自己实现一个SQL解析引擎

浏览数：22 / 时间：2015年06月12日

自己实现一个SQL解析引擎

功能：将用户输入的SQL语句序列转换为一个可执行的操作序列，并返回查询的结果集。
SQL的解析引擎包括查询编译与查询优化和查询的运行，主要包括3个步骤：

  1. 查询分析：
  2. 制定逻辑查询计划（优化相关）
  3. 制定物理查询计划（优化相关）
  • 查询分析： 将SQL语句表示成某种有用的语法树.
  • 制定逻辑查询计划： 把语法树转换成一个关系代数表达式或者类似的结构，这个结构通常称作逻辑计划。
  • 制定物理查询计划：把逻辑计划转换成物理查询计划，要求指定操作执行的顺序，每一步使用的算法，操作之间的传递方式等。
    查询分析各模块主要函数间的调用关系:

    图1.SQL引擎间模块的调用关系

FLEX简介

flex是一个词法分析工具，其输入为后缀为.l的文件,输出为.c的文件. 示例是一个类似Unix的单词统计程序wc。

%option noyywrap
%{
    int chars = 0;
    int words = 0;
    int lines = 0;
%}

%%

[_a-zA-Z][_a-zA-Z0-9]+ { words++; chars += strlen(yytext); }
\n { chars++ ; lines++; }
.  { chars++; }

%%

int main()
{
       yylex();
       printf("%8d %8d %8d\n",lines,words,chars);
    return 0;
}

.l文件通常分为3部分：

%{
    definition
%}

%%
    rules
%%
    code

definition部分为定义部分，包括引入头文件，变量声明，函数声明，注释等，这部分会被原样拷贝到输出的.c文件中。
rules部分定义词法规则，使用正则表达式定义词法，后面大括号内则是扫描到对应词法时的动作代码。
code部分为C语言的代码。yylex为flex的函数，使用yylex开始扫描。
%option 指定flex扫描时的一些特性。yywrap通常在多文件扫描时定义使用。常用的一些选项有
noyywrap 不使用yywrap函数
yylineno 使用行号
case-insensitive 正则表达式规则大小写无关

flex文件的编译

    flex  –o wc.c wc.l
    cc wc.c –o wc

Bison简介

Bison作为一个语法分析器，输入为一个.y的文件,输出为一个.h文件和一个.c文件。通常Bison需要使用Flex作为协同的词法分析器来获取记号流。Flex识别正则表达式来获取记号，Bison则分析这些记号基于逻辑规则进行组合。
计算器的示例：calc.y

%{
#include <stdio.h>
%}

%token NUMBER
%token ADD SUB MUL DIV ABS
%token OP CP
%token EOL

%%

calclist:
    | calclist exp EOL {printf("=%d \n> ",$2);}
    | calclist EOL {printf("> ");}
    ;
exp: factor
    | exp ADD factor  {$$ = $1 + $3;}
    | exp SUB factor  {$$ = $1 - $3;}
    ;
factor:term
    | factor MUL term {$$ = $1 * $3;}
    | factor DIV term {$$ = $1 / $3;}
    ;
term:NUMBER
    | ABS term ABS { $$ = ($2 >= 0 ? $2 : -$2);}
    | OP exp CP    { $$ = $2;}
    ;
%%
int main(int argc,char *argv[])
{
    printf("> ");
    yyparse();

    return 0;
}
void yyerror(char *s)
{
    fprintf(stderr,"error:%s:\n",s);
}

Flex与Bison共享记号，值通过yylval在Flex与Bison间传递。对应的.l文件为

%option noyywrap
%{
#include "fb1-5.tab.h"
#include <string.h>
%}

%%
"+" { return ADD;}
"-" { return SUB;}
"*" { return MUL;}
"/" { return DIV;}
"|" { return ABS;}
"(" { return OP;}
")" { return CP;}
[0-9]+ { 
                 yylval = atoi(yytext);
                 return NUMBER;
           }

