硬核！Apache Hudi Schema演变深度分析与应用

1.场景需求

在医疗场景下，涉及到的业务库有几十个，可能有上万张表要做实时入湖，其中还有某些库的表结构修改操作是通过业务人员在网页手工实现，自由度较高，导致整体上存在非常多的新增列，删除列，改列名的情况。由于Apache Hudi 0.9.0 版本到 0.11.0 版本之间只支持有限的schema变更，即新增列到尾部的情况，且用户对数据质量要求较高，导致了非常高的维护成本。每次删除列和改列名都需要重新导入，这种情况极不利于长期发展，所以需要一种能够以较低成本支持完整schema演变的方案。

2.社区现状

在 https://hudi.apache.org/docs/schema_evolution 中提到：schema演化允许用户轻松更改 Apache Hudi 表的当前 Schema，以适应随时间变化的数据。从 0.11.0 版本开始，已添加 Spark SQL（Spark 3.1.x、3.2.1 及更高版本）对 Schema 演化的 DDL 支持并处于试验阶段。

1. 可以添加、删除、修改和移动列（包括嵌套列）
2. 分区列不能进化
3. 不能对 Array 类型的嵌套列进行添加、删除或操作

为此我们针对该功能进行了相关测试和调研工作。

2.1 Schema演变的版本迭代

回顾Apache Hudi 对schema演变的支持随着版本迭代的变化如下：

版本	Schema演变支持	多引擎查询
*<0.9	无	无
0.9<*	在最后的根级别添加一个新的可为空列	是（全）
	向内部结构添加一个新的可为空列（最后）	是（全）
	添加具有默认值的新复杂类型字段（地图和数组）	是（全）
	添加自定义可为空的 Hudi 元列，例如_hoodie_meta_col	是（全）
	为根级别的字段改变数据类型从 int到long	是（全）
	将嵌套字段数据类型从int到long	是（全）
	将复杂类型（映射或数组的值）数据类型从int到long	是（全）
0.11<*	相比之前版本新增：改列名	spark以外的引擎不支持
	相比之前版本新增：删除列	spark以外的引擎不支持
	相比之前版本新增：移动列	spark以外的引擎不支持

Apache Hudi 0.11.0版本完整Schema演变支持的类型修改如下：

Source\Target	long	float	double	string	decimal	date	int
int	Y	Y	Y	Y	Y	N	Y
long	Y	N	Y	Y	Y	N	N
float	N	Y	Y	Y	Y	N	N
double	N	N	Y	Y	Y	N	N
decimal	N	N	N	Y	Y	N	N
string	N	N	N	Y	Y	Y	N
date	N	N	N	Y	N	Y	N

2.2 官网提供的方式

实践中0.9.0版本的新增列未发现问题，已在正式环境使用。每次写入前捕获是否存在新增列删除列的情况，新增列的情况及时补空数据和struct，新增列的数据及时写入Hudi中；删除列则数据补空，struct不变，删除列仍写入Hudi中；每天需要重导数据处理删除列和修改列的情况，有变化的表在Hive中的元数据也以天为单位重新注册。

0.11开始的方式，按照官网的步骤：

进入spark-sql

# Spark SQL for spark 3.1.x
spark-sql --packages org.apache.hudi:hudi-spark3.1.2-bundle_2.12:0.11.1 \
--conf 'spark.serializer=org.apache.spark.serializer.KryoSerializer' \
--conf 'spark.sql.extensions=org.apache.spark.sql.hudi.HoodieSparkSessionExtension'

# Spark SQL for spark 3.2.1 and above
spark-sql --packages org.apache.hudi:hudi-spark3-bundle_2.12:0.11.1 \
--conf 'spark.serializer=org.apache.spark.serializer.KryoSerializer' \
--conf 'spark.sql.extensions=org.apache.spark.sql.hudi.HoodieSparkSessionExtension' \
--conf 'spark.sql.catalog.spark_catalog=org.apache.spark.sql.hudi.catalog.HoodieCatalog'

