03 查询管线全景


难度 中等

目标:从 backend 收到一条 query 字节那一刻起,逐函数跟踪到执行器出口。理解 解析 → 重写 → 优化 → 执行 四阶段的产物(RawStmt / Query / PlannedStmt / PlanState)。

3.1 全景图

             client
               │ libpq protocol
               ▼
┌────────────────────────────────┐
│ tcop/postgres.c : PostgresMain │  inner loop 读消息
└─────────────┬──────────────────┘
              │
┌─────────────▼──────────────────┐
│ exec_simple_query /  prepared  │  parse/plan 入口
└─────────────┬──────────────────┘
              │
┌─────────────▼──────────────────┐
│ parser / parser_analyze        │  RawStmt / Query
└─────────────┬──────────────────┘
              │
┌─────────────▼──────────────────┐
│ rewrite / QueryRewrite         │  Query (规则展开后)
└─────────────┬──────────────────┘
              │
┌─────────────▼──────────────────┐
│ planner / planner              │  PlannedStmt (Plan 树)
└─────────────┬──────────────────┘
              │
┌─────────────▼──────────────────┐
│ executor / ExecutorRun         │  PlanState 树, 返回 tuple
└─────────────┬──────────────────┘
              │
              ▼
         client (结果集)

3.2 入口:exec_simple_query

src/backend/tcop/postgres.c:exec_simple_query(const char *query_string) 是简单查询协议(Q 消息)的入口。流程:

exec_simple_query(const char *query_string)
{
    parsetree = pg_parse_query(query_string);              // 解析
    ... 
    for each RawStmt {
        query = pg_analyze(parsetree, ...);                // 分析 → Query
        query = pg_rewrite(query, ...);                    // 重写 → Query'
        plantree = pg_plan_queries(query, ...);            // 优化 → PlannedStmt
        ... log: stmt_start ...
        PortalRun(portal, ...);                             // 执行
        ... log: stmt_end ...
    }
}

每一步都接受 GUC 控制日志、错误、内存上下文。

3.3 解析:parser

PG 的 parser 是 手写递归下降 + Bison LALR(1) 语法,不是 Bison 生成的

  • 词法:src/backend/parser/parser.clexer.c(Flex 生成)
  • 语法:src/backend/parser/gram.y(Bison)
  • AST:src/include/nodes/parsenodes.h —— RawStmtSelectStmtInsertStmt
  • 入口函数:raw_parser(query_string) 返回 RawStmt * 列表
// gram.y 简版主干
topLevelStmt:  ...
             |  SelectStmt
             |  InsertStmt
             |  UpdateStmt
             |  DeleteStmt
             |  ...
             ;

输出举例 SELECT * FROM t WHERE id=1

RawStmt {
  .stmt = SelectStmt {
    .targetList = [ResTarget{* , NULL}],   // *
    .fromClause = [RangeVar{t}]
    .whereClause = A_Expr{=, id, 1}
  }
}

注意:这里还是 AST,没有 type info、没有 catalog lookup。

3.4 分析:pg_analyze

src/backend/parser/analyze.c:transformStmt() 把 AST 翻成语义 Query(src/include/nodes/primnodes.h)。

这一阶段做的事:

  • 名字 → OID(表、列、函数、类型)
  • 类型推导(SELECT 1 + 'a' 在这里报错)
  • 子查询上拉
  • 常量折叠(WHERE 1=2 → FALSE)
  • IN → EXISTS、VIEW 展开
  • 安全检查(权限)

产物:Query 树(src/include/nodes/primnodes.h)。

typedef struct Query {
    NodeTag     type;
    CmdType     commandType;    // CMD_SELECT / CMD_UPDATE / ...
    QuerySource querySource;    // QRC_*
    bool        hasSubLinks;
    List       *cteList;
    List       *rtable;         // RangeTblEntry 列表:每个 FROM 一个
    List       *jointree;       // FromExpr
    List       *targetList;     // TargetEntry 列表:每个输出列
    List       *returningList;
    List       *qualList;
    ...
} Query;

rtable 是 RangeTblEntry,保存这个查询涉及到的每个表/子查询/CTE。每个 Var 节点通过 varno / varattno 引用 rtable 里的元素。

