基于Calcite解析Flink SQL列级数据血缘

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数据血缘

数据血缘(data lineage)是数据治理(data governance)的重要组成部分，也是元数据管理、数据质量管理的有力工具。通俗地讲，数据血缘就是数据在产生、加工、流转到最终消费过程中形成的有层次的、可溯源的联系。成熟的数据血缘系统可以帮助开发者快速定位问题，以及追踪数据的更改，确定上下游的影响等等。

在数据仓库的场景下，数据的载体是数据库中的表和列(字段)，相应地，数据血缘根据粒度也可以分为较粗的表级血缘和较细的列(字段)级血缘。离线数仓的数据血缘提取已经有了成熟的方法，如利用Hive提供的LineageLogger与Execution Hooks机制。本文就来简要介绍一种在实时数仓中基于Calcite解析Flink SQL列级血缘的方法，在此之前，先用几句话聊聊Calcite的关系式元数据体系。

Calcite关系式元数据

在Calcite内部，库表元数据由Catalog来处理，关系式元数据才会被冠以[Rel]Metadata的名称。关系式元数据与RelNode对应，以下是与其相关的Calcite组件：

  • RelMetadataQuery：为关系式元数据提供统一的访问接口；
  • RelMetadataProvider：为RelMetadataQuery各接口提供实现的中间层；
  • MetadataFactory：生产并维护RelMetadataProvider的工厂；
  • MetadataHandler：处理关系式元数据的具体实现逻辑，全部位于org.apache.calcite.rel.metadata包下，且类名均以RelMd作为前缀。

Calcite内置了许多种默认的关系式元数据实现，并以接口的形式统一维护在BuiltInMetadata抽象类里，如下图所示，名称都比较直白(如RowCount就表示该RelNode查询结果的行数)。

其中，ColumnOrigin.Handler就是负责解析列级血缘的MetadataHandler，对各类RelNode分别定义了相应的寻找起源列的方法，其结构如下图所示。具体源码会另外写文章专门讲解，本文先不提。

处理`Snapshot` RelNode的方法是笔者新增的

注意包括ColumnOrigin.Handler在内的绝大多数MetadataHandler都是靠ReflectiveRelMetadataProvider来发挥作用。顾名思义，ReflectiveRelMetadataProvider通过反射取得各个MetadataHandler中的方法，并在内部维护RelNode具体类型和通过Java Proxy生成的Metadata代理对象(其中包含Handler方法)的映射。这样，通过RelMetadataQuery获取关系式元数据时，用户的请求就可以根据RelNode类型正确地dispatch到对应的方法上去。

另外，还有少数MetadataHandler(如CumulativeCost/NonCumulativeCost对应的Handlers)在Calcite工程里找不到具体的实现。它们的代码是运行时生成的，并由JaninoRelMetadataProvider做动态编译。关于代码生成和Janino也在计划中，暂不赘述。

当然实际应用时我们不需要了解这些细节，只需要与RelMetadataQuery打交道。下面就来看看如何通过它取得我们想要的Flink SQL列血缘。

解析Flink SQL列级血缘

以Flink SQL任务中最为常见的单条INSERT INTO ... SELECT ...为例，首先我们需要取得SQL语句生成的RelNode对象，即逻辑计划树。

为了方便讲解，这里笔者简单粗暴地在o.a.f.table.api.internal.TableEnvironmentImpl类中定义了一个getInsertOperation()方法。它负责解析、验证SQL语句，生成CatalogSinkModifyOperation，并取得它的PlannerQueryOperation子节点(即SELECT操作)。代码如下。

public Tuple3<String, Map<String, String>, QueryOperation> getInsertOperation(String insertStmt) {
    List<Operation> operations = getParser().parse(insertStmt);
    if (operations.size() != 1) {
        throw new TableException(
                "Unsupported SQL query! getInsertOperation() only accepts a single INSERT statement.");
    }
    Operation operation = operations.get(0);
    if (operation instanceof CatalogSinkModifyOperation) {
        CatalogSinkModifyOperation sinkOperation = (CatalogSinkModifyOperation) operation;
        QueryOperation queryOperation = sinkOperation.getChild();
        return new Tuple3<>(
                sinkOperation.getTableIdentifier().asSummaryString(),
                sinkOperation.getDynamicOptions(),
                queryOperation);
    } else {
        throw new TableException("Only INSERT is supported now.");
    }
}

