在介绍sparkSQL之前，我们首先来看看，传统的关系型数据库是怎么运行的。当我们提交了一个很简单的查询：

SELECT  a1,a2,a3  FROM  tableA  Where  condition 

可以看得出来，该语句是由Projection（a1，a2，a3）、Data Source（tableA）、Filter（condition）组成，分别对应sql查询过程中的Result、Data Source、Operation，也就是说SQL语句按Result-->Data Source-->Operation的次序来描述的。那么，SQL语句在实际的运行过程中是怎么处理的呢？一般的数据库系统先将读入的SQL语句（Query）先进行解析（Parse），分辨出SQL语句中哪些词是关键词（如SELECT、FROM、WHERE），哪些是表达式、哪些是Projection、哪些是Data Source等等。这一步就可以判断SQL语句是否规范，不规范就报错，规范就继续下一步过程绑定（Bind），这个过程将SQL语句和数据库的数据字典（列、表、视图等等）进行绑定，如果相关的Projection、Data Source等等都是存在的话，就表示这个SQL语句是可以执行的；而在执行前，一般的数据库会提供几个执行计划，这些计划一般都有运行统计数据，数据库会在这些计划中选择一个最优计划（Optimize），最终执行该计划（Execute），并返回结果。当然在实际的执行过程中，是按Operation-->Data Source-->Result的次序来进行的，和SQL语句的次序刚好相反；在执行过程有时候甚至不需要读取物理表就可以返回结果，比如重新运行刚运行过的SQL语句，可能直接从数据库的缓冲池中获取返回结果。

      以上过程看上去非常简单，但实际上会包含很多复杂的操作细节在里面。而这些操作细节都和Tree有关，在数据库解析（Parse）SQL语句的时候，会将SQL语句转换成一个树型结构来进行处理，如下面一个查询，会形成一个含有多个节点（TreeNode）的Tree，然后在后续的处理过程中对该Tree进行一系列的操作。

下图给出了对Tree的一些可能的操作细节，对于Tree的处理过程中所涉及更多的细节，可以查看相关的数据库论文。

 OK，上面简单介绍了关系型数据库的运行过程，那么，sparkSQL是不是也采用类似的方式处理呢？答案是肯定的。下面我们先来看看sparkSQL中的两个重要概念Tree和Rule、然后再介绍一下sparkSQL的两个分支sqlContext和hiveContext、最后再综合看看sparkSQL的优化器Catalyst。

1：Tree和Rule

      sparkSQL对SQL语句的处理和关系型数据库对SQL语句的处理采用了类似的方法，首先会将SQL语句进行解析（Parse），然后形成一个Tree，在后续的如绑定、优化等处理过程都是对Tree的操作，而操作的方法是采用Rule，通过模式匹配，对不同类型的节点采用不同的操作。

A：Tree

• TreeNode可以细分成三种类型的Node：
  • UnaryNode 一元节点，即只有一个子节点。如Limit、Filter操作
  • BinaryNode 二元节点，即有左右子节点的二叉节点。如Jion、Union操作
  • LeafNode 叶子节点，没有子节点的节点。主要用户命令类操作，如SetCommand

B：Rule

• Rule的相关代码定义在sql/catalyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/rules
• Rule在sparkSQL的analyzer、optimizer、SparkPlan等各个组件中都有应用到
• Rule是一个抽象类，具体的Rule实现是通过RuleExecutor完成
• Rule通过定义batch和batchs，可以简便的、模块化地对Tree进行transform操作
• Rule通过定义Once和FixedPoint，可以对Tree进行一次操作或多次操作（如对某些Tree进行多次迭代操作的时候，达到FixedPoint次数迭代或达到前后两次的树结构没变化才停止操作，具体参看RuleExecutor.apply）

      应用示意图：

      sqlContext是使用sqlContext.sql（sqlText）来提交用户sql语句：

/**源自sql/core/src/main/scala/org/apache/spark/sql/SQLContext.scala  */
  def sql(sqlText: String): SchemaRDD = {
    if (dialect == "sql") {
      new SchemaRDD(this, parseSql(sqlText))   //parseSql(sqlText)对sql语句进行语法解析
    } else {
      sys.error(s"Unsupported SQL dialect: $dialect")
    }
  }

sqlContext.sql的返回结果是SchemaRDD，调用了new SchemaRDD(this, parseSql(sqlText)) 来对sql语句进行处理，处理之前先使用catalyst.SqlParser对sql语句进行语法解析，使之生成UnresolvedLogicalPlan。