设置参数，删列：

set hoodie.schema.on.read.enable=true;
---创建表---
create table test_schema_change (
  id string,
  f1 string,
  f2 string,
  ts bigint
) using hudi
tblproperties (
  type = 'mor',
  primaryKey = 'id',
  preCombineField = 'ts'
);
---1.新增列---
alter table test_schema_change add columns (f3 string);
---2.删除列---
alter table test_schema_change drop column f2;
---3.改列名---
alter table test_schema_change rename column f1 to f1_new;

2.3 其他方式

由于spark-sql的支持只在spark3.1之后支持，寻找并尝试了 BaseHoodieWriteClient.java 中存在名为 addColumn renameColumn deleteColumns 的几个方法，通过主动调用这些方法，也能达到schema完整变更的目的。使用这种方式需要将DDL的sql解析为对应的方法和参数，另外由于该方式测试和使用的例子还比较少，存在一些细节问题需要解决。

val hsec = new HoodieSparkEngineContext(spark.sparkContext);
val hoodieCfg = HoodieWriteConfig.newBuilder().forTable(tableName).withEmbeddedTimelineServerEnabled(true).withPath(basePath).build()
val client = new SparkRDDWriteClient(hsec, hoodieCfg)
//增加列
client.addColumn("f3",Schema.create(Schema.Type.STRING))
//删除列
client.deleteColumns("f1")
//改列名
client.renameColumn("f2","f2_c1")

4. 完整Schema变更的写入

4.1 核心实现

其中核心的类为 org.apache.hudi.internal.schema.InternalSchema ，出自HUDI-2429，通过记录包括顺序的完整列信息，并且每次变更都保存历史记录，而非之前的只关注最新 org.apache.avro.Schema。

• 添加列：对于按顺序添加列类型的添加操作，添加列信息附加到 InternalSchema 的末尾并分配新的 ID。ID 值 +1
• 改列名 ：直接更改 InternalSchema 中列对应的字段的名称、属性、类型ID
• 删除列：删除 InternalSchema 中列对应的字段

4.2 记录完整schema变更

4.2.1 spark-sql方式

spark-sql的方式只支持Spark3.1、Spark3.2，分析如下：

4.2.2 HoodieWriteClient API方式

此处以BaseHoodieWriteClient.java 中具体修改方法的实现逻辑，分析完整schema演变在写入过程的支持。

注意：在一次数据写入操作完成后的commit阶段，会根据条件判断，是否保存 InternalSchema，关键条件为参数 hoodie.schema.on.read.enable

主动修改列的操作前，需要先存在历史schema，否则会抛出异常 "cannot find schema for current table: ${basepath}"，因为metadata里不存在SerDeHelper.LATEST_SCHEMA（latest_schema）

4.3 时间轴示例

如图所示，每次提交生成一份历史的schema，位于${basePath}/.hoodie/.schema目录下。

其中20220824202636627.schemacommit 内容：

{
  "schemas": [
    {
      "max_column_id": 8,
      "version_id": 20220824202636627,
      "type": "record",
      "fields": [
        ...
        {
          "id": 5,
          "name": "id",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 6,
          "name": "f1",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 7,
          "name": "f2",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 8,
          "name": "ts",
          "optional": true,
          "type": "long"
        }
      ]
    }
  ]
}

期间新增了列f3后

20220824203337656.schemacommit 内容为：

{
  "schemas": [
    {
      "max_column_id": 9,
      "version_id": 20220824202940558,
      "type": "record",
      "fields": [
        ...
        {
          "id": 5,
          "name": "id",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 6,
          "name": "f1",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 7,
          "name": "f2",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 8,
          "name": "ts",
          "optional": true,
          "type": "long"
        },
        {
          "id": 9,
          "name": "f3",
          "optional": true,
          "type": "string"
        }
      ]
    },
    {
      "max_column_id": 8,
      "version_id": 20220824202636627,
      "type": "record",
      "fields": [
        ...
        {
          "id": 5,
          "name": "id",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 6,
          "name": "f1",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 7,
          "name": "f2",
          "optional": true,
          "type": "string"
        },
        {
          "id": 8,
          "name": "ts",
          "optional": true,
          "type": "long"
        }
      ]
    }
  ]
}

