1. 簡介

Join是SQL語句中的常用操作，良好的表結(jié)構(gòu)能夠?qū)?shù)據(jù)分散在不同的表中，使其符合某種范式，減少表冗余、更新容錯等。而建立表和表之間關(guān)系的最佳方式就是Join操作。Join連接是大數(shù)據(jù)處理的重要手段，它基于表之間的共同字段將來自兩個或多個表的行結(jié)合起來。如今Spark SQL(Dataset/DataFrame)已經(jīng)成為Spark應(yīng)用程序開發(fā)的主流，作為開發(fā)者，我們有必要了解Join在Spark中是如何組織運(yùn)行的。

2. Join的基本要素

如下圖所示，Join大致包括三個要素：Join方式、Join條件以及過濾條件。其中過濾條件也可以通過AND語句放在Join條件中。

Spark支持所有類型的Join，包括：

• inner join
• left outer join
• right outer join
• full outer join
• left semi join
• left anti join
  下面分別闡述這幾種Join的實現(xiàn)。

2. Join基本實現(xiàn)流程

總體上來說，Join的基本實現(xiàn)流程如下圖所示，Spark將參與Join的兩張表抽象為流式遍歷表(streamIter)和查找表(buildIter)，通常streamIter為大表，buildIter為小表，我們不用擔(dān)心哪個表為streamIter，哪個表為buildIter，這個spark會根據(jù)join語句自動幫我們完成。

在實際計算時，spark會基于streamIter來遍歷，每次取出streamIter中的一條記錄rowA，根據(jù)Join條件計算keyA，然后根據(jù)該keyA去buildIter中查找所有滿足Join條件(keyB==keyA)的記錄rowBs，并將rowBs中每條記錄分別與rowAjoin得到j(luò)oin后的記錄，最后根據(jù)過濾條件得到最終join的記錄。

從上述計算過程中不難發(fā)現(xiàn)，對于每條來自streamIter的記錄，都要去buildIter中查找匹配的記錄，所以buildIter一定要是查找性能較優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。spark提供了三種join實現(xiàn)：sort merge join、broadcast join以及hash join。

2.1 Hash join實現(xiàn)

spark提供了hash join實現(xiàn)方式，在shuffle read階段不對記錄排序，反正來自兩格表的具有相同key的記錄會在同一個分區(qū)，只是在分區(qū)內(nèi)不排序，將來自buildIter的記錄放到hash表中，以便查找，如下圖所示。

由于Spark是一個分布式的計算引擎，可以通過分區(qū)的形式將大批量的數(shù)據(jù)劃分成n份較小的數(shù)據(jù)集進(jìn)行并行計算。這種思想應(yīng)用到Join上便是Shuffle Hash Join了。利用key相同必然分區(qū)相同的這個原理，SparkSQL將較大表的join分而治之，先將表劃分成n個分區(qū)，在對buildlter查找表和streamlter表進(jìn)行Hash Join。

Shuffle Hash Join分為兩步：

對兩張表分別按照join keys進(jìn)行重分區(qū)，即shuffle，目的是為了讓有相同join keys值的記錄分到對應(yīng)的分區(qū)中

對對應(yīng)分區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行join，此處先將小表分區(qū)構(gòu)造為一張hash表，然后根據(jù)大表分區(qū)中記錄的join keys值拿出來進(jìn)行匹配

不難發(fā)現(xiàn)，要將來自buildIter的記錄放到hash表中，那么每個分區(qū)來自buildIter的記錄不能太大，否則就存不下，默認(rèn)情況下hash join的實現(xiàn)是關(guān)閉狀態(tài)，如果要使用hash join，必須滿足以下四個條件：

• buildIter總體估計大小超過spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold設(shè)定的值，即不滿足broadcast join條件
• 開啟嘗試使用hash join的開關(guān)，spark.sql.join.preferSortMergeJoin=false
• 每個分區(qū)的平均大小不超過spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold設(shè)定的值，即shuffle read階段每個分區(qū)來自buildIter的記錄要能放到內(nèi)存中
• streamIter的大小是buildIter三倍以上

2.2 Sort Merge Join 實現(xiàn)

上面介紹的實現(xiàn)對于一定大小的表比較適用，但當(dāng)兩個表都非常大時，顯然無論適用哪種都會對計算內(nèi)存造成很大壓力。這是因為join時兩者采取的都是hash join，是將一側(cè)的數(shù)據(jù)完全加載到內(nèi)存中，使用hash code取join keys值相等的記錄進(jìn)行連接。

要讓兩條記錄能join到一起，首先需要將具有相同key的記錄在同一個分區(qū)，所以通常來說，需要做一次shuffle，map階段根據(jù)join條件確定每條記錄的key，基于該key做shuffle write，將可能join到一起的記錄分到同一個分區(qū)中，這樣在shuffle read階段就可以將兩個表中具有相同key的記錄拉到同一個分區(qū)處理。前面我們也提到，對于buildIter一定要是查找性能較優(yōu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通常我們能想到hash表，但是對于一張較大的表來說，不可能將所有記錄全部放到hash表中，SparkSQL采用了一種全新的方案來對表進(jìn)行Join，即Sort Merge Join。這種實現(xiàn)方式不用將一側(cè)數(shù)據(jù)全部加載后再進(jìn)行hash join，但需要在join前將數(shù)據(jù)排序，如下圖所示：