/**源自sql/core/src/main/scala/org/apache/spark/sql/SQLContext.scala  */
  protected[sql] val parser = new catalyst.SqlParser
  protected[sql] def parseSql(sql: String): LogicalPlan = parser(sql)

类SchemaRDD继承自SchemaRDDLike

/**源自sql/core/src/main/scala/org/apache/spark/sql/SchemaRDD.scala  */
class SchemaRDD(
    @transient val sqlContext: SQLContext,
    @transient val baseLogicalPlan: LogicalPlan)
  extends RDD[Row](sqlContext.sparkContext, Nil) with SchemaRDDLike

SchemaRDDLike中调用sqlContext.executePlan(baseLogicalPlan)来执行catalyst.SqlParser解析后生成UnresolvedLogicalPlan，这里的baseLogicalPlan就是指UnresolvedLogicalPlan。

/**源自sql/core/src/main/scala/org/apache/spark/sql/SchemaRDDLike.scala  */
private[sql] trait SchemaRDDLike {
  @transient val sqlContext: SQLContext
  @transient val baseLogicalPlan: LogicalPlan
  private[sql] def baseSchemaRDD: SchemaRDD

  lazy val queryExecution = sqlContext.executePlan(baseLogicalPlan)

QueryExecution类的定义：

/**源自sql/core/src/main/scala/org/apache/spark/sql/SQLContext.scala  */
protected abstract class QueryExecution {
    def logical: LogicalPlan
   
    //对Unresolved LogicalPlan进行analyzer，生成resolved LogicalPlan
    lazy val analyzed = ExtractPythonUdfs(analyzer(logical))    
    //对resolved LogicalPlan进行optimizer，生成optimized LogicalPlan
    lazy val optimizedPlan = optimizer(analyzed)  
    // 将optimized LogicalPlan转换成PhysicalPlan
    lazy val sparkPlan = {
      SparkPlan.currentContext.set(self)
      planner(optimizedPlan).next()
    }
    // PhysicalPlan执行前的准备工作，生成可执行的物理计划
    lazy val executedPlan: SparkPlan = prepareForExecution(sparkPlan)

    //执行可执行物理计划
    lazy val toRdd: RDD[Row] = executedPlan.execute()

    ......
  }

sqlContext总的一个过程如下图所示：

1. SQL语句经过SqlParse解析成UnresolvedLogicalPlan；
2. 使用analyzer结合数据数据字典（catalog）进行绑定，生成resolvedLogicalPlan；
3. 使用optimizer对resolvedLogicalPlan进行优化，生成optimizedLogicalPlan；
4. 使用SparkPlan将LogicalPlan转换成PhysicalPlan；
5. 使用prepareForExecution()将PhysicalPlan转换成可执行物理计划；
6. 使用execute()执行可执行物理计划；
7. 生成SchemaRDD。

3：hiveContext的运行过程

      在分布式系统中，由于历史原因，很多数据已经定义了hive的元数据，通过这些hive元数据，sparkSQL使用hiveContext很容易实现对这些数据的访问。值得注意的是hiveContext继承自sqlContext，所以在hiveContext的的运行过程中除了override的函数和变量，可以使用和sqlContext一样的函数和变量。

      从sparkSQL1.1开始，hiveContext使用hiveContext.sql（sqlText）来提交用户sql语句进行查询：

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */
override def sql(sqlText: String): SchemaRDD = {
    // 使用spark.sql.dialect定义采用的语法解析器
    if (dialect == "sql") {
      super.sql(sqlText)    //如果使用sql解析器，则使用sqlContext的sql方法
    } else if (dialect == "hiveql") {     //如果使用和hiveql解析器，则使用HiveQl.parseSql
      new SchemaRDD(this, HiveQl.parseSql(sqlText))
    }  else {
      sys.error(s"Unsupported SQL dialect: $dialect.  Try 'sql' or 'hiveql'")
    }
  }

hiveContext.sql首先根据用户的语法设置（spark.sql.dialect）决定具体的执行过程，如果dialect == "sql"则采用sqlContext的sql语法执行过程；如果是dialect == "hiveql"，则采用hiveql语法执行过程。在这里我们主要看看hiveql语法执行过程。可以看出，hiveContext.sql调用了new SchemaRDD(this, HiveQl.parseSql(sqlText))对hiveql语句进行处理，处理之前先使用对语句进行语法解析。

