PostgreSQL 技术内幕(四)执行引擎之Portal

HashData 2023-01-03

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序言：

在Postgre数据库中，执行引擎作为一个连接查询引擎与存储引擎的中间部件，其主要的作用就是根据查询引擎传递的计划进行执行，获取数据。

Portal(门户)，相当于执行引擎的入口。当一条SQL在经过查询引擎处理的词法、语法、查询优化、访问路径的创建后，都要经过Portal来决定执行器的路径，并将结果返回给用户，来完成数据的存取工作。

导语：

Portal，也称为策略选择模块，这也代表了Portal最核心的功能。通常，Portal会根据SQL语句的类型，选择不同的执行模块(ProcessUtility、Executor等)。

SQL语句类型包括：可优化语句、数据定义语句。

可优化语句

包括DML（insert/update/select）等语句，这类语句特点是查询满足条件的元组，返回给用户或者元组操作后写入磁盘。之所以称其为可优化语句，是因为这类语句通常会被优化器进行重写与优化，从而加快查询速度。

数据定义语句

主要是功能性语句，例如：DDL(Create、Alter、Drop)、DCL(Grant、COMMIT、ROLLBACK)等。

下图为Portal在整个SQL执行过程中所承担的职责。图中上面SQL为可优化语句，下面为数据定义语句。

1.Portal内核揭秘：

简单来说，Portal负责驱动执行器，是执行器中的一部分。

1.1入口层

如上图所示，Portal通常分为两类：

QD执行会从exec_simple_query进入；

QE执行从exec_mpp_query进入；

然后统一由 portal 来根据语句类型进行决策，调用不同的执行器结构。

•ProcessUtilitySlow(事件触发类语句)

•ExecutorStart

初始化Estate、QueryDesc，调用InitPlan

•ExecutorRun

执行各个节点获取数据

•ExecutorFinish

执行ModifyTable节点

1.2 Portal层

首先初识Portal内部数据结构：

通过上面的整体结构图可以看出，Portal在执行引擎中起到了承上启下的作用：向上，它存储了优化器的相关信息；向下，它存储了执行引擎相关的一些结构。同时，Portal自身也存储了一些比较基础的结构，以及对应游标的结构。

•作为Portal的核心功能，Portal策略通常有五类：

1.PORTAL_ONE_SELECT

只包含一个SELECT查询。

SQL
select * from t1;

2.PORTAL_ONE_RETURNING

包含一个INSERT/UPDATE/DELETE查询，且带RETURNING条件。

SQL
INSERT INTO ret_tbl (id) VALUES (3) RETURNING id INTO tableId;

3.PORTAL_ONE_MOD_WITH

包含一个SELECT查询并且有修改的CTE。

SQL
WITH ins AS (
INSERT INTO t1 (t1_id) VALUES(1) RETURNING t1_id
)
SELECT * from ins;

需要注意，例如下面这个查询：

SQL
WITH ins AS (
SELECT * from t1
) INSERT INTO t2
(t2_id, col2)
SELECT * from ins;

这个并不是PORTAL_ONE_MOD_WITH查询，而是PORTAL_MULTI_QUERY。

4.PORTAL_UTIL_SELECT

包含一个utility语句，且该语句执行会返回像SELECT那样有输出结果。

SQL
postgres=# explain select * from t1;
                                  QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------------------
Gather Motion 3:1 (slice1; segments: 3) (cost=0.00..431.00 rows=1 width=12)
   -> Seq Scan on t1 (cost=0.00..431.00 rows=1 width=12)
Optimizer: Pivotal Optimizer (GPORCA)
(3 rows)

postgres=# EXECUTE t1_fn_ret(2, 'helloworld');
t1_id |    col1
-------+------------
     2 | helloworld
(1 row)

INSERT 0 1

5.其他情况

例如：

PORTAL_MULTI_QUERY + PORTAL_MULTI_QUERY

SQL
PREPARE t1_fn (int, text) AS INSERT INTO t1 VALUES($1, $2);