在shuffle read階段，分別對streamIter和buildIter進(jìn)行merge sort，在遍歷streamIter時，對于每條記錄，都采用順序查找的方式從buildIter查找對應(yīng)的記錄，由于兩個表都是排序的，每次處理完streamIter的一條記錄后，對于streamIter的下一條記錄，只需從buildIter中上一次查找結(jié)束的位置開始查找，所以說每次在buildIter中查找不必重頭開始，整體上來說，查找性能還是較優(yōu)的。

2.3 Broadcast Join實現(xiàn)

為了能具有相同key的記錄分到同一個分區(qū)，我們通常是做shuffle，而shuffle在Spark中是比較耗時的操作，我們應(yīng)該盡可能的設(shè)計Spark應(yīng)用使其避免大量的shuffle。。那么如果buildIter是一個非常小的表，那么其實就沒有必要大動干戈做shuffle了，直接將buildIter廣播到每個計算節(jié)點(diǎn)，然后將buildIter放到hash表中，如下圖所示。

在執(zhí)行上，主要可以分為以下兩步：

broadcast階段：將小表廣播分發(fā)到大表所在的所有主機(jī)。分發(fā)方式可以有driver分發(fā)，或者采用p2p方式。

hash join階段：在每個executor上執(zhí)行單機(jī)版hash join，小表映射，大表試探；

Broadcast Join的條件有以下幾個：

被廣播的表需要小于spark.sql.autoBroadcastJoinThreshold所配置的值，默認(rèn)是10M （或者加了broadcast join的hint）

基表不能被廣播，比如left outer join時，只能廣播右表

3. Spark 支持的Join類型

3.1 inner join

inner join是一定要找到左右表中滿足join條件的記錄，我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，可以不用關(guān)心哪個是左表，哪個是右表，在spark sql查詢優(yōu)化階段，spark會自動將大表設(shè)為左表，即streamIter，將小表設(shè)為右表，即buildIter。這樣對小表的查找相對更優(yōu)。其基本實現(xiàn)流程如下圖所示，在查找階段，如果右表不存在滿足join條件的記錄，則跳過。

3.2 left outer join

left outer join是以左表為準(zhǔn)，在右表中查找匹配的記錄，如果查找失敗，則返回一個所有字段都為null的記錄。我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，一般讓大表在左邊，小表在右邊。其基本實現(xiàn)流程如下圖所示。

3.3 right outer join

right outer join是以右表為準(zhǔn)，在左表中查找匹配的記錄，如果查找失敗，則返回一個所有字段都為null的記錄。所以說，右表是streamIter，左表是buildIter，我們在寫sql語句或者使用DataFrmae時，一般讓大表在右邊，小表在左邊。其基本實現(xiàn)流程如下圖所示。

3.4 full outer join

full outer join相對來說要復(fù)雜一點(diǎn)，總體上來看既要做left outer join，又要做right outer join，但是又不能簡單地先left outer join，再right outer join，最后union得到最終結(jié)果，因為這樣最終結(jié)果中就存在兩份inner join的結(jié)果了。因為既然完成left outer join又要完成right outer join，所以full outer join僅采用sort merge join實現(xiàn)，左邊和右表既要作為streamIter，又要作為buildIter，其基本實現(xiàn)流程如下圖所示。

由于左表和右表已經(jīng)排好序，首先分別順序取出左表和右表中的一條記錄，比較key，如果key相等，則joinrowA和rowB，并將rowA和rowB分別更新到左表和右表的下一條記錄；如果keyA<keyB，則說明右表中沒有與左表rowA對應(yīng)的記錄，那么joinrowA與nullRow，緊接著，rowA更新到左表的下一條記錄；如果keyA>keyB，則說明左表中沒有與右表rowB對應(yīng)的記錄，那么joinnullRow與rowB，緊接著，rowB更新到右表的下一條記錄。如此循環(huán)遍歷直到左表和右表的記錄全部處理完。

3.5 left semi join

left semi join是以左表為準(zhǔn)，在右表中查找匹配的記錄，如果查找成功，則僅返回左邊的記錄，否則返回null，其基本實現(xiàn)流程如下圖所示。

3.6 left anti join

left anti join與left semi join相反，是以左表為準(zhǔn)，在右表中查找匹配的記錄，如果查找成功，則返回null，否則僅返回左邊的記錄，其基本實現(xiàn)流程如下圖所示。

4. 總結(jié)

Join是數(shù)據(jù)庫查詢中一個非常重要的語法特性，在數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域可以說是“得join者的天下”，SparkSQL作為一種分布式數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)，給我們提供了全面的join支持，并在內(nèi)部實現(xiàn)上無聲無息地做了很多優(yōu)化，了解join的實現(xiàn)將有助于我們更深刻的了解我們的應(yīng)用程序的運(yùn)行軌跡。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Spark详解（十四）：Spark SQL的Join实现的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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