\n { return EOL; }
"//".*

[ \t] {}
"q" {exit(0);}
.   { yyerror("invalid char: %c\n;",*yytext); }
%%

Bision文件编译

    bison -d cacl.y
    flex cacl.l
    cc -o cacl cacl.tab.c lex.yy.c

通常，Bison默认是不可重入的，如果希望在yyparse结束后保留解析的语法树，可以采用两种方式，一种是增加一个全局变量，另一种则是设置一个额外参数，其中ParseResult可以是用户自己定义的结构体。
%parse-param {ParseResult *result}
在规则代码中可以引用该参数：

stmt_list: stmt ‘;‘  { $$ = $1; result->result_tree = $$; }
| stmt_list stmt ‘;‘ { $$ = (($2 != NULL)? $2 : $1); result->result_tree = $$;}

调用yyparse时则为：
ParseResult p;
yyparse(&p);

SQL解析引擎中的数据结构

语法树结构

在实现的时候可以把语法树和逻辑计划都看成是树结构和列表结构，而物理计划更像像是链式结构。树结构要注意区分叶子节点（也叫终止符节点）和非叶子节点（非终止符节点）。同时叶子节点和非叶子节点都可能有多种类型。

语法树的节点：包含两个部分，节点的类型的枚举值kind，表示节点值的联合体u，联合体中包含了各个节点所需的字段。

typedef struct node{
   NODEKIND kind;

   union{
         //...
           /* query node */
         struct{
             int         distinct_opt;
              struct node *limit; 
              struct node *select_list;
              struct node *tbl_list;
              struct node *where_clause;
              struct node *group_clause;
              struct node *having_clause;
              struct node *order_clause;
         } SELECT;
         /* delete node */
        struct{
            struct node *limit;
            struct node *table;
            struct node *where_clause;
            struct node *group_clause;
         } DELETE;
/* relation node */
          struct{
                char * db_name;
                char * tbl_name;
                char * alias_name;
          } TABLE;
        //其他结构体
   }u;
}NODE ;

NODEKIND枚举了所有可能出现的节点类型.其定义为

typedef enum NODEKIND{
    N_MIN,
    /* const node*/
    N_INT,    //int or long
    N_FLOAT,  //float
    N_STRING, //string
    N_BOOL,   //true or false or unknown
    N_NULL,   //null
    /* var node*/
    N_COLUMN, // colunm name
    //其他类型
    /*stmt node*/    
    N_SELECT,
    N_INSERT,
    N_REPLACE,
    N_DELETE,
    N_UPDATE,
    //其他类型
    N_MAX
} NODEKIND;

在语法树中，分析树的叶子节点为数字，字符串，属性等，其他为内部节点。因此有些数据库的实现中将语法树的节点定义为如下的ParseNode结构。

typedef struct _ParseNode
{
  ObItemType   type_;//节点的类型，如T_STRING,T_SELECT等

  /* 终止符节点，具有实际的值 */
  int64_t      value_;
  const char*  str_value_;

  /* 非终止符节点，拥有多个孩子 */
  int32_t      num_child_;//子节点的个数
  struct _ParseNode** children_;//子节点指针链

} ParseNode;

逻辑计划结构

逻辑计划的内部节点是算子，叶子节点是关系.

typedef struct plannode{

    PLANNODEKIND kind;

    union{
        /*stmt node*/
        struct {
            struct plannode *plan;
        }SELECT;

        /*op node*/
        struct {
            struct plannode *rel;
            struct plannode *filters; //list of filter
        }SCAN;
        struct {
            struct plannode *rel;
            NODE *expr_filter; //list of compare expr
        }FILTER;
        struct {
            struct plannode *rel;
            NODE *select_list;    
        }PROJECTION;
        struct {
            struct plannode *left;
            struct plannode *right;
        }JOIN;
        /*leaf node*/
        struct {
            NODE *table;
        }FILESCAN;
        //其他类型节点    
    }u;
}PLANNODE;

