Rust数据处理库DataFusion与Substrait集成：datafusion-substrait实现高性能查询计划的跨平台序列化与执行

介绍

DataFusion是Rust生态中一个高性能的查询执行框架，而Substrait是一个跨平台的查询计划序列化标准。datafusion-substrait库将这两者结合起来，实现了：

1. 将DataFusion的查询计划序列化为Substrait格式
2. 将Substrait格式的查询计划反序列化为DataFusion可执行的计划
3. 实现跨平台查询计划的交换与执行

这种集成使得DataFusion可以与其他支持Substrait的系统(如Apache Arrow、DuckDB等)无缝交换查询计划，极大提高了系统的互操作性。

使用方法

添加依赖

首先在Cargo.toml中添加依赖：

[dependencies]
datafusion = "25.0"  # 或其他最新版本
datafusion-substrait = "0.1"  # 或其他最新版本

基本使用示例

1. 将DataFusion逻辑计划序列化为Substrait

use datafusion::prelude::*;
use datafusion_substrait::logical_plan::consumer::from_substrait_plan;
use datafusion_substrait::logical_plan::producer::to_substrait_plan;

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 创建DataFusion上下文
    let ctx = SessionContext::new();
    
    // 注册数据源
    ctx.register_csv("example", "path/to/file.csv", CsvReadOptions::default()).await?;
    
    // 创建逻辑计划
    let df = ctx.sql("SELECT a, b FROM example WHERE c > 10").await?;
    let plan = df.logical_plan();
    
    // 序列化为Substrait
    let mut buf = Vec::new();
    to_substrait_plan(&mut buf, plan)?;
    
    // buf现在包含Substrait格式的查询计划
    println!("Serialized Substrait plan size: {} bytes", buf.len());
    
    Ok(())
}

2. 从Substrait反序列化为DataFusion计划

use datafusion::prelude::*;
use datafusion_substrait::logical_plan::consumer::from_substrait_plan;
use datafusion_substrait::logical_plan::producer::to_substrait_plan;

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // 假设我们有一个Substrait格式的查询计划
    let substrait_plan: &[u8] = /* 从文件或网络获取的Substrait数据 */;
    
    // 创建DataFusion上下文
    let ctx = SessionContext::new();
    
    // 注册数据源(必须与Substrait计划中引用的数据源匹配)
    ctx.register_csv("example", "path/to/file.csv", CsvReadOptions::default()).await?;
    
    // 反序列化Substrait计划
    let plan = from_substrait_plan(&ctx, substrait_plan).await?;
    
    // 执行计划
    let df = DataFrame::new(ctx.state(), plan);
    let results = df.collect().await?;
    
    // 处理结果...
    
    Ok(())
}

高级功能

跨平台查询计划交换

// 假设我们从一个Python系统接收了Substrait计划
let python_generated_plan: &[u8] = receive_from_python();

// 在Rust中执行
let ctx = SessionContext::new();
ctx.register_parquet("sales", "path/to/sales.parquet", Default::default()).await?;

let plan = from_substrait_plan(&ctx, python_generated_plan).await?;
let df = DataFrame::new(ctx.state(), plan);
let results = df.collect().await?;

查询计划持久化

use std::fs::File;
use std::io::Write;

// 序列化并保存查询计划
let plan = ctx.sql("SELECT * FROM large_table WHERE value > 100").await?.logical_plan();
let mut buf = Vec::new();
to_substrait_plan(&mut buf, &plan)?;

let mut file = File::create("complex_query.substrait")?;
file.write_all(&buf)?;

// 之后可以重新加载并执行
let mut file = File::open("complex_query.substrait")?;
let mut buf = Vec::new();
file.read_to_end(&mut buf)?;

let reloaded_plan = from_substrait_plan(&ctx, &buf).await?;

完整示例代码

下面是一个完整的示例，展示如何使用datafusion-substrait进行查询计划的序列化和反序列化：

use datafusion::prelude::*;
use datafusion_substrait::logical_plan::consumer::from_substrait_plan;
use datafusion_substrait::logical_plan::producer::to_substrait_plan;
use std::fs::File;
use std::io::Write;
use std::io::Read;

#[tokio::main]
async fn main() -> Result<(), Box<dyn std::error::Error>> {
    // =============== 第一部分：序列化DataFusion计划到Substrait ===============
    println!("=== 开始序列化DataFusion计划到Substrait ===");
    
    // 创建DataFusion上下文
    let ctx = SessionContext::new();
    
    // 注册CSV数据源
    ctx.register_csv(
        "sales", 
        "examples/data/sales.csv", 
        CsvReadOptions::default()
    ).await?;
    
    // 创建逻辑计划
    let df = ctx.sql(
        "SELECT region, SUM(amount) as total_sales 
         FROM sales 
         WHERE amount > 100 
         GROUP BY region"
    ).await?;
    
    let plan = df.logical_plan();
    
    // 序列化为Substrait格式
    let mut substrait_data = Vec::new();
    to_substrait_plan(&mut substrait_data, plan)?;
    println!("成功序列化计划，大小: {}字节", substrait_data.len());
    
    // 保存到文件
    let mut file = File::create("sales_query.substrait")?;
    file.write_all(&substrait_data)?;
    println!("已保存Substrait计划到文件: sales_query.substrait");
    
    // =============== 第二部分：从Substrait反序列化为DataFusion计划 ===============
    println!("\n=== 开始从Substrait反序列化为DataFusion计划 ===");
    
    // 读取保存的Substrait计划
    let mut file = File::open("sales_query.substrait")?;
    let mut substrait_data = Vec::new();
    file.read_to_end(&mut substrait_data)?;
    
    // 创建新的上下文（模拟不同会话）
    let new_ctx = SessionContext::new();
    
    // 必须注册相同的表
    new_ctx.register_csv(
        "sales", 
        "examples/data/sales.csv", 
        CsvReadOptions::default()
    ).await?;
    
    // 反序列化
    let plan = from_substrait_plan(&new_ctx, &substrait_data).await?;
    println!("成功反序列化Substrait计划");
    
    // 执行查询
    let df = DataFrame::new(new_ctx.state(), plan);
    let results = df.collect().await?;
    
    // 打印结果
    println!("\n查询结果:");
    for batch in results {
        println!("{:?}", batch);
    }
    
    Ok(())
}

注意事项

1. 确保DataFusion和datafusion-substrait版本兼容
2. 序列化和反序列化时，所有引用的表和数据源必须已注册
3. 某些高级DataFusion特性可能不完全支持Substrait序列化
4. 性能考虑：对于非常复杂的查询计划，序列化/反序列化可能成为瓶颈

总结

datafusion-substrait为DataFusion提供了强大的跨平台查询计划交换能力，使得Rust数据处理系统可以更好地与其他数据生态系统集成。通过标准化的Substrait格式，查询计划可以在不同系统间自由流动，同时保持高性能执行。