greenplum分布鍵的hash值計算分析
- 2021 年 11 月 1 日
- 筆記
greenplum 數據分布策略
greenplum 是一個 MPP 架構的資料庫，由一個 master 和多個 segment 組成（還可選配置一個 standby master），其數據會根據設置的分布策略分布到在不同的 segment 上。
在 6 版本中，gp 提供了 3 個策略：隨機分布、複製分布、hash 分布。
隨機分布
在創建表的時候，使用 “DISTRIBUTED RANDOMLY” 子句。
該策略會使數據隨機分布到各個 segment，即使是完全一樣的兩行數據，也可能會被分散至不同的 segment。雖然隨機分布可以使數據平均的分散至所有的 segment（不會出現數據傾斜），但進行表關聯分析時，仍然會按照關聯鍵進行重分布數據，所以該策略在生產環境中很少使用。
複製分布
在創建表的時候，使用 “DISTRIBUTED REPLICATED” 子句。
該策略會把數據發送至所有的 segment，即所有的 segment 都擁有該表的所有數據，所以在表關聯分析時，可以減少數據重分布，但該數據會保存到所有的 segment，所以會產生大量的重複數據。所以，該策略適合一些小表使用。
hash 分布
在重建表的時候，使用 “DISTRIBUTED BY (column，[…])” 子句。
該策略需要用戶指定哪些列作為分布鍵，且分布鍵必須是主鍵的子集。gp 會根據分布鍵的值，進行計算得出 hash key 值，再根據該 key 值計算得出該數據被分配到哪個 segment上。用戶可以結合自己的數據特點，以及以後數據分析的規律，為不同的表指定不同的分布鍵，以提供良好的數據存儲以及數據分析性能。
hash 流程
這裡直接貼出調用堆棧，重點分析 directDispatchCalculateHash 函數：
調用堆棧
#0 cdbhashinit (h=0x2e4e738) at cdbhash.c:161
#1 0x0000000000b05017 in directDispatchCalculateHash (plan=0x2e4dce8, targetPolicy=0x2e4e178, hashfuncs=0x2e4e6b8)
at cdbmutate.c:197
#2 0x0000000000b0a989 in sri_optimize_for_result (root=0x2e4cf18, plan=0x2e4dce8, rte=0x2e4cd88,
targetPolicy=0x7ffe5fca0ec0, hashExprs_p=0x7ffe5fca0ed0, hashOpfamilies_p=0x7ffe5fca0ec8) at cdbmutate.c:3560
#3 0x0000000000810d6e in adjust_modifytable_flow (root=0x2e4cf18, node=0x2e4e068, is_split_updates=0x2e4d9b8)
at createplan.c:6608
#4 0x00000000008108bd in make_modifytable (root=0x2e4cf18, operation=CMD_INSERT, canSetTag=1 '\001',
resultRelations=0x2e4e038, subplans=0x2e4dfe8, withCheckOptionLists=0x0, returningLists=0x0,
is_split_updates=0x2e4d9b8, rowMarks=0x0, epqParam=0) at createplan.c:6471
#5 0x0000000000817e24 in subquery_planner (glob=0x2cbcf70, parse=0x2d7cd80, parent_root=0x0, hasRecursion=0 '\000',
tuple_fraction=0, subroot=0x7ffe5fca11b8, config=0x2e4cee8) at planner.c:907
#6 0x0000000000816d1d in standard_planner (parse=0x2d7cd80, cursorOptions=0, boundParams=0x0) at planner.c:345
#7 0x0000000000816904 in planner (parse=0x2cbd080, cursorOptions=0, boundParams=0x0) at planner.c:200
#8 0x00000000008e8f4a in pg_plan_query (querytree=0x2cbd080, cursorOptions=0, boundParams=0x0) at postgres.c:959
#9 0x00000000008e8ffd in pg_plan_queries (querytrees=0x2d7b458, cursorOptions=0, boundParams=0x0) at postgres.c:1018
#10 0x00000000008ea3e8 in exec_simple_query (
query_string=0x2cbc0d8 "insert INTO hash values (1,'asdf','fdsa','qwer');") at postgres.c:1748
#11 0x00000000008ef189 in PostgresMain (argc=1, argv=0x2c9bc10, dbname=0x2c9bac0 "postgres",
username=0x2c9baa8 "gpadmin") at postgres.c:5242
#12 0x000000000086db12 in BackendRun (port=0x2cc5830) at postmaster.c:4811
#13 0x000000000086d1da in BackendStartup (port=0x2cc5830) at postmaster.c:4468
#14 0x0000000000869424 in ServerLoop () at postmaster.c:1948
#15 0x00000000008689c3 in PostmasterMain (argc=6, argv=0x2c99c20) at postmaster.c:1518
#16 0x0000000000774e33 in main (argc=6, argv=0x2c99c20) at main.c:245
directDispatchCalculateHash
這裡只貼出 directDispatchCalculateHash 函數的重點程式碼及注釋：
static void
directDispatchCalculateHash(Plan *plan, GpPolicy *targetPolicy, Oid *hashfuncs)
{
// .....以上程式碼省略
// 為當前插入的數據會話創建 cdbHash 環境
// 主要包括：
