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Hive底层原理：Explain执行计划详解

2015 年 4 月 16 日

理论

本节将介绍 explain 的用法及参数介绍

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：

EXPLAIN [EXTENDED|CBO|AST|DEPENDENCY|AUTHORIZATION|LOCKS|VECTORIZATION|ANALYZE] query

explain 后面可以跟以下可选参数，注意：这几个可选参数不是 hive 每个版本都支持的

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. AUTHORIZATION：显示所有的实体需要被授权执行(如果存在)的查询和授权失败
  6. 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
  7. VECTORIZATION：将详细信息添加到EXPLAIN输出中，以显示为什么未对Map和Reduce进行矢量化。从 Hive 2.3.0 开始支持
  8. ANALYZE：用实际的行数注释计划。从 Hive 2.2.0 开始支持

在 hive cli 中输入以下命令(hive 2.3.7)：

explain select sum(id) from test1; 

得到结果(请逐行看完，即使看不懂也要每行都看)：

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：

  • stage dependencies： 各个stage之间的依赖性
  • stage plan： 各个stage的执行计划

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。

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：

1.map端第一个操作肯定是加载表，所以就是 TableScan 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

2.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

3.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

4.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

5.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)

6.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

7.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

8.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

好，学到这里再翻到上面 explain 的查询结果，是不是感觉基本都能看懂了。

实践

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

1. 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

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：

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)：

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 是不会自动过滤的，大家可以自行尝试下。

2. group by 分组语句会进行排序吗?

看下面这条sql

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)

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。

3. 哪条sql执行效率高呢?

观察两条sql语句

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

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

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。

最后

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。

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