其中max_column_id 为列id最大值，version_id 为版本号，也为instantTime。

存在 latest_schema 的情况如下所示：

4.4 优化建议

主动调用 BaseHoodieWriteClient.java 类中相应方法的方式下，由于保存历史schema的逻辑上，a.打开该功能参数（hoodie.schema.on.read.enable） && b.存在历史schema的才能保存历史schema，在使用该功能之前或低于0.11版本的写入升级到该版本，已经正在更新的hudi表，无法使用该功能。建议把条件a为真，b为假的情况，根据当前schema直接生成历史schema

该处细节问题已经在HUDI-4276修复，0.12.0版本及以后不会有这个问题

hoodie.datasource.write.reconcile.schema 默认为false，如果要达到上述目的，改为true即可

5. 实现完整schema变更的查询

大体流程如下：

1.总体流程为某个查询进入dataSource中，选择具体的relacation，获取查询schema，获取scan

2.在scan中获取每个基础文件或日志的数据块对应的数据schema

3.在scan中获取数据schema后与查询schema进行merge，通过merge的schema来读取具体数据

5.1 获取数据schema

上图中流程 **a **大体流程如下：

5.1.1 基础文件获取流程

由于基础文件的命名方式和组织形式，基础文件的scan过程在HoodieParquetFileFormat中可以直接通过文件名获取InstantTime：

在用于读取和写入hudi表DefaultSource中，createRelation方法按照参数创建对应的BaseRelation扩展子类

HoodieBaseRelation#buildScan中调用 composeRDD 方法，该方法分别在子类BaseFileOnlyRelation，MergeOnReadSnapshotRelation，MergeOnReadIncrementalRelation 中实现，

以MergeOnReadSnapshotRelation 即mor表的快照读为例，在composeRDD 方法中调用父类createBaseFileReader的方法，其中val parquetReader = HoodieDataSourceHelper.buildHoodieParquetReader，以SparkAdapterSupport的createHoodieParquetFileFormat创建ParquetFileFormat，

SparkAdapterSupport的三个子类分别为Spark2Adapter，Spark3_1Adapter和Spark3_2Adapter，以Spark3_1Adapter实现的方法为例

创建Spark31HoodieParquetFileFormat，其中buildReaderWithPartitionValues方法中，会通过FSUtils.getCommitTime获取InstantTime

5.1.2 日志文件获取流程

log文件的文件名中的时间戳与提交 instantTime不一致，一个log文件对应多次时间轴 instantTime 提交。

日志文件的scan在AbstractHoodieLogRecordReader.java的的通过每个HoodieDataBlock的header中的 INSTANT_TIME 获取对应的 instantTime

以MergeOnReadSnapshotRelation为例，在composeRDD中创建HoodieMergeOnReadRDD

在HoodieMergeOnReadRDD的compute方法中使用的LogFileIterator类及其子类中使用HoodieMergeOnReadRDD的scanLog方法

scanLog中创建HoodieMergedLogRecordScanner，创建时执行performScan() -> 其父类AbstractHoodieLogRecordReader的scan(),

scan() -> scanInternal() -> processQueuedBlocksForInstant() 循环获取双端队列的logBlocks -> processDataBlock() -> getMergedSchema() 

在getMergedSchema方法中通过HoodieDataBlock的getLogBlockHeader().get(INSTANT_TIME)获取InstantTime

5.1.3 通过instantTime获取数据schema

根据InstantTime获取时间轴提交文件

如果能够获取，直接取其中extraMetadata中的latest_schema内容作为数据schema

如果不能获取，在获取最新的${basePath}/.hoodie/.schema/下的具体文件后，通过文件内容搜索具体 InternalSchema找到最新的history