逻辑计划节点的类型PLANNODEKIND的枚举值如下：

typedef enum PLANNODEKIND{
    /*stmt node tags*/
    PLAN_SELECT,
    PLAN_INSERT,
    PLAN_DELETE,
    PLAN_UPDATE,
    PLAN_REPLACE,
    /*op node tags*/
    PLAN_FILESCAN, /* Relation     关系，叶子节点 */
    PLAN_SCAN,       
    PLAN_FILTER,   /* Selection  选择   */
    PLAN_PROJ,     /* Projection 投影*/
    PLAN_JOIN,     /* Join       连接 ，指等值连接*/
    PLAN_DIST,     /* Duplicate elimination( Distinct) 消除重复*/
    PLAN_GROUP,    /* Grouping   分组(包含了聚集)*/
    PLAN_SORT,     /* Sorting    排序*/
    PLAN_LIMIT,
    /*support node tags*/
    PLAN_LIST    
}PLANNODEKIND;

物理计划结构

物理逻辑计划中关系扫描运算符为叶子节点，其他运算符为内部节点。拥有3个迭代器函数open,close,get_next_row。其定义如下：

typedef int (*IntFun)(PhyOperator *);
typedef int (*RowFun)(Row &row,PhyOperator *);
struct phyoperator{
    PHYOPNODEKIND kind;

    IntFun open;
    IntFun close;
    RowFun get_next_row;//迭代函数

    union{
        struct {
            struct phyoperator *inner;
            struct phyoperator *outter;
            Row one_row;
        }NESTLOOPJOIN;
        struct {
            struct phyoperator *inner;
            struct phyoperator *outter;
        }HASHJOIN;
        struct {
            struct phyoperator *inner;
        }TABLESCAN;
        struct {
            struct phyoperator *inner;
            NODE * expr_filters;
        }INDEXSCAN;
        //其他类型的节点
    }u;
}PhyOperator;

物理查询计划的节点类型PHYOPNODEKIND枚举如下：

typedef enum PHYOPNODEKIND{
    /*stmt node tags*/
    PHY_SELECT,
    PHY_INSERT,
    PHY_DELETE,
    PHY_UPDATE,
    PHY_REPLACE,
    /*phyoperator node tags*/
    PHY_TABLESCAN,
    PHY_INDEXSCAN,
    PHY_FILESCAN,
    PHY_NESTLOOPJOIN,
    PHY_HASHJOIN,
    PHY_FILTER,
    PHY_SORT,
    PHY_DIST,
    PHY_GROUP,
    PHY_PROJECTION,
    PHY_LIMIT
}PHYOPNODEKIND;

节点内存池

可以看到分析树，逻辑计划树和物理查询树都是以指针为主的结构体，如果每次都动态从申请的话，会比较耗时。需要使用内存池的方式，一次性申请多个节点内存，供以后调用。下面是一种简单的方式，每次创建节点时都使用newnode函数即可。程序结束时再释放内存池即可。

static NODE *nodepool = NULL;
static int MAXNODE = 256;
static int nodeptr = 0;

NODE *newnode(NODEKIND kind)
{
    //首次使用时申请MAXNODE个节点
    if(nodepool == NULL){
        nodepool = (NODE *)malloc(sizeof(NODE)*MAXNODE);
        assert(nodepool);
    }

    assert(nodeptr <= MAXNODE);
    //当节点个数等于MAXNODE时realloc扩展为原来的两倍节点
    if (nodeptr == MAXNODE){
        MAXNODE *= 2;
        NODE *newpool = 
(NODE *)realloc(nodepool,sizeof(NODE)*MAXNODE) ; 
        assert(newpool);
        nodepool = newpool;
    }

    NODE *n = nodepool + nodeptr;
    n->kind = kind ;
    ++nodeptr;

    return n;
}

查询分析

查询分析需要对查询语句进行词法分析和语法分析，构建语法树。词法分析是指识别SQL语句中的有意义的逻辑单元，如关键字（SELECT，INSERT等），数字，函数名等。语法分析则是根据语法规则将识别出来的词组合成有意义的语句。 词法分析工具LEX，语法分析工具为Yacc，在GNU的开源软件中对应的是Flex和Bison，通常都是搭配使用。