3.5 重写:pg_rewrite

src/backend/rewrite/rewriteHandler.c:QueryRewrite()

  • 展开视图(把 SELECT * FROM v 替换成 v 的定义)
  • 应用 RLS 策略
  • 处理 INSTEAD OF / DO INSTEAD 规则
  • 处理可更新视图
  • 实现 WITH (CTE) 的语义:MATERIA LIZED / NOT MATERIALIZED

输出还是 Query,只是 rtable / targetList / qualList 被替换 / 增加。

3.6 规划:pg_plan_queries

src/backend/optimizer/plan/planner.c:planner() 是入口。流程:

Query
  │
  ├──> pull_var_clause + quals_normalize
  │
  ├──> subquery_planner  (递归处理子查询)
  │       │
  │       ├──> preprocess_pull_up_subqueries
  │       ├──> preprocess_expression
  │       │
  │       ├──> grouping_planner
  │       │     │
  │       │     ├──> query_planner (生成 join paths)
  │       │     │     │
  │       │     │     ├──> setup_simple_rel_arrays
  │       │     │     ├──> make_one_rel
  │       │     │     │     │
  │       │     │     │     ├──> set_base_rel_sizes   ← pg_stats, pg_class
  │       │     │     │     ├──> set_base_rel_pathlists
  │       │     │     │     │     │
  │       │     │     │     │     ├──> create_seqscan_paths
  │       │     │     │     │     ├──> create_index_paths
  │       │     │     │     │     ├──> Gather path (并行)
  │       │     │     │     │     └── ...
  │       │     │     │     ├──> make_rel_from_joinlist
  │       │     │     │     │     └──> generate join paths:
  │       │     │     │     │           ├── nestloop
  │       │     │     │     │           ├── hash join
  │       │     │     │     │           ├── merge join
  │       │     │     │     │           └── ...
  │       │     │     │     └──> add_path  ← 用 add_path 加进来
  │       │     │     │
  │       │     │     └──> find_min_path  ← 比较代价,挑最优
  │       │     │
  │       │     ├──> create_upper_paths   ← sort, agg, window, distinct
  │       │     │
  │       │     └──> create_plan          ← 选中的 path 变成 plan node
  │       │
  │       └──> extract_needed_outer
  │
  └──> top_plan = ... (返回 PlannedStmt)

3.6.1 关键数据结构

src/include/nodes/relation.h

  • RelOptInfo —— 优化器对“关系”的内部表示(一个基表 / 一个子查询 / 一个 join 的中间结果)
  • Path —— 候选执行路径
  • Cost —— 估算代价
  • PathKey —— 排序键(merge join / order 用)

src/include/nodes/plannodes.h

  • Plan —— plan node 基类
  • Scan —— 扫描类(SeqScan / IndexScan / BitmapHeapScan / …)
  • Join —— 连接类(NestLoop / HashJoin / MergeJoin)
  • ModifyTable —— DML
  • PlannedStmt —— 整棵 plan 的容器

3.6.2 Path 是什么

typedef struct Path {
    NodeTag     type;
    RelOptInfo *parent;          // 所属 RelOptInfo
    Path       *pathkeys;        // 排序键
    Cost        start_cost;
    Cost        total_cost;
    List       *path;            // 子 path 列表
    ...
} Path;

特殊 Path:IndexPathHashPathNestPathMergePathGatherPath(并行)等。

3.6.3 代价估算

  • 顺序扫描:cpu_tuple_cost * tuples + seq_page_cost * pages
  • 索引扫描:cpu_index_tuple_cost * tuples + random_page_cost * pages
  • Hash join:cpu_hash_cost + ...

代价参数在 src/backend/optimizer/path/costsize.ccost_seqscan / cost_index / cost_nestloop 等函数中具体定义。

3.7 执行:ExecutorRun

src/backend/executor/execMain.c:ExecutorRun() 是统一入口,被 prepared statement / simple query / cursor 都复用。

typedef struct EState {
    ...
    TupleDesc    es_tupleDesc;   // 输出元组描述
    PlanState  **es_subplanstates;
    EPQState     *es_epq_active;  // EvalPlanQual for updates
    ...
} EState;

每条 Plan 节点都有对应的 PlanState

Plan             -> PlanState
SeqScan          -> SeqScanState
HashJoin         -> HashJoinState
...

