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三十分钟成为 Contributor | 为 TiKV 添加 built-in 函数
吴雪莲
2018-08-01
手把手教你如何在三十分钟内成为 TiKV 项目的 Contributor。
TiKV
社区
Contributor

背景知识

SQL 语句发送到 TiDB 后经过 parser 生成 AST(抽象语法树),再经过 Query Optimizer 生成执行计划,执行计划切分成很多子任务,这些子任务以表达式的方式最后下推到底层的各个 TiKV 来执行。

图 1

如图 1,当 TiDB 收到来自客户端的查询请求

select count(*) from t where a + b > 5

时,执行顺序如下:

  1. TiDB 对 SQL 进行解析,组织成对应的表达式,下推给 TiKV

  2. TiKV 收到请求后,循环以下过程

    • 获取下一行完整数据,并按列解析

    • 使用参数中的 where 表达式对数据进行过滤

    • 若上一条件符合,进行聚合计算

  3. TiKV 向 TiDB 返回聚合计算结果

  4. TiDB 对所有涉及的结果进行二次聚合,返回给客户端

这里的 where 条件便是以表达式树的形式下推给 TiKV。在此之前 TiDB 只会向 TiKV 下推一小部分简单的表达式,比如取出某一个列的某个数据类型的值,简单数据类型的比较操作,算术运算等。为了充分利用分布式集群的资源,进一步提升 SQL 在整个集群的执行速度,我们需要将更多种类的表达式下推到 TiKV 来运行,其中的一大类就是 MySQL built-in 函数。

目前,由于 TiKV 的 built-in 函数尚未全部实现,对于无法下推的表达式,TiDB 只能自行解决。这无疑将成为提升 TiDB 速度的最大绊脚石。好消息是,TiKV 在实现 built-in 函数时,可以直接参考 TiDB 的对应函数逻辑(顺便可以帮 TiDB 找找 Bug),为我们减少了不少工作量。

Built-in 函数无疑是 TiDB 和 TiKV 成长道路上不可替代的一步,如此艰巨又庞大的任务,我们需要广大社区朋友们的支持与鼓励。亲爱的朋友们,想玩 Rust 吗?想给 TiKV 提 PR 吗?想帮助 TiDB 跑得更快吗?动动您的小手指,拿 PR 来砸我们吧。您的 PR 一旦被采用,将会有小惊喜哦。

手把手教你实现 built-in 函数

Step 1:准备下推函数

在 TiKV 的 tikv/tikv#3275 issue 中,找到未实现的函数签名列表,选一个您想要实现的函数。

Step 2:获取 TiDB 中可参考的逻辑实现

在 TiDB 的 expression 目录下查找相关 builtinXXXSig 对象,这里 XXX 为您要实现的函数签名,本例中以 MultiplyIntUnsigned 为例,可以在 TiDB 中找到其对应的函数签名(builtinArithmeticMultiplyIntUnsignedSig)及 实现

Step 3:确定函数定义

  1. built-in 函数所在的文件名要求与 TiDB 的名称对应,如 TiDB 中,expression 目录下的下推文件统一以 builtin_XXX 命名,对应到 TiKV 这边,就是 builtin_XXX.rs。若同名对应的文件不存在,则需要自行在同级目录下新建。对于本例,当前函数存放于 TiDB 的 builtin_arithmetic.go 文件里,对应到 TiKV 便是存放在 builtin_arithmetic.rs 中。

  2. 函数名称:函数签名转为 Rust 的函数名称规范,这里 MultiplyIntUnsigned 将会被定义为 multiply_int_unsigned

  3. 函数返回值,可以参考 TiDB 中实现的 Eval 函数,对应关系如下:

    TiDB 对应实现的 Eval 函数 TiKV 对应函数的返回值类型
    evalInt Result<Option<i64>>
    evalReal Result<Option<f64>>
    evalString Result<Option<Cow<'a, [u8]>>>
    evalDecimal Result<Option<Cow<'a, Decimal>>>
    evalTime Result<Option<Cow<'a, Time>>>
    evalDuration Result<Option<Cow<'a, Duration>>>
    evalJSON Result<Option<Cow<'a, Json>>>

    可以看到 TiDB 的 builtinArithmeticMultiplyIntUnsignedSig 对象实现了 evalInt 方法,故当前函数(multiply_int_unsigned)的返回类型应该为 Result<Option<i64>>

  4. 函数的参数, 所有 builtin-in 的参数都与 Expression 的 eval 函数一致,即:

    • 环境配置量 (ctx:&StatementContext)

    • 该行数据每列具体值 (row:&[Datum])

综上,multiply_int_unsigned 的下推函数定义为:

pub fn multiply_int_unsigned(
    &self,
    ctx: &mut EvalContext,
    row: &[Datum],
) -> Result<Option<i64>>