词法和语法分析

SQL引擎的词法分析和语法分析采用Flex和Bison生成，parse_sql为生成语法树的入口，调用bison的yyparse完成。源文件可以这样表示

文件 意义
parse_node.h parse_node.cpp 定义语法树节点结构和方法，入口函数为parse_sql
print_node.cpp 打印节点信息
psql.y 定义语法结构,由Bison语法书写
psql.l 定义词法结构,由Flex语法书写


SQL查询语句语法规则

熟悉Bison和Flex的用法之后，我们就可以利用Flex获取记号,Bison设计SQL查询语法规则。一个SQL查询的语句序列由多个语句组成，以分号隔开，单条的语句又有DML，DDL，功能语句之分。

    stmt_list : stmt ‘;’
    | stmt_list stmt ‘;’
    ;
    stmt: ddl
    | dml    
    | unility
    | nothing
    ;
    dml: select_stmt   
    | insert_stmt   
    | delete_stmt   
    | update_stmt   
    | replace_stmt  
    ;

以DELETE 单表语法为例

DELETE  [IGNORE] [FIRST|LAST row_count] 
FROM tbl_name 
[WHERE where_definition]  
[ORDER BY ...]

用Bison可以表示为:

delete_stmt:DELETE opt_ignore opt_first FROM table_ident opt_where opt_groupby 
{
           $$ = delete_node(N_DELETE,$3,$5,$6,$7);
}  
;
opt_ignore:/*empty*/
            | IGNORE
;

opt_first: /* empty */{ $$ = NULL;}
| FIRST INTNUM { $$ = limit_node(N_LIMIT,0,$2);}
| LAST INTNUM { $$ = limit_node(N_LIMIT,1,$2);}
;

然后在把opt_where,opt_groupby，table_ident等一直递归下去，直到不能在细分为止。
SQL语句分为DDL语句和DML语句和utility语句，其中只有DML语句需要制定执行计划，其他的语句转入功能模块执行。

制定逻辑计划

执行顺序

语法树转为逻辑计划时各算子存在先后顺序。以select语句为例，执行的顺序为：
FROM > WHERE > GROUP BY> HAVING > SELECT > DISTINCT > UNION > ORDER BY > LIMIT。
没有优化的逻辑计划应按照上述顺序逐步生成或者逆向生成。转为逻辑计划算子则对应为：
JOIN –> FILTER -> GROUP -> FILTER(HAVING) -> PROJECTION -> DIST -> UNION -> SORT -> LIMIT。

逻辑计划的优化

逻辑计划的优化需要更细一步的粒度，将FILTER对应的表达式拆分成多个原子表达式。如WHERE t1.a = t2.a AND t2.b = ‘1990‘可以拆分成两个表达式：
1）t1.a = t2.a
2）t2.b = ‘1990‘
不考虑谓词LIKE，IN的情况下，原子表达式实际上就是一个比较关系表达式，其节点为列名，数字，字符串，可以将原子表达式定义为

struct CompExpr
{
    NODE * attr_or_value;
    NODE * attr_or_value;
    CompOpType kind;
};

CompOpType为“>”, ”<” ,”=”等各种比较操作符的枚举值。

如果表达式符合 attr comp value 或者 value comp attr，则可以将该原子表达式下推到对应的叶子节点之上，增加一个Filter。
如果是attr = value类型，且attr是关系的索引的话，则可以采用索引扫描IndexScan。
当计算三个或多个关系的并交时，先对最小的关系进行组合。

还有其他的优化方法可以进一步发掘。内存数据库与存储在磁盘上的数据库的代价估计不一样。根据处理查询时CPU和内存占用的代价，主要考虑以下一些因素：

  • 查询读取的记录数；
  • 结果是否排序(这可能会导致使用临时表)；
  • 是否需要访问索引和原表。

制定物理计划

物理查询计划主要是完成一些算法选择的工作。如关系扫描运算符包括：
TableScan(R):按任意顺序读入所以存放在R中的元组。
SortScan(R,L):按顺序读入R的元组，并以列L的属性进行排列
IndexScan(R,C): 按照索引C读入R的元组。