ExecutorRun 流程:

ExecutorRun(QueryDesc *queryDesc, ScanDirection direction, uint64 count)
{
    // 1. ExecutorStart: 把 Plan 翻成 PlanState
    estate = CreateExecutorState();
    InitPlan(queryDesc, estate);    // 递归初始化所有节点
    ...
    // 2. 跑
    if (operation == CMD_SELECT)
        ExecutePlan(estate, ...);   // 取 count 行或到 NULL
    else
        ExecModifyTable(...);       // INSERT/UPDATE/DELETE/MERGE
    
    // 3. ExecutorEnd: 清理
}

ExecutePlan 是 Volcano 模型的实现:

ExecutePlan(EState *estate, PlanState *planstate, ...)
{
    for (;;) {
        slot = ExecProcNode(planstate);     // 取下一行
        if (TupIsNull(slot)) break;
        // 把 slot 送到 client
        if (++(estate->es_processed) >= count) break;
    }
}

ExecProcNode 是一个 dispatch:

ExecProcNode(PlanState *node)
{
    // 根据 node->type 分发
    switch (nodeTag(node)) {
        case T_SeqScanState:    return ExecSeqScan(node);
        case T_IndexScanState:  return ExecIndexScan(node);
        case T_HashJoinState:   return ExecHashJoin(node);
        ...
    }
}

3.8 一条 SQL 的完整旅程(实例)

SELECT u.name, count(*) FROM users u JOIN orders o ON u.id = o.user_id
WHERE u.active = true
GROUP BY u.name
HAVING count(*) > 5
ORDER BY count(*) DESC
LIMIT 10;
  1. parsegram.y 生成一棵 AST(SelectStmt)
  2. analyze:每个 users / orders 在 rtable 中登记一个 RangeTblEntry;u.name / o.user_id 翻译成 Var 节点(带 varno / varattno / vartype)
  3. rewrite:没有 view / rule,不动
  4. plan
    • 路径候选:
      • HashJoin(SeqScan users, SeqScan orders, hash on u.id=o.user_id) + HashAgg + Sort
      • MergeJoin(IndexScan users, IndexScan orders, u.id 索引) + HashAgg
      • HashJoin + 走 u.active 上的部分索引 …
    • 比较 cost,挑代价最低
  5. execute
    LimitState
      └── SortState (DESC, count(*))
           └── HashAggState
                └── HashJoinState
                     ├── HashState (build: users)
                     │     └── SeqScanState (users, qual: u.active=true)
                     └── SeqScanState (orders, hash probe: o.user_id = build keys)

每个节点在 ExecInitNode 里创建对应的 *State,在 ExecEnd 里清理。

3.9 实践:trace 一条 query

gdb --args ./install/bin/postgres -D /tmp/pgdata
(gdb) b pg_parse_query
(gdb) b pg_analyze
(gdb) b pg_plan_queries
(gdb) b ExecutorRun
(gdb) b ExecInitNode
(gdb) c
SELECT * FROM t WHERE id = 1;

依次停在每个函数。注意 GDB 里用 p query.commandTypeCMD_SELECT,用 p plantree->commandType 也看 CMD_SELECT,但 plantree 的字段已经完全不同了。

设置 debug_print_parse = on / debug_print_rewritten = on / debug_print_plan = on / debug_pretty_print = on 也能看到文本版中间产物,但内容很冗长,建议只在调试时打开。

3.10 小结

  • parser:AST,语法层
  • analyzer:Query,语义层(带类型、带 OID)
  • rewriter:Query,应用规则/视图
  • planner:PlannedStmt(Plan 树),代价层
  • executor:PlanState 树,运行时层

