ClickHouse/utils/db-generator

Анализ запроса в Clickhouse

В данной работе мы будем рассматривать только select запросы, то есть те запросы, которые из таблицы достают данные. Встроенный парсер Clickhouse принимает на вход строку, которая является запросом. В select запросе выделяется 14 основных частей: WITH, SELECT, TABLES, PREWHERE, WHERE, GROUP_BY, HAVING, ORDER_BY, LIMIT_BY_OFFSET, LIMIT_BY_LENGTH, LIMIT_BY, LIMIT_OFFSET, LIMIT_LENGTH, SETTINGS. Мы будем рассматривать части SELECT, TABLES, WHERE, GROUP_BY, HAVING, ORDER_BY так как именно в них находятся основные данные, нужные нам для анализа структуры и выявления значений. После анализа запроса парсер выдает нам древовидную структуру, где каждая вершина является определенной операцией выполнения запроса, функцией над значениями, константой, обозначением и тому подобное. Вершины также имеют свои поддеревья, в которых находятся их аргументы или подоперации. Обходя данное дерево мы будем пытаться выявить необходимые нам данные.

Анализ схемы

По запросу необходимо определить возможные таблицы. Имея строку запроса можно понять, какие его части обозначают названия таблиц, таким образом можно определить их количество в нашей базе данных. В парсере Clickhouse поддеревом запроса, отвечающее за таблицы из которых мы берем данные, является TABLES (Рисунок 1), в нем лежит основная таблица, из которой берутся колонки, а также операции JOIN, которые совершаются в запросе. Обходя все вершины в поддереве мы берем названия таблиц и баз данных в которых они лежат, а также их алиас, то есть укороченные названия, выбранные автором запроса. Эти названия могут понадобиться нам для определения принадлежности колонки в дальнейшем. Таким образом для запроса мы получаем набор баз данных, а также таблиц и их условных обозначений (алиасов), по которым делается запрос.

Затем нам необходимо определить множество столбцов, которые присутствуют в запросе и таблицы, к которым они могут относиться. Во время исполнения запроса уже известно множество столбцов в каждой таблице, поэтому при исполнении программа автоматически связывает столбец и таблицу, однако в нашем случае нельзя однозначно трактовать принадлежность столбца к определенной таблице, например в следующем запросе: “SELECT column1, column2, column3 FROM table1 JOIN table2 on table1.column2 = table2.column3 ”. Здесь мы однозначно можем сказать, к какой таблице относятся колонки column2 и column3, однако column1 может принадлежать как первой, так и второй таблице. Для однозначности трактовки таких случаев, мы будем относить данную неопределенные колонки к основной таблице, по которой делается запрос, например в данном случае это будет таблица table1. Все столбцы в дереве лежат в вершинах типа IDENTIFIER, которые находятся в поддеревьях SELECT, TABLES, WHERE, GROUP_BY, HAVING, ORDER_BY. Рекурсивно обходя поддеревья мы формируем множество всех таблиц, затем мы разделяем колонку на составляющие: таблица (если она явно указана через точку) и само название, затем, так как таблица может являться алиасом, мы заменяем алиас на оригинальное название таблицы. Теперь у нас есть список всех столбцов и таблиц, к которым они относятся, для столбцов без таблиц определяем основную таблицу запроса.