/**源自src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveQl.scala  */
  /** Returns a LogicalPlan for a given HiveQL string. */
  def parseSql(sql: String): LogicalPlan = {
    try {
      if (条件)   {
      //非hive命令的处理，如set、cache table、add jar等直接转化成command类型的LogicalPlan
      .....  
      } else {
        val tree = getAst(sql)
        if (nativeCommands contains tree.getText) {
          NativeCommand(sql)
        } else {
          nodeToPlan(tree) match {
            case NativePlaceholder => NativeCommand(sql)
            case other => other
          }
        }
      }
    } catch {
      //异常处理
      ......
    }
  }

因为sparkSQL所支持的hiveql除了兼容hive语句外，还兼容一些sparkSQL本身的语句，所以在HiveQl.parseSql对hiveql语句语法解析的时候：

• 首先考虑一些非hive语句的处理，这些命令属于sparkSQL本身的命令语句，如设置sparkSQL运行参数的set命令、cache table、add jar等，将这些语句转换成command类型的LogicalPlan；
• 如果是hive语句，则调用getAst(sql)使用hive的ParseUtils将该语句先解析成AST树，然后根据AST树中的关键字进行转换：类似命令型的语句、DDL类型的语句转换成command类型的LogicalPlan；其他的转换通过nodeToPlan转换成LogicalPlan。

/**源自src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveQl.scala  */  
/** * Returns the AST for the given SQL string.    */
  def getAst(sql: String): ASTNode = ParseUtils.findRootNonNullToken((new ParseDriver).parse(sql))

和sqlContext一样，类SchemaRDD继承自SchemaRDDLike ，SchemaRDDLike调用sqlContext.executePlan(baseLogicalPlan)，不过hiveContext重写了executePlan()函数，

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */ 
override protected[sql] def executePlan(plan: LogicalPlan): this.QueryExecution =
    new this.QueryExecution { val logical = plan }

并使用了一个继承自sqlContext.QueryExecution的新的QueryExecution类：

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */
 protected[sql] abstract class QueryExecution extends super.QueryExecution {
    // TODO: Create mixin for the analyzer instead of overriding things here.
    override lazy val optimizedPlan =
      optimizer(ExtractPythonUdfs(catalog.PreInsertionCasts(catalog.CreateTables(analyzed))))

    override lazy val toRdd: RDD[Row] = executedPlan.execute().map(_.copy())
    ......
  }

所以在hiveContext的运行过程基本和sqlContext一致，除了override的catalog、functionRegistry、analyzer、planner、optimizedPlan、toRdd。

hiveContext的catalog，是指向 Hive Metastore：

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */
/* A catalyst metadata catalog that points to the Hive Metastore. */
  @transient
  override protected[sql] lazy val catalog = new HiveMetastoreCatalog(this) with OverrideCatalog {
    override def lookupRelation(
      databaseName: Option[String],
      tableName: String,
      alias: Option[String] = None): LogicalPlan = {

      LowerCaseSchema(super.lookupRelation(databaseName, tableName, alias))
    }
  }

hiveContext的analyzer，使用了新的catalog和functionRegistry：

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */
  /* An analyzer that uses the Hive metastore. */
  @transient
  override protected[sql] lazy val analyzer =
    new Analyzer(catalog, functionRegistry, caseSensitive = false)

hiveContext的planner，使用新定义的hivePlanner：

/**源自sql/hive/src/main/scala/org/apache/spark/sql/hive/HiveContext.scala  */
  @transient
  override protected[sql] val planner = hivePlanner

所以hiveContext总的一个过程如下图所示：

1. SQL语句经过HiveQl.parseSql解析成UnresolvedLogicalPlan，在这个解析过程中对hiveql语句使用getAst()获取AST树，然后再进行解析；
2. 使用analyzer结合数据hive源数据Metastore（新的catalog）进行绑定，生成resolvedLogicalPlan；
3. 使用optimizer对resolvedLogicalPlan进行优化，生成optimizedLogicalPlan，优化前使用了ExtractPythonUdfs(catalog.PreInsertionCasts(catalog.CreateTables(analyzed)))进行预处理；
4. 使用hivePlanner将LogicalPlan转换成PhysicalPlan；
5. 使用prepareForExecution()将PhysicalPlan转换成可执行物理计划；
6. 使用execute()执行可执行物理计划；
7. 执行后，使用map(_.copy)将结果导入SchemaRDD。