outputPartRowsItr = outputPart == null ? null : outputPart.iterator();}if (next != null) {if (!next.isStreaming() && !isOutputIterator()) {next.inputPart = outputPart;} else {if (outputPartRowsItr != null) {while (outputPartRowsItr.hasNext()) {next.processRow(outputPartRowsItr.next());}}}}if (next != null) {next.finishPartition();} else {if (!isStreaming()) {if (outputPartRowsItr != null) {while (outputPartRowsItr.hasNext()) {// 将窗口函数计算结果逐条输出到下一个Operator中forward(outputPartRowsItr.next(), outputObjInspector);}}}}
}

2.3 PTFPartition类

   该类表示由TableFunction或WindowFunction来处理的行集合，使用PTFRowContainer来保存数据。

private final PTFRowContainer<List<Object>> elems; // 存放数据的容器public void append(Object o) throws HiveException {//在往PTFPartition中添加数据时，如果当前累计条数超过了Int最大值(21亿)，会抛异常。if (elems.rowCount() == Integer.MAX_VALUE) {throw new HiveException(String.format("Cannot add more than %d elements to a PTFPartition",Integer.MAX_VALUE));}@SuppressWarnings("unchecked")List<Object> l = (List<Object>)ObjectInspectorUtils.copyToStandardObject(o, inputOI, ObjectInspectorCopyOption.WRITABLE);elems.addRow(l);
}

2.4 TableFunctionEvaluator类

   该类负责对分区内的数据做实际的窗口计算

public abstract class TableFunctionEvaluator {
transient protected PTFPartition outputPartition; // transient瞬态变量，该属性可以不参与序列化// iPart理解为：分区对象
public PTFPartition execute(PTFPartition iPart)throws HiveException {if (ptfDesc.isMapSide()) {return transformRawInput(iPart);}PTFPartitionIterator<Object> pItr = iPart.iterator();PTFOperator.connectLeadLagFunctionsToPartition(ptfDesc.getLlInfo(), pItr);if (outputPartition == null) {outputPartition = PTFPartition.create(ptfDesc.getCfg(),tableDef.getOutputShape().getSerde(),OI, tableDef.getOutputShape().getOI());} else {outputPartition.reset();}// 入参1：输入PTFPartition转换的迭代器；入参2：输出PTFPartitionexecute(pItr, outputPartition);return outputPartition;
}protected abstract void execute(PTFPartitionIterator<Object> pItr, PTFPartition oPart) throws HiveException;
}

 抽象方法 execute(PTFPartitionIterator pItr, PTFPartition oPart) 方法的具体实现在子类WindowingTableFunction中

public class WindowingTableFunction extends TableFunctionEvaluator {@Override
public void execute(PTFPartitionIterator<Object> pItr, PTFPartition outP) throws HiveException {ArrayList<List<?>> oColumns = new ArrayList<List<?>>();PTFPartition iPart = pItr.getPartition();StructObjectInspector inputOI = iPart.getOutputOI();WindowTableFunctionDef wTFnDef = (WindowTableFunctionDef) getTableDef();for (WindowFunctionDef wFn : wTFnDef.getWindowFunctions()) {// 这里是判断逻辑：如果该窗口定义是一个从第一行到最后一行的全局无限窗口就返回false，反之trueboolean processWindow = processWindow(wFn.getWindowFrame());pItr.reset();if (!processWindow) {Object out = evaluateFunctionOnPartition(wFn, iPart);if (!wFn.isPivotResult()) {out = new SameList(iPart.size(), out);}oColumns.add((List<?>) out);} else {oColumns.add(executeFnwithWindow(wFn, iPart));}}/** Output Columns in the following order* - the columns representing the output from Window Fns* - the input Rows columns*/for (int i = 0; i < iPart.size(); i++) {ArrayList oRow = new ArrayList();Object iRow = iPart.getAt(i);for (int j = 0; j < oColumns.size(); j++) {oRow.add(oColumns.get(j).get(i));}for (StructField f : inputOI.getAllStructFieldRefs()) {oRow.add(inputOI.getStructFieldData(iRow, f));}//最终将处理好的数据逐条添加到输出PTFPartition中outP.append(oRow);}
}// Evaluate the function result for each row in the partition
ArrayList<Object> executeFnwithWindow(WindowFunctionDef wFnDef,PTFPartition iPart)throws HiveException {ArrayList<Object> vals = new ArrayList<Object>();for (int i = 0; i < iPart.size(); i++) {// 入参：1.窗口函数、2.当前行的行号、3.输入PTFPartition对象Object out = evaluateWindowFunction(wFnDef, i, iPart);vals.add(out);}return vals;
}// Evaluate the result given a partition and the row number to process
private Object evaluateWindowFunction(WindowFunctionDef wFn, int rowToProcess, PTFPartition partition)throws HiveException {BasePartitionEvaluator partitionEval = wFn.getWFnEval().getPartitionWindowingEvaluator(wFn.getWindowFrame(), partition, wFn.getArgs(), wFn.getOI(), nullsLast);// 给定当前行，获取窗口的聚合return partitionEval.iterate(rowToProcess, ptfDesc.getLlInfo());
}}

注：WindowingTableFunction类中的execute方法 ，没怎么理解清楚，待补充~

三、Hive SQL窗口函数实现原理

    window Funtion的使用语法：

select col1,col2,row_number() over (partition by col1 order by col2 窗口子句) as rnfrom tableA