Анализ столбцов

Продолжением является точное определение типов данных для столбцов, у которых в запросе присутствует значение. Примером являются логические условие WHERE, в котором у определенного набора атрибутов проверяется логическое выражение. Если в запросе указано column > 5, то можно сделать вывод, что в данном столбце содержится численное значение, либо если на атрибут применяется выражение LIKE, то атрибут представляет собой строковый тип. В данной части необходимо научится вычленять из запроса все таки выражения и сопоставлять типы данных для тех столбцов, для которых это возможно сделать. При этом, понятно, что из присутствующих значений не всегда можно сделать однозначное решение о типе конкретного атрибута, например column > 5 может означать множество численных типов таких как UINT8, UINT32, INT32, INT64 и тому подобных. Здесь нужно определиться с трактовкой определенных значений, так как перебор всех возможных может быть достаточно большим, а поэтому занимать продолжительное время. Для числовых значений было решено использовать INT64(целочисленный тип 64 битности) для целочисленных значений и FLOAT64(число с плавающей точкой 64 битности) для нецелых значений. Также используются типы STRING для строковых значений, DATE для дат, DATETIME для времени. Стоит заметить, что существует еще тип ARRAY, который является оберткой над предыдущими типами и представлять собой массив из значений определенного типа. Определить значения столбцов мы можем используя логический, арифметические и другие функции над значениями столбцов, которые указаны в запросе. Такие функции лежат в поддеревьях SELECT и WHERE. Параметром функции может быть константа, колонка либо другая функция (Рисунок 2). Таким образом для понимания типа колонки могут помочь следующие параметры: 1) Типы аргументов, которые может принимать функция, например функция TOSTARTOFMINUTE(округляет время до кратного 5 минутам вниз) может принимать только DATETIME, таким образом если аргументом данной функции является колонка, то данная колонка имеет тип DATETIME. 2) типы остальных аргументов в данной функции, например функция EQUALS(равенство), она подразумевает собой равенство типов ее аргументов, таким образом если в данной функции присутствует константа и столбец, то мы можем определить тип столбца как тип константы.

Таким образом, для каждой функции мы определяем возможные типы аргументов, тип возвращаемого значения, а также параметр, являются ли аргументы функции одинакового типа. Рекурсивный обработчик функций будет определять возможные типы столбцов использующихся в данных функциях по значениям аргументов и возвращать возможные типы результата выполнения функции. Теперь для каждого столбца мы имеем множество возможных типов его значений. Для однозначной трактовки запроса мы выберем один конкретный тип из этого множества.

Определение значений столбцов

На этом этапе мы уже имеем определенную структуру таблиц базы данных, нам необходимо заполнить эту таблицу значениям. Нам необходимо понять, какие столбцы зависят друг от друга при исполнении функции (например по двум столбцами делается join, значит они должны иметь одинаковые значения), а также какие значения должны принимать столбцы, чтобы выполнялись различные условия при исполнении. Для достижения цели ищем все операции сравнения в нашем запросе, если аргументами операции являются два столбца, то мы считаем их связанными, если аргументами являются столбец и значение, то присваиваем данное значение возможным значением данного столбца, а также добавляем данное значение + определенный шум. Для числового типа шумом является случайное число, для даты - случайное количество дней и т.п. При этом для каждой операции сравнения необходим свой обработчик этой операции, который генерирует хотя бы два значения, одно из которых условие операции, а другое нет. Например, для операции column1 > 5, column1 должно присваиваться значение большее 5 и меньшее, либо равное 5, аналогично для операции “column2 LIKE some%string”, столбцу column2 должно присваиваться значение удовлетворяющее выражение, а также не удовлетворяющее. Теперь для некоторых колонок мы имеем множество связанных с ними колонок и множество значений. Мы знаем, что связность колонок симметрична, но для полноценного определения связности колонок нам необходимо добавить транзитивность, т.к если “column1 = column2” и “column2 = column3”, то “column1 = column3”, но это не вытекает из построения. Соответственно нам необходимо распространить связность по всем колонкам. Затем мы для каждой колонки объединяем множество ее значений со значениями всех связанных с ней. Теперь если у нас остались колонки без значений, мы просто генерируем случайные значения.

Генерация записей

Теперь у нас есть полноценной представление схемы базы данных, а также множество значений каждой таблицы. Мы будем генерировать данные посредством декартова произведения множества значений каждого столбца для определенной таблицы. Таким образом мы получаем для каждой таблицы множество, состоящее из множеств значений каждого столбца. По этим данным мы начинаем генерировать запросы, создающие данную таблицу и заполняет ее данными. По структуре таблицы и типам ее столбцов мы генерируем CREATE QUERY, которая создает данную таблицу. Затем по множеству значений мы генерируем INSERT QUERY, которая заполняет данную таблицу данными.