ClickHouse源码笔记3:函数调用的向量化实现

分享一下笔者研读ClickHouse源码时分析函数调用的实现，重点在于分析Clickhouse查询层实现的接口，以及Clickhouse是如何利用这些接口更好的实现向量化的。本文的源码分析基于ClickHouse v19.16.2.2的版本。

1.举个栗子

下面是一个简单的SQL语句
SELECT a, abs(b) FROM test

这里调用一个abs的函数，我们先打开ClickHouse的Debug日志看一下执行计划。(当前ClickHouse不支持使用Explain语句来查看执行计划，这个确实是很蛋疼的~~）

这里分为了3个流

• ExpressionBlockInputStream: 最顶层的Expression，实现了Projection，这个和我们今天主题无关，本质上就是实现一个简单列的改名操作。比如 select a as aaa from test这里将列名从a改为aaa.
• ExpressionBlockInputStream: 第二个ExpressionBlockInputStream就是我们关注的重点的，后面的章节会详细的剖析它。它主要完成了下面两件事情
  • 1. 对b列执行函数abs，生成新的一列数据abs(b)
  • 2. remove column b, 将 b列删除。新的Block为a, abs(b)
• TinyLogBlockInputStream: 存储引擎的读取流，这里标识了底层表的存储引擎为append only的TinyLog。

从上面的执行计划可以看出，Clickhouse的表达式计算是由ExpressionBlockInputStream来完成的，而这个类是一个很强大的类，可以实现：Projection, Join, Apply_Function, Add Column, Remove Column等。

2. 实现流程的梳理

• ExpressionBlockInputSteam readImpl()的实现
  直接上代码，看一下ExpressionBlockInputStream的读取方法的实现

Block ExpressionBlockInputStream::readImpl()
{
    Block res = children.back()->read();
    if (res)
        expression->execute(res);
    return res;
}

这里的实现很简单，就是不停从底层的流读取数据Block，Block可以理解为Doris之中的Batch，相当一组数据，然后在Block之上执行表达式计算，之后返回给上节点。所以这里的重点就在于表达式计算的实现类ExpressionActions的指针expression，它封装了一组表达式的Action，在Block上依次执行这些Action。

• Action excute的实现
  Action支持多种操作，包含了：

enum Type {
        ADD_COLUMN,
        REMOVE_COLUMN,
        COPY_COLUMN,

        APPLY_FUNCTION,
        ARRAY_JOIN,
        JOIN,

        PROJECT,
        ADD_ALIASES,
    };

这里我们重点关注的是函数执行的实现，可以直接定位到APPLY_FUNCTION的代码：

case APPLY_FUNCTION:
        {
            1. 从Block之中筛选出对应的参数数组
            ColumnNumbers arguments(argument_names.size());
            for (size_t i = 0; i < argument_names.size(); ++i)
            {
                arguments[i] = block.getPositionByName(argument_names[i]);
            }
            
            2.新建一个结果的列，对应函数的结果会写入结果列，把结果列写入的Block之中
            size_t num_columns_without_result = block.columns();
            block.insert({ nullptr, result_type, result_name});
            
            3.调用对应的函数指针，执行函数调用
            function->execute(block, arguments, num_columns_without_result, input_rows_count, dry_run);

这里我保留一部分关键的执行路径代码，并添加了对应的中文注释。
选出了函数执行的参数，并添加了新的一个空列用于存储函数abs(b)的最终结果，新的列的偏移量就是num_columns_without_result指定的。

接下来这里我们这里重点关注Function的execute接口的参数就可以了：

• block：实际存储的数据
• arguments：列的参数偏移量
• num_columns_without_result：函数计算结果的写入列
• input_rows_count: block之中的数据行数

这里本质上是调用了接口IFunction的接口，它的子类需要实现对应的excuteImpl的方法：

class IFunction : public std::enable_shared_from_this<IFunction>,
                  public FunctionBuilderImpl, public IFunctionBase, public PreparedFunctionImpl
{
public:
    /// TODO: make const
    void executeImpl(Block & block, const ColumnNumbers & arguments, size_t result, size_t input_rows_count) override = 0;