// 1、當前 gp 的 segment 個數
// 2、hash key 值到 segment 的 reduce 函數
// 3、該表的分布鍵，以及該分布鍵類型對應計算 hash key 的函數
h = makeCdbHash(targetPolicy->numsegments, targetPolicy->nattrs, hashfuncs);
// 初始化 cdbHash，主要是初始化 hashkey 值
cdbhashinit(h);
// 遍歷所有的分布鍵
// nattrs 是分布鍵個數
for (i = 0; i < targetPolicy->nattrs; i++)
{
// 進行 hash key 值計算
cdbhash(h, i + 1, values[i], nulls[i]);
}
// 根據前面計算出來的 hash key,
// 再算出該數據數據應該映射到哪個 segment
hashcode = cdbhashreduce(h);
// ......以下程式碼省略
}
cdbhash
void
cdbhash(CdbHash *h, int attno, Datum datum, bool isnull)
{
uint32 hashkey = h->hash;
// ......省略一些非關鍵程式碼
/* rotate hashkey left 1 bit at each step */
hashkey = (hashkey << 1) | ((hashkey & 0x80000000) ? 1 : 0);
if (!isnull)
{
FunctionCallInfoData fcinfo;
uint32 hkey;
InitFunctionCallInfoData(fcinfo, &h->hashfuncs[attno - 1], 1,
InvalidOid,
NULL, NULL);
fcinfo.arg[0] = datum;
fcinfo.argnull[0] = false;
hkey = DatumGetUInt32(FunctionCallInvoke(&fcinfo));
/* Check for null result, since caller is clearly not expecting one */
if (fcinfo.isnull)
elog(ERROR, "function %u returned NULL", fcinfo.flinfo->fn_oid);
hashkey ^= hkey;
}
// ......省略一些非關鍵程式碼
h->hash = hashkey;
}
分析：
1、InitFunctionCallInfoData 該宏展開為：
#define InitFunctionCallInfoData(Fcinfo, Flinfo, Nargs, Collation, Context, Resultinfo) \
do { \
(Fcinfo).flinfo = (Flinfo); \
(Fcinfo).context = (Context); \
(Fcinfo).resultinfo = (Resultinfo); \
(Fcinfo).fncollation = (Collation); \
(Fcinfo).isnull = false; \
(Fcinfo).nargs = (Nargs); \
} while (0)
這裡主要是用來初始化 Fcinfo 結構體， fcinfo 類型為 FunctionCallInfoData，其定義為： typedef Datum (*PGFunction) (FunctionCallInfo fcinfo);。
FunctionCallInfoData是一個通用的用於傳遞迴調函數的入參結構體，
其中：
a、flinfo 欄位是一個結構體，類型為 FmgrInfo ，該結構體裡面最重要的是 fn_addr 欄位，它存儲了後面真正調用的 hash 回調函數的地址。
b、nargs 欄位表示回調函數的入參個數，這裡固定為1，說明所有的 hash 函數的入參個數都只有1個。
2、 FunctionCallInfoData中的 arg 欄位表示回調函數入參列表，這裡只使用了 datum 賦值，從外層函數可以看出來，該值即為當前列的值。
所以從這裡可以確定，分布鍵使用的 hash 回調函數的入參通過封裝的 FunctionCallInfoData結構體進行傳輸，且最終裡面使用的 hash 函數的入參只有 1 個，就是分布鍵的值。
3、 FunctionCallInvoke 展開後為 ((* (fcinfo)->flinfo->fn_addr) (fcinfo)) ，即這裡真正調用了 hash 回調函數，並使用前面賦值好的 fcinfo 作為參數。
4、最終把 hash 回調函數的返回值強轉為 uint32 類型，再與之前計算出來的 hash key 做異或操作後，作為最後的 hash key 保存到當前 cdbHash 環境中的 hash 里，即最後的賦值： h->hash = hashkey。
總結
外層，先對當前的會話創建一個 hash 環境，然後遍歷每個分布鍵做一次 hash 計算，根據最終的 hash key 值，做一次 reduce，計算出 segment id。
內層，先初始化通用的回調函數入參，再調用回調函數，並與之前的 hash key 值做一次異或操作，得出當前的 hash key。
hash 回調函數分析
smallint / int / bigint 類型
smallint 類型，對應的 hash 函數是 hashint2，
int 類型，對應的 hash 函數是 hashint4，
bigint 類型，對應的 hash 函數是 hashint8，
具體實現如下：
#define PG_GETARG_DATUM(n) (fcinfo->arg[n])
#define PG_GETARG_INT16(n) DatumGetInt16(PG_GETARG_DATUM(n))
#define PG_GETARG_INT32(n) DatumGetInt32(PG_GETARG_DATUM(n))
#define PG_GETARG_INT64(n) DatumGetInt64(PG_GETARG_DATUM(n))
Datum
hashint2(PG_FUNCTION_ARGS)
{
return hash_uint32((int32) PG_GETARG_INT16(0));
}
Datum
hashint4(PG_FUNCTION_ARGS)
{
return hash_uint32(PG_GETARG_INT32(0));
}
Datum
hashint8(PG_FUNCTION_ARGS)
{
/*
* The idea here is to produce a hash value compatible with the values
* produced by hashint4 and hashint2 for logically equal inputs; this is
* necessary to support cross-type hash joins across these input types.
