Presto系列 | Presto基本介绍

前言

Presto是一款Facebook开源的MPP架构的OLAP查询引擎，可针对不同数据源执行大容量数据集的一款分布式SQL执行引擎。因为工作中接触到Presto，研究它对理解SQL Parser、常见算子的实现（如SQL中table scan,join,aggregation）、资源管理与调度、查询优化（如向量化执行、动态代码生成）、大数据下各个组件为何适用不同场景等等都有帮助。我希望通过这个系列可以了解一条SQL在大数据场景下该如何高效执行。233酱准备不定时持续更新这个系列，本文主要从Presto的使用举例，Presto的应用场景、Presto的基本概念三个部分来初步介绍Presto。

Presto的使用举例

比如说，你想对存储在不同数据源中的数据，如HDFS、Mysql、HBase等通过一个SQL做查询分析，那么只需要把每一个数据源当成是Presto的Connector，对应实现Presto SPI暴露出的Connector API就可以了。

Presto官方版和Presto社区版已经支持了很多Connector，社区版略胜一筹。至于两者有何区别，吃瓜群众可以前往文末参考资料[4]。简而言之，都主要由Facebook那帮大佬核心维护。社区版更新更为频繁，但高版本需要JDK11才能支持；官方版JDK8就行，官方版的Star数是社区版的10倍左右，选哪个就一目了然了吧。

Presto的应用场景

Presto是为了处理TB/PB级别的数据查询和分析，它是OLAP(Online Analytical Processing)领域的一个计算引擎。参考资料[1]提到了Presto在Facebook中的使用场景有：

报表和大盘查询

做过报表和大盘的小伙伴应该对这个场景下复杂的SQL有所了解。这个场景下的使用用户是Facebook内部或外部人员，通常要求：高QPS，低时延(<1s)。

Adhoc分析

Ad hoc是拉丁文「for this purpose」的意思，Adhoc query的查询特点是海量、实时、灵活。数据量如PB级别以上，时延秒-分钟级别，灵活性举例子如下：

var adhoclQuery = "SELECT * FROM table WHERE id = " + myId;

var sqlQuery = "SELECT * FROM table WHERE id = 1";

adhoclQuery的结果取决于参数“myId”的值，它的结果不能被预计算。sqlQuery的结果每次执行可认为都一样，它的结果可以被预计算。

典型应用场景如：用户趋势分析，产品市场洞察等。主要用户是内部数据分析人员。

批处理

批处理通常是指更大数据量的一个分析，可容忍高时延(小时-天级别)。Presto是为了低时延而设计的，它属于内存型的MPP架构。并不适合类似Spark那样的长时间离线跑批。参考资料[1]的视频中分析了两者架构的区别，Presto跑批的限制。这里我截几张PPT帮助大家理解：
两者的架构区别：

所以他们提供了Presto on Spark方案，这样做的好处是可以统一用户使用的SQL方言差异，UDF差异。

当然，业界除了Facebook还有公司把Presto跑在Spark上来跑批吗？我没有搜到相关信息。

Presto的基本概念

前面主要谈了Presto的使用场景，下面简要从 Presto的架构和基本术语上介绍Presto。

Presto架构

Presto的架构图如下：

Coordinator节点 负责接受客户端请求、解析SQL语句、生成并优化分布式逻辑执行计划、将计划中的任务调度到Worker节点上，并跟踪Worker节点和任务的执行状态。

Worker节点 负责任务的执行，接受Coordinator节点的调度。

从中我们可以粗略看出一条SQL在Presto中的执行过程为：

1).Client发送一个SQL语句到Coordinator节点
2).Coordinator节点把请求放到队列中，解析和分析其中的SQL语句；生成并且优化分布式逻辑执行计划。
3).Coordinator节点会把这个Plan分解为任务，由多个Worker分布式执行。

要想了解具体的SQL执行过程，我们得先介绍下Presto的基本概念，也为下篇介绍「Presto为什么是OLAP领域的实时计算引擎」的文章作准备>_<

基本术语

我们很容易知道 statements 和 queries 的意思。作为一个使用者我们也应该熟悉 stages、 splits 这些概念使Presto尽可能高效执行queries；作为一个Presto管理员，应该理解 stages 是如何映射为tasks的，包含 drivers 集合 的 task 是如何处理数据的。以下将从一般到具体介绍Presto的基本术语。

Server Types

Presto包含两种类型的服务端节点：coordinators 和 workers。

Coordinator

Presto中的Coordinator节点负责解析SQL语句，生成并优化物理执行计划，管理Presto worker节点。它是Presto运行的“大脑”。它也是客户端提交SQL语句的节点。每个运行的Presto集群包含1个Coordinator节点和1-多个Worker节点。一个服务示例可同时担任这两种节点角色。

Coordinator节点一直跟踪每个Worker节点的状态和协调查询计划的执行。Coordinator生成一个物理执行计划模型，它包含一系列的stages，而stages会转化为一系列的任务跑在workers节点上。

Coordinator通过REST API和workers 、 clients通信。

Worker

Worker节点负责执行tasks，处理数据。它从connectors中捞取数据，并且Worker节点之间可交换中间数据。coordinator节点负责合并workers的结果，并且返回结果给Client。