而最终的实现是IFunction的子类：FunctionUnaryArithmetic实现了该方法，该方法的核心代码如下：

                if (auto col = checkAndGetColumn<ColumnVector<T0>>(block.getByPosition(arguments[0]).column.get()))
                {
                    auto col_res = ColumnVector<typename Op<T0>::ResultType>::create();
                    auto & vec_res = col_res->getData();
                    vec_res.resize(col->getData().size());
                    UnaryOperationImpl<T0, Op<T0>>::vector(col->getData(), vec_res);
                    block.getByPosition(result).column = std::move(col_res);
                    return true;
                }

这里最为核心的是，将arguments的列作为参数列取出为变量col, 而col_res创建了个新的列，存放result的结果。这里最重要的方法就是
UnaryOperationImpl<T0, Op<T0>>::vector，从名字上也能看出，它实现了函数的向量化计算，我们继续看这部分代码：

    static void NO_INLINE vector(const ArrayA & a, ArrayC & c)
    {
        size_t size = a.size();
        for (size_t i = 0; i < size; ++i)
            c[i] = Op::apply(a[i]);
    }

显然，这就是一个完美的向量化优化代码，没有任何if, switch, break的分支跳转语句，for循环的长度也是已知的。这里的Op::apply就是咱们调用的AbsImpl::apply函数的实现：

template <typename A>
struct AbsImpl
{
    static inline NO_SANITIZE_UNDEFINED ResultType apply(A a)
    {
        if constexpr (IsDecimalNumber<A>)
            return a < 0 ? A(-a) : a;
        else if constexpr (std::is_integral_v<A> && std::is_signed_v<A>)
            return a < 0 ? static_cast<ResultType>(~a) + 1 : a;
        else if constexpr (std::is_integral_v<A> && std::is_unsigned_v<A>)
            return static_cast<ResultType>(a);
        else if constexpr (std::is_floating_point_v<A>)
            return static_cast<ResultType>(std::abs(a));
    }

走的这里，相当于走完了整个函数调用的流程。而其他多参数的函数的实现也是大同小异，如：

struct BinaryOperationImplBase
{
    using ResultType = ResultType_;

    static void NO_INLINE vector_vector(const PaddedPODArray<A> & a, const PaddedPODArray<B> & b, PaddedPODArray<ResultType> & c)
    {
        size_t size = a.size();
        for (size_t i = 0; i < size; ++i)
            c[i] = Op::template apply<ResultType>(a[i], b[i]);
    }

而执行完成abs(b)函数之后，b列就没有用处了，Clickhouse会调用另一个Action：REMOVE_COLUM在Block之中删除b列，这样就得到了我们所需要的两个列a, abs(b)组成的新的Block。

3.要点梳理

第二小节梳理完成了一整个函数调用的流程，这里重点梳理一下实现向量化函数调要点：

1. ClickHouse的计算是纯粹函数式编程式的计算，不会改变原先的列状态，而是产生一组新的列。
2. 各个函数的实现需要继承IFunction的接口，实现execute 的方法，该方法基于Block进行执行。
3. 最终继承IFunction接口的实现类都需要override的execute方法，并真正实现对应的函数vectoer的调用，这里Clickhouse确保了For循环的长度是已知的，同时没有对应跳转语句，确保了编译器进行向量化优化时有足够的亲和度。(这里可以打开gcc的编译flag:-fopt-info-vec或者clang的编译选项：-Rpass=loop-vectorize来查看实际源代码的向量化情况)

4. 小结

好了，到这里也就把ClickHouse函数调用的代码梳理完了。
除了abs函数外，其他的函数的执行也是同样通过类似的方式依次来实现和处理的，源码阅读的步骤也可以参照笔者的分析流程来参考。
笔者是一个ClickHouse的初学者，对ClickHouse有兴趣的同学，欢迎多多指教，交流。

5. 参考资料

官方文档
ClickHouse源代码