后四章会专门深入存储侧:smgr、bufmgr、heap/索引、wal。前面这三章把“上层”摆好,再往里走才不会迷路。

3.11 图示

3.11.1 查询管线全景

flowchart LR Q["SQL 文本<br/>(libpq Q 消息)"] Q --> P1["1. pg_parse_query<br/>(gram.y)"] P1 --> RS["RawStmt AST<br/>(SelectStmt / InsertStmt)"] RS --> P2["2. pg_analyze<br/>(analyze.c)"] P2 --> QY["Query<br/>(带 OID / 类型)"] QY --> P3["3. pg_rewrite<br/>(rewriteHandler.c)"] P3 --> QR["Query'<br/>(视图 / 规则展开)"] QR --> P4["4. pg_plan_queries<br/>(planner.c)"] P4 --> PS["PlannedStmt<br/>(Plan 树)"] PS --> P5["5. ExecutorStart / Run<br/>(execMain.c)"] P5 --> EX["PlanState 树<br/>Volcano 取元组"] EX --> OUT["结果集<br/>(DataRow / CommandComplete)"] style P1 fill:#bbdefb style P2 fill:#c8e6c9 style P3 fill:#fff9c4 style P4 fill:#ffccbc style P5 fill:#f8bbd0

3.11.2 planner 内部决策流

flowchart TB QY["Query"] QY --> SQ["subquery_planner<br/>(递归)"] SQ --> PPS["preprocess_pull_up_subqueries"] PPS --> PE["preprocess_expression"] PE --> GP["grouping_planner"] GP --> QP["query_planner"] QP --> SRS["set_base_rel_sizes<br/>(读 pg_class, pg_stats)"] SRS --> SRP["set_base_rel_pathlists"] SRP --> SP1["create_seqscan_paths"] SRP --> SP2["create_index_paths"] SRP --> SP3["Gather / Append / ...<br/>(并行)"] SRP --> MR["make_rel_from_joinlist<br/>(NL/HJ/MJ)"] MR --> AP["add_path<br/>(代价比较)"] AP --> FM["find_min_path<br/>(挑最优)"] FM --> CUP["create_upper_paths<br/>(Sort / Agg / Window)"] CUP --> CP["create_plan"] CP --> PS["PlannedStmt"] style FM fill:#fff9c4 style MR fill:#c8e6c9

3.11.3 Volcano 执行器模型

sequenceDiagram autonumber participant Exec as ExecutorRun participant Top as TopNode<br/>(LimitState) participant Sort as SortState participant Agg as HashAggState participant HJ as HashJoinState participant SS as SeqScanState Exec->>Top: ExecLimit loop 拉取 count 行 Top->>Sort: ExecSort loop 拉取 1 行 Sort->>Agg: ExecHashAgg loop 直到没有 Agg->>HJ: ExecHashJoin HJ->>HJ: 取 probe<br/>(从 hash table) HJ->>SS: ExecSeqScan SS->>SS: heap_getnext SS-->>HJ: heap tuple HJ-->>Agg: joined tuple Agg-->>Sort: agg tuple Sort-->>Top: sorted tuple end end Top-->>Exec: 输出 tuple end

3.11.4 plan / planstate 关系图

graph TB subgraph Plan["Plan 树 (编译期产物)"] P1[Plan] P1 --> S1[SeqScan] P1 --> H1[HashJoin] P1 --> A1[HashAgg] P1 --> So1[Sort] P1 --> L1[Limit] P1 --> M1[ModifyTable] end subgraph State["PlanState 树 (运行期产物)"] ST1[PlanState] ST1 --> SS1[SeqScanState] ST1 --> HJ1[HashJoinState] ST1 --> AG1[HashAggState] ST1 --> SO1[SortState] ST1 --> LI1[LimitState] ST1 --> MT1[ModifyTableState] end S1 -.->|ExecInitNode| SS1 H1 -.->|ExecInitNode| HJ1 A1 -.->|ExecInitNode| AG1 So1 -.->|ExecInitNode| SO1 L1 -.->|ExecInitNode| LI1 M1 -.->|ExecInitNode| MT1 style Plan fill:#e3f2fd style State fill:#fff3e0

图示配套源码:src/backend/tcop/postgres.csrc/backend/parser/{gram.y,analyze.c}src/backend/rewrite/rewriteHandler.csrc/backend/optimizer/plan/planner.csrc/backend/executor/{execMain.c,execProcnode.c}


文章作者: growdu
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