当一个Worker节点开始工作后，它会把自己注册到coordinator的注册服务上，从而使Coordinator节点可将task调度到自己执行。

Workers和其他Workers、coordinators之间都是通过REST API通信。

Data Sources

诸如connector, catalog, schema, and table这些术语，都是和Presto的模型中：一种特定的数据源有关。

Connector

connector是Presto中的一个数据源，可以是Hive、Mysql、Elasticsearch、HBase等。你可以把connector认为是一种数据库驱动，只要实现Presto  SPI 中暴露的相关接口，就可以接入一种Connector。

Presto自带一些connectors：如JMX，System connector用来获取system tables的，Hive connector，TPCH connector 用来性能测试用的，等等。

每一个catalog和一个特定的connector关联。每一个catalog配置文件中有一个connector.name属性，它是被catalog manager用来为一个给定的catalog创建一个connector。一个catalog可以使用相同的connector获取类似数据库的两个实例。

Catalog

Presto catalog包含schemas和通过Connector持有的数据源引用。比如：你可以配置一个ES catalog，就可以通过ES Connector提供从ES中获取数据。

#elasticsearch.properties

connector.name=elasticsearch
elasticsearch.host=es host
elasticsearch.port=9200
elasticsearch.default-schema-name=es

当你在Presto上执行SQL时，你就在运行1-多个catalogs.在Presto上定位一张表，是通过一个catalog的全限定名确定的，如hive.test_data.test代表在hive catalog，test_data schema 下的一张test table.

Catalogs属性文件是存储在Presto配置目录的，默认是Presto主安装文件下的etc目录下。

Schema

Schemas是一种组织tables的方式。一个catalog和一个catalog定义了一个可被查询的table集合。对于MySQL这种关系型数据库，Presto的schema是和MySQL中的schema相同的概念。对于其他类型的connector，如ES, Presto的schema是用来组织一些表到特定的schema中，从而使底层的数据源能够在Presto层面说得通。

Table

table是一组无序的Row集合，Row是一组有类型的column集合。和关系型数据库中的概念一样，table的映射是由connector中定义的。

Query Execution Model

Presto执行SQL语句，并且转化为执行计划，在由coordinator 和 workers组成的分布式集群上运行。

Statement

Presto执行兼容ANSI标准的SQL。这些SQL statements包含子句，表达式，条件。
Presto把Statement 和 Query区分开是因为：在Presto中，statements是指Client提交上来的SQL语句，如：

SELECT * FROM table WHERE id = 1

query是指Presto执行statement时，生成的一个物理执行计划,并且之后分布式的在一系列workers上执行它。

Query

当Presto解析一个statement时，它会把statement转化为一个query，并且创建一个分布式的执行计划，然后转化为一系列的有关联性的stages运行在Presto workers上。当你在Presto获取一个query的信息时，得到的是每个参与执行的组件的一个当前结果快照。

statement可认为是Client提交上来的SQL语句，query指的是执行一个statement有关的配置和组件实例信息。query围绕着stages, tasks, splits, connectors，其他组件和数据源一起工作，以产生最终结果。

Stage

当Presto执行一个query时，它会把执行分为一个有层次结构关系的stages.比如SQL语句：

这个层次结构的stages可以理解为一个一个树。每个query都有一个root stage负责其他stages的输出结果聚合。stages是coordinator节点用来生成一个分布式查询计划的模型，但是stages它们自己并不跑在Presto workers节点上。

Task

一个stage是由一系列的tasks分布式运行在Presto workers上。

在Presto架构中，task是“work horse”。因为分布式查询计划被分解为一系列stage，然后被转换为task，这些task随后执行或被进一步split。一个task有输入和输出，就像一个stage可以有一系列的tasks并行执行一样，一个task可以由一系列的drivers并行执行。

Split

Split是较大数据集的一个分片。分布式查询计划的最低级别的stage(如上图中的Stage3/Stage4)通过来自connectors得到的splits集合获取输入数据，更高级别的中间Stage(如上图中的Stage2/Stage1)从下一层stage中获取输入数据。

当Presto调度一个query时，coordinator节点会查询连接器的SPI接口获得一个表可用的所有split集合。coordinator跟踪哪些机器正在运行哪些task，以及哪些任务正在处理哪些split。

Driver

Task包含一个或多个并行的driver。driver对数据进行操作，并结合operators产生输出，然后结果由一个task聚合，然后传递到另一个stage的另一个task。driver是一系列operators实例，或者您可以将driver看作内存中的operator的物理集合。它是Presto体系结构中并行的最低级别。一个driver有一个输入和一个输出。

Operator

一个operator消费、转换和生产数据。例如，一个table scan operator从一个connector中获取数据并生产出可由其他operator消费的数据，一个filter operator通过对输入数据应用谓词(过滤条件)并生成一个子集。

Exchange

Exchanges为一个query的不同stage在Presto节点之间传递数据。task使用一个exchange client，生产数据到一个output buffer中，并且消费其他task产生的数据。

参考资料

[1].https://databricks.com/session_na20/presto-on-apache-spark-a-tale-of-two-computation-engines

[2].https://research.fb.com/wp-content/uploads/2019/03/Presto-SQL-on-Everything.pdf

[3].https://prestodb.io/docs/current/overview/concepts.html