根据不同的情况会选择不同的扫描方式。其他运算符包括投影运算Projection，选择运算Filter,连接运算包括嵌套连接运算NestLoopJoin，散列连接HashJoin，排序运算Sort等。
算法的一般策略包括基于排序的，基于散列的，或者基于索引的。

流水化操作与物化

由于查询的结果集可能会很大，超出缓冲区，同时为了能够提高查询的速度，各运算符都会支持流水化操作。流水化操作要求各运算符都有支持迭代操作，它们之间通过GetNext调用来节点执行的实际顺序。迭代器函数包括open,getnext,close3个函数。
设NestLoopJoin的两个运算符参数为R，S，NestLoopJoin的迭代器函数如下：

void NestLoopJoin::Open()
{
    R.Open();
    S.Open();
    r =R.GetNext();
}
void NestLoopJoin::GetNext(tuple &t)
{
    Row r,s;
    S.GetNext(s);
    if(s.empty()){
        S.Close();
        R.GetNext(r);
        if(r.empty())
            return;
        S.Open();
        S.GetNext(s);
    }
    t = join(r,s)
}
void NestLoopJoin::Close()
{
        R.Close();
        S.Close();
}

如果TableScan，IndexScan，NestLoopJoin 3个运算符都支持迭代器函数。则图5中的连接NestLoopJoin(t1,t2’)可表示为：
phy = Projection(Filter(NestLoopJoin(TableScan(t1),IndexScan(t2’))));

执行物理计划时：

    phy.Open();
    while(!tuple.empty()){
        phy.GetNext(tuple);
    }
    phy.Close();

这种方式下，物理计划一次返回一行，执行的顺序由运算符的函数调用序列来确定。程序只需要1个缓冲区就可以向用户返回结果集。
也有些情况需要等待所有结果返回才进行下一步运算的，比如Sort , Dist运算，需要将整个结果集排好序后才能返回，这种情况称作物化，物化操作通常是在open函数中完成的。

一个完整的例子

接下来以一个例子为例表示各部分的结构，SQL命令：
SELECT t1.a,t2.b FROM t1,t2 WHERE t1.a = t2.a AND t2.b = ‘1990‘;
其对应的分析树为：

图2. SQL例句对应的分析树

分析树的叶子节点为数字，字符串，属性等，其他为内部节点。
将图2的分析树转化为逻辑计划树，如图3所示。

图3. 图2分析树对应的逻辑计划

逻辑计划是关系代数的一种体现，关系代数拥有种基本运算符：投影 (π)，选择 (σ)，自然连接 (?)，聚集运算(G)等算子。因此逻辑计划也拥有这些类型的节点。
逻辑计划的内部节点是算子，叶子节点是关系，子树是子表达式。各算子中最耗时的为连接运算，因此SQL查询优化的很大一部分工作是减小连接的大小。如图3对应的逻辑计划可优化为图4所示的逻辑计划。

图4. 图3优化后的逻辑计划

完成逻辑计划的优化后，在将逻辑计划转化为物理查询计划。图4的逻辑计划对应的物理查询计划如下：

图5. 图4对应的物理查询计划

物理查询计划针对逻辑计划中的每一个算子拥有对应的1个或多个运算符，生成物理查询计划是基于不同的策略选择合适的运算符进行运算。其中，关系扫描运算符为叶子节点，其他运算符为内部节点。

后记

开源的数据库代码中可以下载OceanBase或者RedBase。OceanBase 是淘宝的开源数据库，RedBase是斯坦福大学数据库系统实现课程的一个开源项目。后面这两个项目都是较近开始的项目，代码量较少，结构较清晰，相对简单易读，在github上都能找到。但是OceanBase目前SQL解析部分也没有全部完成，只有DML部分完成；RedBase设计更简单，不过没有设计逻辑计划。
本文中就是参考了RedBase的方式进行解析。

参考文献：

《数据库系统实现》
《flex与bison》

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