Calcite系列(一)：背景介绍

项目起源

Apache Calcite是一款开源的动态数据管理框架，提供了标准的 SQL 语言、查询优化和连接各种数据源的能力，但不包括数据存储、处理数据的算法和存储元数据的存储库。

Calcite 最早的名称叫做optiq，起初在Hive 项目中，为Hive 提供CBO代价优化。2014年5月optiq独立并成为Apache社区的孵化项目，2014年9月更名为Calcite，2015年10月正式毕业成为顶级项目。

Calcite 的目标是"One planner fits all"，期望能为不同的计算平台和数据源提供统一的查询优化器。作为一个通用的SQL处理层，Calcite 被众多的开源组件和公司广泛使用。相较于另一款开源的SQL中间件GPORCA(Greenplum扩展优化器)，Calcite具备更加丰富且成熟的功能，目前社区仍在活跃更新。

整体架构

Calcite的整体架构如下图所示，其中，最为核心的组件是查询优化器(Query Optimizer)，负责实现SQL计划树的转换和优化，优化器的SQL优化能力与执行效率直接相关，是SQL处理层的重点和难点。Calcite的查询优化器主要依赖以下三个组件：

1. 运算表达式(Operator Expressions)：表示关系代数，是SQL关系代数优化的前提
2. 优化规则(Pluggable Rules)：实现关系代数的等价转换
3. 统计元数据(Metadata Providers)：实现CBO代价优化的基础

为实现完整的SQL处理流程，Calcite还包括JDBC Server、SQL解析器和验证器，表达式构建器。Calcite对外主要提供两种调用方式：1. 基于JDBC调用；2. 直接基于Java API调用。

跳转

对外接口

Calcite对外提供了丰富的的API和SPI，主要包括以下六个模块：

1. 关系代数相关：RelNode(计划树)，RelDataType(数据类型)，RexNode(行表达式)，RelTrait(物理属性)
2. SQL解析器相关：SqlNode(AST抽象语法树)，SqlParser(SQL解析器)，SqlValidator(SQL校验器)
3. 元数据相关：Schema，Table，Function(函数)
4. JDBC Driver相关：Avatica
5. 优化规则相关：RelOptRule(规则)
6. COST统计相关：RelOptCost(CBO代价)，RelMetadataProvider(统计元数据计算)

IR层扩展

除了作为计算引擎的SQL处理层，Calcite还可以为其他SQL中间表示层(IR层)提供扩展处理能力。基于Calcite扩展的常见SQL IR层组件有 Linkedin Coral 和 Substrait。

LinkedIn Coral：是Linkedin开源的SQL转换、分析、改写组件，提供多类型SQL方言转换功能。Coral IR层有两种定义方式：(1). 基于AST抽象语法树；(2). 基于逻辑计划。

跳转

Coral内核基于Calcite扩展了SQL优化和方言转换功能，下图展示了两个组件之间的交互关系，其中蓝色表示Calcite模块：

Substrait：基于Proto Plan定义跨语言关系代数的序列化协议，核心是定义SQL计划树的规范，使得这些计划树可以在不同的执行引擎之间进行转换和优化，解决不同引擎间互操作性差的问题。

跳转

Substrait-java是针对Substrait的Java子项目，便于在Java应用中操作Substrait的计划树。Substrait-java 基于Calcite完成SQL到关系代数RelNode的转换，下图展示了两个组件之间的交互关系，其中蓝色表示Calcite模块：

我正在参与2024腾讯技术创作特训营最新征文，快来和我瓜分大奖！