•状态

￮PORTAL_NEW

￮PORTAL_DEFINED

￮PORTAL_READY

￮PORTAL_QUEUE

￮PORTAL_ACTIVE

￮PORTAL_DONE

￮PORTAL_FAILED

这几个状态会在下面依次引入。

1.3 CreatePortal

创建一个新的Portal，传入参数均为： CreatePortal("", true, true)，表示创建一个匿名的Portal，允许重复且重复后保持沉默。

CreatePortal逻辑：

Plain Text
Portal
CreatePortal(const char *name, bool allowDup, bool dupSilent)

1.根据传入的第一个参数name从哈希表中查找。

2.根据传入的第二个参数allowDup，如果第一步查找到，从哈希表中决定是否删除。如果true，则删除，否则报错。在哈希表中查找到Portal且允许重复的情况下，在QD节点上会根据第三个参数dupSilent决定是否输出告警信息。

3.创建一个新的Portal，并初始化相应参数。

执行完毕后，便创建好了一个状态为PORTAL_NEW的Portal。

1.4 PortalDefineQuery

定义Portal数据，包含了：查询语句sourceText、PlannedStmts、查询完成标记qc。

注意：QD上根据传递进来的stmt来设置nodeTag，但是QE上为T_Query，因为QE上不是parsed statement，所以不是 T_SelectStmt。

最终设置Portal状态为PORTAL_DEFINED。

1.5 PortalStart

准备好portal，主要有如下几步：

1.设置ddesc，该信息为QD到QE上的额外信息，QD上为NULL，QE上不为NULL。

2.设置全局参数，例如：当前活跃的Portal、resourceOwner、context。

3.设置Portal参数字段：PortalParams，同样QD上为NULL，QE上不为NULL。

4.设置Portal策略(ChoosePortalStrategy)。

如下图所示：输入为查询计划链表，针对以下情况：

PORTAL_ONE_SELECT
PORTAL_ONE_MOD_WITH
PORTAL_UTIL_SELECT
PORTAL_ONE_RETURNING

首先判断是Query还是PlannedStmt，一般情况下的查询语句基本都是PlannedStmt。

对于像PREPARE st(int) as select * from t1之类utility语句，第一次调用ChoosePortalStrategy，返回PORTAL_MULTI_QUERY(命中PlannedStmt)，第二次调用返回PORTAL_ONE_SELECT(命中Query)。

根据Portal策略初始化Portal，最重要的是初始化tupDesc与Cursor postion。

例如："QUERY PLAN"、"t1_id、col1"就是tupDesc。

•不同tupleDesc函数区别

￮ExecTypeFromTL

▪with resjunk column

￮ExecCleanTypeFromTL

▪skip resjunk column

1.在执行Portal过程中发生异常，设置Portal的状态为PORTAL_FAILED；否则，下一步。

2.设置Portal状态为PORTAL_READY。

1.6 PortalRun

根据SQL的语句类型选择不同的执行路径，获取元组数据，完成Portal工作，运行完之后执行完毕，或者进行下一轮（READY，而非ACTIVE）。

Portal策略执行路径如下：

•PORTAL_ONE_SELECT

￮set result = Portal->atEnd

•PORTAL_ONE_RETURNING|PORTAL_ONE_MOD_WITH|PORTAL_UTIL_SELECT

￮填充holdStore(见下方)

￮调用PortalRunSelect返回n行数据

▪获取时数据方向包含前进/后退

▪可以从holdStore中获取，也可以从ExectorRun中获取

￮设置状态为PORTAL_READY

￮设置是否完成运行标记为Portal->atEnd

•PORTAL_MULTI_QUERY

￮调用PortalRunMulti

￮设置状态为PORTAL_Done

￮设置是否完成运行标记为true

此外，上述图中填充holdStore逻辑如下：

•调用PortalCreateHoldStore，填充portal->holdStore，然后通过工厂函数CreateDestReceiver构造DestReceiver(子类：TStoreState)；