如果有InstantTime对应的versino_id，直接获取

如果没有InstantTime对应的versino_id，说明那次写入无变化，从那次写入前的最新一次获取

5.2 合并查询schema与数据schema

5.2.1 merge方法解析

• 输入数据schema和查询schema，和几个布尔属性，获得InternalSchemaMerger对象

• 递归调用mergeType方法处理查询schema，首先进入RECORD，遍历每个列，mergeType方法处理

  • 略过复杂类型

  • 基本类型中会进入buildPrimitiveType方法

  • 根据输入的id获取数据schena的Type，如果没有，就返回输入的Type

• 将返回的Type加入名为 newTypes的Type列表，把newTypes和查询schema的字段列表的输入buildRecordType方法

• 遍历查询schema的列，并用id和name获取数据schema的列

  • 如果id和name都一致，为改列类型，使用数据schema的类型

  • 如果id相同，name不同，改列名，使用数据schema的名字

  • 如果id不同，name相同，先删后加，加后缀保证读不到文件内容

  • 如果id不同，name不同，后来新增列

• 组装返回merge后的schema

5.2.2 merge示例

如下所示：

其中id为唯一标志性，

id=0的query里改名为f1v1，merge后为f1，

id=1的query里删除，merge里也没有，

id=2的query里为long型，files里为int型，merge里为long型

id=3的query里新增，返回query的字段

id=4的query里name为f1，对应file里的name为f1的id为0，所以merge里id为4，name为 ("f1"+"suffix")

6. 各种引擎的支持

6.1 Spark测试结果

测试的Spark版本 > spark3.1且 hoodie.schema.on.read.enable=true

完全支持

否则测试结果如下：

操作类型	是否支持	原因
新增列	是	按列名查询，没有的列返回null
删除列	是	按列名查询，原有的列跳过
改列名	否	按列名查询不到old_field值，能查询到new_field的值

6.2 Hive遇到的问题

Hive查询MOR的rt表有些问题，此处不再细述，此处修改列操作后都同步Hive元数据

操作类型	是否支持	原因
新增列	是	按列名查询基础文件，文件没有的列返回null
删除列	是	按列名查询基础文件，文件原有列跳过
改列名	否	按列名查询不到old_field值，能查询到new_field的值

由于hive的查询依据的是hive metastore中的唯一版本的元数据，数据修改列后还需要同步到hive后才能查询到表的变更，该过程只读取时间轴中最新提交的schema，且查询使用的类 org.apache.hudi.hadoop.HoodieParquetInputFormat 中并不存在针对schema完整变更做出的改动，所以测试结果与 spark2.* 或hoodie.schema.on.read.enable=false 的情况相当。

重命名列的情况下，查询不到改名后的列名对应的数据。需要所有文件组都在改列名后产生新的基础文件后，数据才准确。

6.3 Presto遇到的问题

由于Presto同样使用hive的元数据，330的presto遇到的问题和hive遇到的问题一致，查询rt表仍为查询ro表

trino-360 和 presto275 使用某个patch支持查询rt表后，查询ro表问题如下：

操作类型	是否支持	原因
新增列	否	按顺序查询基础文件，导致串列，新增列在ts列之前可能抛出异常
删除列	否	按顺序查询基础文件，导致串列，因为ts类型很可能抛出异常
改列名	是	按顺序查询基础文件，名字不同，顺序相同

出现串列异常，除非所有文件组的最新基础文件都是修改列操作之后产生的，才能准确。

原因大致为：这些版本中查询hudi表，读取parquet文件中数据时按顺序和查询schema对应，而非使用parquet文件自身携带的schema去对应

查询rt表如下：

操作类型	是否支持	原因
新增列	是	按列名查询基础文件和日志文件，文件没有的列返回null
删除列	是	按列名查询基础文件和日志文件，文件原有列跳过
改列名	否	按列名查询不到old_field值，能查询到new_field的值

可见查询rt表仍按parquet文件的schema对应，所以没有上述串列问题，等效于 spark2.* 或hoodie.schema.on.read.enable=false 的情况

7. 总结与展望

目前该方案在Spark引擎上支持完整schema演变， 降低生产环境下上游字段变更的处理成本。但该方案还比较粗糙，后续有以下方面可以继续改进

• 多引擎支持： 支持所有引擎的查询比如Hive，Presto，Trino等
• 降低小文件影响：由于历史schema的写入逻辑，如果打开这个功能，一次数据写入，时间轴/.hoodie目录下除了原本要产生的文件外，还要产生/.hoodie/.schema下的3个文件，建议把/.hoodie/.schema下内容写入元数据表中
• 现有表的schema变更提取：4.4中的建议忽略了未打开该功能前的现存表的历史变更（忽略后问题不大）。