接下来就能够取得Sink的表名以及对应的RelNode根节点。示例SQL来自之前的<<From Calcite to Tampering with Flink SQL>>讲义。

val tableEnv = StreamTableEnvironment.create(streamEnv, EnvironmentSettings.newInstance().build())
val sql = /* language=SQL */
  s"""
     |INSERT INTO tmp.print_joined_result
     |SELECT FROM_UNIXTIME(a.ts / 1000, 'yyyy-MM-dd HH:mm:ss') AS tss, a.userId, a.eventType, a.siteId, b.site_name AS siteName
     |FROM rtdw_ods.kafka_analytics_access_log_app /*+ OPTIONS('scan.startup.mode'='latest-offset','properties.group.id'='DiveIntoBlinkExp') */ a
     |LEFT JOIN rtdw_dim.mysql_site_war_zone_mapping_relation FOR SYSTEM_TIME AS OF a.procTime AS b ON CAST(a.siteId AS INT) = b.main_site_id
     |WHERE a.userId > 7
     |""".stripMargin

val insertOp = tableEnv.asInstanceOf[TableEnvironmentImpl].getInsertOperation(sql)
val tableName = insertOp.f0
val relNode = insertOp.f2.asInstanceOf[PlannerQueryOperation].getCalciteTree

然后对取得的RelNode进行逻辑优化，即执行之前所讲过的FlinkStreamProgram，但仅执行到LOGICAL_REWRITE阶段为止。我们在本地将FlinkStreamProgram复制一份，并删去PHYSICAL和PHYSICAL_REWRITE两个阶段，即：

object FlinkStreamProgramLogicalOnly {

  val SUBQUERY_REWRITE = "subquery_rewrite"
  val TEMPORAL_JOIN_REWRITE = "temporal_join_rewrite"
  val DECORRELATE = "decorrelate"
  val TIME_INDICATOR = "time_indicator"
  val DEFAULT_REWRITE = "default_rewrite"
  val PREDICATE_PUSHDOWN = "predicate_pushdown"
  val JOIN_REORDER = "join_reorder"
  val PROJECT_REWRITE = "project_rewrite"
  val LOGICAL = "logical"
  val LOGICAL_REWRITE = "logical_rewrite"

  def buildProgram(config: Configuration): FlinkChainedProgram[StreamOptimizeContext] = {
    val chainedProgram = new FlinkChainedProgram[StreamOptimizeContext]()

    // rewrite sub-queries to joins
    chainedProgram.addLast(
      SUBQUERY_REWRITE,
      FlinkGroupProgramBuilder.newBuilder[StreamOptimizeContext]
        // rewrite QueryOperationCatalogViewTable before rewriting sub-queries
        .addProgram(FlinkHepRuleSetProgramBuilder.newBuilder
          .setHepRulesExecutionType(HEP_RULES_EXECUTION_TYPE.RULE_SEQUENCE)
          .setHepMatchOrder(HepMatchOrder.BOTTOM_UP)
          .add(FlinkStreamRuleSets.TABLE_REF_RULES)
          .build(), "convert table references before rewriting sub-queries to semi-join")
        .addProgram(FlinkHepRuleSetProgramBuilder.newBuilder
          .setHepRulesExecutionType(HEP_RULES_EXECUTION_TYPE.RULE_SEQUENCE)
          .setHepMatchOrder(HepMatchOrder.BOTTOM_UP)
          .add(FlinkStreamRuleSets.SEMI_JOIN_RULES)
          .build(), "rewrite sub-queries to semi-join")
        .addProgram(FlinkHepRuleSetProgramBuilder.newBuilder
          .setHepRulesExecutionType(HEP_RULES_EXECUTION_TYPE.RULE_COLLECTION)
          .setHepMatchOrder(HepMatchOrder.BOTTOM_UP)
          .add(FlinkStreamRuleSets.TABLE_SUBQUERY_RULES)
          .build(), "sub-queries remove")
        // convert RelOptTableImpl (which exists in SubQuery before) to FlinkRelOptTable
        .addProgram(FlinkHepRuleSetProgramBuilder.newBuilder
          .setHepRulesExecutionType(HEP_RULES_EXECUTION_TYPE.RULE_SEQUENCE)
          .setHepMatchOrder(HepMatchOrder.BOTTOM_UP)
          .add(FlinkStreamRuleSets.TABLE_REF_RULES)
          .build(), "convert table references after sub-queries removed")
        .build())

    // rewrite special temporal join plan
    // ...