•根据Portal策略执行查询：

PORTAL_ONE_RETURNING

PORTAL_ONE_MOD_WITH

这两个策略调用PortalRunMulti

PORTAL_UTIL_SELECT调用PortalRunUtility。

￮PORTAL_ONE_RETURNING

￮PORTAL_ONE_MOD_WITH

▪PortalRunMulti

•utilityStmt

￮PortalRunUtility

•not utilityStmt

￮ProcessQuery

￮PORTAL_UTIL_SELECT

▪PortalRunUtility

2.游标Cursor

2.1 打开游标

如果不想一次执行整个命令，可以设置一个封装该命令的游标（Cursor），然后每次读取几行命令结果。

SQL
name [ [ NO ] SCROLL ] CURSOR [ ( arguments ) ] FOR query;

例如：

SQL
DECLARE liahona SCROLL CURSOR FOR SELECT * FROM t1;

该命令运行机制为：

首先识别到是一个数据定义语句，便会调用ProcessUtility，随后解析从PlannedStmt中的utilityStmt识别出是一个T_DeclareCursorStmt节点，调用PerformCursorOpen执行Declare cursor命令。

PerformCursorOpen处理逻辑如下：

•query重写

•优化器优化，生成PlannedStmt

•创建Portal(名字为游标名)，仅调用PortalStart

2.2 关闭游标

关闭游标，实际就是关闭Portal，调用PerformPortalClose。

如下两个操作：

SQL
CLOSE cursor_name;
CLOSE ALL;

如果传入的名字为空，则是CLOSE ALL关闭所有非活跃Portal，否则，只关闭指定的Portal(Cursor)。

2.3 FETCH or MOVE

FETCH与MOVE语法分别如下：

SQL
FETCH [ direction { FROM | IN } ] cursor INTO target;
MOVE [ direction { FROM | IN } ] cursor;

FETCH从游标中检索n行到目标中，目标可以是一个行变量、记录变量、逗号分隔的普通变量列表，就像SELECT INTO一样，如果没有获取到数据，目标会设为NULL。

MOVE重新定位一个游标，而不需要检索任何数据，例如：一旦游标位置确定，则可以删除或更新行。

SQL
MOVE cursor_variable;
UPDATE table_name
SET column = value, ...
WHERE CURRENT OF cursor_variable;

从实现层面两者都会进入到PerformPortalFetch，都被解析为FetchStmt，内部有个成员ismove决定是MOVE还是FETCH。

不管是哪个，都会指定Cursor的名字，有了这个名字，便知道了Portal，随后调用PortalRunFetch来获取结果。

PortalRunFetch内部会像PortalRun运行一样，首先设置Portal状态为Active，随后根据策略选择不同的调用链。

•PORTAL_ONE_SELECT

￮调用DoPortalRunFetch

•PORTAL_ONE_RETURNING|PORTAL_ONE_MOD_WITH|PORTAL_UTIL_SELECT

￮首先判断portal内部是否有holdStore，如果没有会调用FillPortalStore，随后调用DoPortalRunFetch。

DoPortalRunFetch内部实现，会考虑传入的direction，决定是前向还是后向等不同方向的扫描，最后调用PortalRunSelect获取数据。注意：gpdb不支持backward scan，但是pg支持。

3.Portal内存管理

限制每个用户最大打开的Portal数量为16。

Plain Text
#define PORTALS_PER_USER 16

Portal内部封装了三个宏，分别是：

PortalHashTableLookup
PortalHashTableInsert
PortalHashTableDelete

下图左侧是这三个宏的功能，右边是对外核心接口。

结语：

Portal作为执行引擎最基础的部分，其核心功能包括策略选择、启动执行器、设置游标。根据不同的SQL语句类型，Portal会选择不同的执行路径完成数据的存取工作。

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