上面的语句主要分两部分

• window函数部分（window_func）

• 窗口定义部分

3.1 window函数部分

   windows函数部分即是：在窗口上执行的函数。主要有count 、sum、avg聚合类窗口函数、还有常用的row_number、rank这样的排序函数。

3.2  窗口定义部分

即为： over里面的三部分内容（均可省略不写）

• partition by 分区

• order by 排序

• （rows | range ）between ... and .....  窗口子句

ps ：Hive 窗口函数的详细介绍：

(07)Hive——窗口函数详解_hive 窗口函数-CSDN博客

3.3  window Function实现原理

   窗口函数的实现，主要借助 Partitioned Table Function （即PTF）；

（1）PTF的输入可以是：表、子查询或另一个PTF函数输出；

（2）PTF输出是一张表。

写一个相对复杂的sql，来看一下执行窗口函数时，数据的流转情况：

select id,sq,cell_type,rank,row_number() over(partition by id  order by rank ) as rn ,rank() over(partition by id order by rank) as r,dense_rank() over(partition by  cell_type order by id) as dr  from window_test_table group byid,sq,cell_type,rank;

数据流转如下图：

以上代码实现主要有三个阶段：

• 计算除窗口函数以外所有的其他运算，如：group by，join ，having等。上面的代码的第一阶段即为：

selectid, sq, cell_type, rank
from window_test_table
group byid, sq, cell_type, rank;

• 将第一步的输出作为第一个 PTF 的输入，计算对应的窗口函数值。上面代码的第二阶段即为：

select id,sq,cell_type,rank,rn,r 
from 
window(<w>,--将第一阶段输出记为wpartition by id, --分区order by rank, --窗口函数的order[rn:row_number(),r:rank()] --窗口函数调用)

   由于row_number()，rank() 两个函数对应的窗口是相同的（partition by id  order by rank），因此，这两个函数可以在一次shuffle中完成。

• 将第二步的输出结果作为 第二个PTF 的输入，计算对应的窗口函数值。上面代码的第三阶段即为：

select id,sq,cell_type,rank,rn,r,dr
from 
window(<w1>,--将第二阶段输出记为w1partition by cell_type, --分区order by id, --窗口函数的order[dr:dense_rank()] --窗口函数调用)

    由于dense_rank()的窗口与前两个函数不同，因此需要再partition一次，得到最终的输出结果。

     总结：上述代码显示需要shuffle三次才能得到最终的结果（第一阶段的group by ，第二阶段，第三阶段的开窗操作）。对应到MapReduce程序，即需要经历三次 map->reduce组合；对应到spark sql上，需要Exchange三次，再加上中间排序操作，在数据量很大的情况下，效率上确实会有较大的影响。

四、窗口函数的性能问题

   在使用Hive进行数据处理时，借助窗口函数可以对数据进行分组、排序等操作，但是在使用row_number这类窗口函数时，会遇到性能较慢的问题，j即比普通的聚合函数（ sum，min，max等）运行成本更高，为啥？

4.1 性能问题产生原因

4.1.1 第一个版本

小破站一个up主给出的答案：

 原因：

（1）开窗函数不能做预聚合 ，数据量很多，shuffle慢，计算慢，并且会有

数据倾斜的风险；

（2）开窗多一步order by ，更耗时间；

4.1.2 第二个版本

原因：

（1）普通的聚合函数语句，可以根据函数不同，采用partial + merge 的方式运行，也即是map端预聚合；但那是window 窗口语句只能在reduce 端一次性聚合，即只有complete 执行模式。

（2）普通聚合函数的物理执行计划分为SortBased和HashBased的；而window是SortBased。

（3）window语句作用于 对行，并为每行返回一个聚合结果，这决定了window在执行过程中需要更大的buffer 进行汇总。

4.2 性能问题的优化方法

4.2.1 用聚合函数替代 排序开窗函数

     例如：假设需要求出历史至今用户粒度末次交易的sku名称或者交易金额等，这种情况下，可以将 交易时间和sku名称拼接起来，取max ，之后再将sku名称拆解开，即能达到预期效果。

    在Hive 中，row_number是一个常用的窗口函数，用于为结果集中的每一行分配一个唯一的数字。通常会搭配over子句来指定窗口的范围和排序方式。例如:

select col1,col2,row_number() over (partition by col1 order by col2  窗口子句) as rnfrom tableA

   上述示例row_number 函数将根据col1进行分组，并按照col2的值进行排序，为每一组数据分配一个唯一的行号。然而，在处理大规模数据时，使用row_number可能会导致性能下降，这是因为row_number 需要对数据进行排序和标记，而这些操作在大数据量下会消耗较多的计算资源。

   注： 以下都是row_number() over () 开窗函数性能优化的几种方式：

4.2.2 减少数据量

   一种最直接的优化方法是减少需要进行row_number计算的数据量。可以通过在where子句中添加条件、对数据进行分区等方式来减小数据规模，从而提升计算性能。

   ps： 这种方式在生产环境中用过。

4.2.3 避免多次排序

   在使用row_number时，尽量避免多次排序操作。可以将row_number 函数应用在子查询中，然后再进行排序操作，避免重复的排序过程。

selectcol1,col2,rn
from 
( select col1,col2,row_number() over (partition by col1 order by col2) as rnfrom tableA) tmp1
order by col1,col2;

参考文章：

常用的SQL优化方式, 用聚合函数替代排序开窗求最值, sparksql, hivesql_哔哩哔哩_bilibili

https://blog.51cto.com/u_16213435/9877979

Hive学习（一）窗口函数源码阅读_hive 源码阅读-CSDN博客

https://mp.weixin.qq.com/s/WBryrbpHGO9jmzMp0e7jhw