    // query decorrelation
    // ...

    // convert time indicators
    // ...

    // default rewrite, includes: predicate simplification, expression reduction, window
    // properties rewrite, etc.
    // ...

    // rule based optimization: push down predicate(s) in where clause, so it only needs to read
    // the required data
    // ...

    // join reorder
    // ...

    // project rewrite
    // ...

    // optimize the logical plan
    chainedProgram.addLast(
      LOGICAL,
      FlinkVolcanoProgramBuilder.newBuilder
        .add(FlinkStreamRuleSets.LOGICAL_OPT_RULES)
        .setRequiredOutputTraits(Array(FlinkConventions.LOGICAL))
        .build())

    // logical rewrite
    chainedProgram.addLast(
      LOGICAL_REWRITE,
      FlinkHepRuleSetProgramBuilder.newBuilder
        .setHepRulesExecutionType(HEP_RULES_EXECUTION_TYPE.RULE_SEQUENCE)
        .setHepMatchOrder(HepMatchOrder.BOTTOM_UP)
        .add(FlinkStreamRuleSets.LOGICAL_REWRITE)
        .build())

    chainedProgram
  }
}

执行FlinkStreamProgramLogicalOnly即可。注意StreamOptimizeContext内需要传入的上下文信息，通过各种workaround取得(FunctionCatalog可以在TableEnvironmentImpl内增加一个Getter拿到)。

val logicalProgram = FlinkStreamProgramLogicalOnly.buildProgram(tableEnvConfig)

val optRelNode = logicalProgram.optimize(relNode, new StreamOptimizeContext {
  override def getTableConfig: TableConfig = tableEnv.getConfig

  override def getFunctionCatalog: FunctionCatalog = tableEnv.asInstanceOf[TableEnvironmentImpl].getFunctionCatalog

  override def getCatalogManager: CatalogManager = tableEnv.asInstanceOf[TableEnvironmentImpl].getCatalogManager

  override def getRexBuilder: RexBuilder = relNode.getCluster.getRexBuilder

  override def getSqlExprToRexConverterFactory: SqlExprToRexConverterFactory =
    relNode.getCluster.getPlanner.getContext.unwrap(classOf[FlinkContext]).getSqlExprToRexConverterFactory

  override def isUpdateBeforeRequired: Boolean = false

  override def needFinalTimeIndicatorConversion: Boolean = true

  override def getMiniBatchInterval: MiniBatchInterval = MiniBatchInterval.NONE
})

对比一下优化前与优化后的RelNode：

--- Original RelNode ---
LogicalProject(tss=[FROM_UNIXTIME(/($0, 1000), _UTF-16LE'yyyy-MM-dd HH:mm:ss')], userId=[$3], eventType=[$4], siteId=[$8], siteName=[$46])
  LogicalFilter(condition=[>($3, 7)])
    LogicalCorrelate(correlation=[$cor0], joinType=[left], requiredColumns=[{8, 44}])
      LogicalProject(ts=[$0], tss=[$1], tssDay=[$2], userId=[$3], eventType=[$4], columnType=[$5], fromType=[$6], grouponId=[$7], /* ... */, procTime=[PROCTIME()])
        LogicalTableScan(table=[[hive, rtdw_ods, kafka_analytics_access_log_app]], hints=[[[OPTIONS inheritPath:[] options:{properties.group.id=DiveIntoBlinkExp, scan.startup.mode=latest-offset}]]])
      LogicalFilter(condition=[=(CAST($cor0.siteId):INTEGER, $8)])
        LogicalSnapshot(period=[$cor0.procTime])
          LogicalTableScan(table=[[hive, rtdw_dim, mysql_site_war_zone_mapping_relation]])