Step 4:实现函数逻辑

这一块相对简单,直接对照 TiDB 的相关逻辑实现即可。这里,我们可以看到 TiDB 的 builtinArithmeticMultiplyIntUnsignedSig 的具体实现如下:

func (s *builtinArithmeticMultiplyIntUnsignedSig) evalInt(row types.Row) (val int64, isNull bool, err error) {
  a, isNull, err := s.args[0].EvalInt(s.ctx, row)
  if isNull || err != nil {
     return 0, isNull, errors.Trace(err)
  }
  unsignedA := uint64(a)
  b, isNull, err := s.args[1].EvalInt(s.ctx, row)
  if isNull || err != nil {
     return 0, isNull, errors.Trace(err)
  }
  unsignedB := uint64(b)
  result := unsignedA * unsignedB
  if unsignedA != 0 && result/unsignedA != unsignedB {
     return 0, true, types.ErrOverflow.GenByArgs("BIGINT UNSIGNED", fmt.Sprintf("(%s * %s)", s.args[0].String(), s.args[1].String()))
  }
  return int64(result), false, nil
}

参考以上代码,翻译到 TiKV 即可,如下:

 pub fn multiply_int_unsigned(
       &self,
       ctx: &mut EvalContext,
       row: &[Datum],
   ) -> Result<Option<i64>> {
       let lhs = try_opt!(self.children[0].eval_int(ctx, row));
       let rhs = try_opt!(self.children[1].eval_int(ctx, row));
       let res = (lhs as u64).checked_mul(rhs as u64).map(|t| t as i64);
       // TODO: output expression in error when column's name pushed down.
       res.ok_or_else(|| Error::overflow("BIGINT UNSIGNED", &format!("({} * {})", lhs, rhs)))
           .map(Some)
   }

Step 5:添加参数检查

TiKV 在收到下推请求时,首先会对所有的表达式进行检查,表达式的参数个数检查就在这一步进行。

TiDB 中对每个 built-in 函数的参数个数有严格的限制,这一部分检查可参考 TiDB 同目录下 builtin.go 相关代码。

在 TiKV 同级目录的 scalar_function.rs 文件里,找到 ScalarFunc 的 check_args 函数,按照现有的模式,加入参数个数的检查即可。

Step 6:添加下推支持

TiKV 在对一行数据执行具体的 expression 时,会调用 eval 函数,eval 函数又会根据具体的返回类型,执行具体的子函数。这一部分工作在 scalar_function.rs 中以宏(dispatch_call)的形式完成。

对于 MultiplyIntUnsigned, 我们最终返回的数据类型为 Int,所以可以在 dispatch_call 中找到 INT_CALLS,然后照着加入 MultiplyIntUnsigned => multiply_int_unsigned , 表示当解析到函数签名 MultiplyIntUnsigned 时,调用上述已实现的函数 multiply_int_unsigned

至此 MultiplyIntUnsigned 下推逻辑已完全实现。

Step 7:添加测试

在函数 multiply_int_unsigned 所在文件 builtin_arithmetic.rs 底部的 test 模块中加入对该函数签名的单元测试,要求覆盖到上述添加的所有代码,这一部分也可以参考 TiDB 中相关的测试代码。本例在 TiKV 中实现的测试代码如下:

    #[test]
   fn test_multiply_int_unsigned() {
       let cases = vec![
           (Datum::I64(1), Datum::I64(2), Datum::U64(2)),
           (
               Datum::I64(i64::MIN),
               Datum::I64(1),
               Datum::U64(i64::MIN as u64),
           ),
           (
               Datum::I64(i64::MAX),
               Datum::I64(1),
               Datum::U64(i64::MAX as u64),
           ),
           (Datum::U64(u64::MAX), Datum::I64(1), Datum::U64(u64::MAX)),
       ];
       let mut ctx = EvalContext::default();
       for (left, right, exp) in cases {
           let lhs = datum_expr(left);
           let rhs = datum_expr(right);
           let mut op = Expression::build(
               &mut ctx,
               scalar_func_expr(ScalarFuncSig::MultiplyIntUnsigned, &[lhs, rhs]),
           ).unwrap();
           op.mut_tp().set_flag(types::UNSIGNED_FLAG as u32);
           let got = op.eval(&mut ctx, &[]).unwrap();
           assert_eq!(got, exp);
       }
       // test overflow
       let cases = vec![
           (Datum::I64(-1), Datum::I64(2)),
           (Datum::I64(i64::MAX), Datum::I64(i64::MAX)),
           (Datum::I64(i64::MIN), Datum::I64(i64::MIN)),
       ];
       for (left, right) in cases {
           let lhs = datum_expr(left);
           let rhs = datum_expr(right);
           let mut op = Expression::build(
               &mut ctx,
               scalar_func_expr(ScalarFuncSig::MultiplyIntUnsigned, &[lhs, rhs]),
           ).unwrap();
           op.mut_tp().set_flag(types::UNSIGNED_FLAG as u32);
           let got = op.eval(&mut ctx, &[]).unwrap_err();
           assert!(check_overflow(got).is_ok());
       }
   }

Step 8:运行测试

运行 make expression,确保所有的 test case 都能跑过。

完成以上几个步骤之后,就可以给 TiKV 项目提 PR 啦。想要了解提 PR 的基础知识,尝试移步 此文,看看是否有帮助。