* Since all three types are signed, we can xor the high half of the int8
* value if the sign is positive, or the complement of the high half when
* the sign is negative.
*/
int64 val = PG_GETARG_INT64(0);
uint32 lohalf = (uint32) val;
uint32 hihalf = (uint32) (val >> 32);
lohalf ^= (val >= 0) ? hihalf : ~hihalf;
return hash_uint32(lohalf);
}
把宏展開後，可以觀察到，smallint 、int 和 bigint 實際上底層調用的 hash 函數都是 hash_uint32，唯一有區別的是 hash_uint32 的入參。
當類型是 smallint 或 int 時，入參就是其本身，而當類型是 bigint 時，該類型長度為8位元組，所以需要對其處理一下：當被 hash 的值大於等於0時，則使用高4位元組與第4位元組異或的值進行 hash；當被 hash 的值小於0時，則使用高4位元組的相反數，與低4位元組異或的值進行 hash。
char / varchar / text 類型
char 類型，對應的 hash 函數是 hashbpchar，
text / varchar 類型，對應的 hash 函數是：hashtext，
具體實現如下：
typedef struct varlena text;
#define PG_GETARG_DATUM(n) (fcinfo->arg[n])
#define PG_DETOAST_DATUM_PACKED(datum) \
pg_detoast_datum_packed((struct varlena *) DatumGetPointer(datum))
#define DatumGetTextPP(X) ((text *) PG_DETOAST_DATUM_PACKED(X))
#define PG_GETARG_TEXT_PP(n) DatumGetTextPP(PG_GETARG_DATUM(n))
Datum
hashtext(PG_FUNCTION_ARGS)
{
text *key = PG_GETARG_TEXT_PP(0);
Datum result;
/*
* Note: this is currently identical in behavior to hashvarlena, but keep
* it as a separate function in case we someday want to do something
* different in non-C locales. (See also hashbpchar, if so.)
*/
result = hash_any((unsigned char *) VARDATA_ANY(key),
VARSIZE_ANY_EXHDR(key));
/* Avoid leaking memory for toasted inputs */
PG_FREE_IF_COPY(key, 0);
return result;
}
typedef struct varlena BpChar;
#define PG_GETARG_DATUM(n) (fcinfo->arg[n])
#define PG_DETOAST_DATUM_PACKED(datum) \
pg_detoast_datum_packed((struct varlena *) DatumGetPointer(datum)
#define DatumGetBpCharPP(X) ((BpChar *) PG_DETOAST_DATUM_PACKED(X))
#define PG_GETARG_BPCHAR_PP(n) DatumGetBpCharPP(PG_GETARG_DATUM(n))
Datum
hashbpchar(PG_FUNCTION_ARGS)
{
BpChar *key = PG_GETARG_BPCHAR_PP(0);
char *keydata;
int keylen;
Datum result;
keydata = VARDATA_ANY(key);
keylen = bcTruelen(key);
result = hash_any((unsigned char *) keydata, keylen);
/* Avoid leaking memory for toasted inputs */
PG_FREE_IF_COPY(key, 0);
return result;
}
把上面的宏展開後，對比這三種類型的 hash 函數，其實不難發現，它們的 hash 函數底層都一樣，都是通過 hash_any 函數進行計算，入參都是本身字元串值，以及字元串長度。