--- Optimized RelNode ---
FlinkLogicalCalc(select=[FROM_UNIXTIME(/(ts, 1000), _UTF-16LE'yyyy-MM-dd HH:mm:ss') AS tss, userId, eventType, siteId, site_name AS siteName])
  FlinkLogicalJoin(condition=[=($4, $6)], joinType=[left])
    FlinkLogicalCalc(select=[ts, userId, eventType, siteId, CAST(siteId) AS siteId0], where=[>(userId, 7)])
      FlinkLogicalTableSourceScan(table=[[hive, rtdw_ods, kafka_analytics_access_log_app]], fields=[ts, tss, tssDay, userId, eventType, columnType, fromType, grouponId, /* ... */, latitude, longitude], hints=[[[OPTIONS options:{properties.group.id=DiveIntoBlinkExp, scan.startup.mode=latest-offset}]]])
    FlinkLogicalSnapshot(period=[$cor0.procTime])
      FlinkLogicalCalc(select=[site_name, main_site_id])
        FlinkLogicalTableSourceScan(table=[[hive, rtdw_dim, mysql_site_war_zone_mapping_relation]], fields=[site_id, site_name, site_city_id, /* ... */])

这里需要注意两个问题。

其一，Calcite中RelMdColumnOrigins这个Handler类里并没有处理Snapshot类型的RelNode，走fallback逻辑则会对所有非叶子节点的RelNode返回空，所以默认情况下是拿不到Lookup Join字段的血缘关系的。我们还需要修改它的源码，在遇到Snapshot时继续深搜：

public Set<RelColumnOrigin> getColumnOrigins(Snapshot rel,
    RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn) {
  return mq.getColumnOrigins(rel.getInput(), iOutputColumn);
}

其二，Flink使用的Calcite版本为1.26，但是该版本不会追踪派生列(isDerived == true，例如SUM(col))的血缘。1.27版本修复了此问题，为避免大版本不兼容，可以将对应的issue CALCITE-4251 cherry-pick到内部的Calcite 1.26分支上来。当然别忘了重新编译Calcite Core和Flink Table模块。

最后就可以通过RelMetadataQuery取得结果表中字段的起源列了。So easy.

val metadataQuery = optRelNode.getCluster.getMetadataQuery

for (i <- 0 to 4) {
  val origins = metadataQuery.getColumnOrigins(optRelNode, i)
  if (origins != null) {
    for (rco <- origins) {
      val table = rco.getOriginTable
      val tableName = table.getQualifiedName.mkString(".")
      val ordinal = rco.getOriginColumnOrdinal
      val fields = table.getRowType.getFieldNames
      println(Seq(tableName, ordinal, fields.get(ordinal)).mkString("t"))
    }
  } else {
    println("NULL")
  }
}

/* Outputs:
hive.rtdw_ods.kafka_analytics_access_log_app    0   ts
hive.rtdw_ods.kafka_analytics_access_log_app    3   userId
hive.rtdw_ods.kafka_analytics_access_log_app    4   eventType
hive.rtdw_ods.kafka_analytics_access_log_app    8   siteId
hive.rtdw_dim.mysql_site_war_zone_mapping_relation  1   site_name
*/

上面例子中的SQL语句比较简单，因此产生的ColumnOrigin也只有单列。看官可自行用多表JOIN或者有聚合逻辑的SQL来测试，多列ColumnOrigin的情况下也很好用，免去了自行折腾RelVisitor或者RelShuttle的许多麻烦。

最后的血缘可视化这一步，普遍采用Neo4j、JanusGraph等图数据库承载并展示列血缘关系的数据。笔者也正在探索将Flink SQL列级血缘集成到Atlas的方法，进度比较慢，期望值请勿太高。

The End

博客荒废良久，惊动大佬出面催更，惭愧惭愧。

受疫情影响，FFA 2021转为线上，不能面基真可惜(

炒鸡感谢会务组发来的大礼包~

也欢迎大家届时光临本鶸的presentation~

民那晚安晚安。

本图文内容来源于网友网络收集整理提供，作为学习参考使用，版权属于原作者。
THE END
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