【PostgreSQL内核学习（二十九）—— 执行器（ExecProcNode）】

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本文主要参考了 postgresql-10.1 的开源代码和《OpenGauss数据库源码解析》和《PostgresSQL数据库内核分析》一书

概述

  在文章【PostgreSQL内核学习（二十二）—— 执行器（ExecutePlan）】中详细介绍了 PostgreSQL 数据库中 ExecutePlan 函数的原理和实现细节，强调了它在数据库查询执行机制中的核心作用。文章分析了 ExecutePlan 函数的执行流程，包括初始化变量、处理并行执行模式、循环执行查询计划节点直到满足退出条件等步骤。此外，还介绍了 ExecProcNode 函数的作用，即执行给定计划节点并返回元组。
  本文将深入了解 ExecProcNode 的原理和实现细节，ExecProcNode 函数是 ExecutePlan 函数流程中的关键部分，负责实际执行查询计划树中的各个节点并返回结果元组。ExecutePlan 通过循环调用 ExecProcNode，处理查询计划中的每一个节点，直到获取到空元组，表示没有更多的数据需要处理，或者达到了预定的元组处理数量。简而言之，ExecProcNode 是连接执行器逻辑与具体计划节点执行结果的桥梁。

ExecProcNode 函数

  下面是 ExecProcNode 函数的定义，其作用是执行给定的查询计划节点并返回一个新的元组。如果节点的 chgParam 非空，表示有些参数改变了，这时会先调用 ExecReScan 函数来处理这些变化。然后，通过调用节点自身的 ExecProcNode 方法来执行节点并获取元组。这个过程是 PostgreSQL 执行计划操作的核心，它确保了在查询执行过程中，每个节点根据当前的状态和数据动态地生成结果。函数源码如下所示：（路径：postgresql-10.1\src\include\executor\executor.h）

/* ----------------------------------------------------------------
 *		ExecProcNode
 *
 *		Execute the given node to return a(nother) tuple.
 * ----------------------------------------------------------------
 */
#ifndef FRONTEND
static inline TupleTableSlot *
ExecProcNode(PlanState *node) // 执行给定的查询计划节点，返回一个元组。
{
	if (node->chgParam != NULL) /* something changed? */
		ExecReScan(node);		/* 如果节点的参数有变化，重新扫描节点以应对这些变化。*/

	return node->ExecProcNode(node); // 调用节点自身的ExecProcNode方法执行该节点，并返回结果元组。
}
#endif

  在 PostgreSQL 中，node->ExecProcNode 通过函数指针指向具体的执行函数。当一个 PlanState 结构体被初始化时，根据不同的节点类型（如 SeqScan、Join 等），ExecProcNode 指针会被设置为指向相应节点特定的执行函数。这样，当调用 node->ExecProcNode(node); 时，实际上是调用了与节点类型相匹配的具体执行函数。这种设计允许多态行为，即同一接口可以根据不同的节点类型执行不同的操作，从而实现了查询计划的灵活执行。

ExecProcNodeFirst 函数

  ExecProcNodeFirst 函数是 ExecProcNode 的一个封装器，用于在第一次调用具体节点的执行函数之前执行一些一次性的检查。这包括执行栈深度检查，以确保不会因为递归调用或深层嵌套查询而超出系统栈空间。此外，如果需要，它还会将节点的执行函数指针从 ExecProcNode 更改为 ExecProcNodeInstr，用于收集执行过程中的性能数据。如果不需要性能数据收集，它会直接将执行函数指针指向实际的执行函数 ExecProcNodeReal。这样，ExecProcNodeFirst 确保在查询执行过程中，相关的性能检查和调整只在第一次执行时发生，优化了之后的执行效率。函数源码如下所示：（路径：postgresql-10.1\src\backend\executor\execProcnode.c）

static TupleTableSlot *ExecProcNodeFirst(PlanState *node)
{
    // 在节点第一次执行前，执行栈深度检查。因为在某些架构上（如x86），这并不是一个低成本的操作。
    // 这个假设是基于ExecProcNode对给定计划节点的调用总是在大致相同的栈深度上进行。
    check_stack_depth();

    // 如果需要收集执行信息（instrumentation），则将执行函数指针改为ExecProcNodeInstr，只做性能收集。
    // 否则，我们可以去掉所有的封装器，并直接从现在开始让ExecProcNode()调用相应的函数。
    if (node->instrument)
        node->ExecProcNode = ExecProcNodeInstr;
    else
        node->ExecProcNode = node->ExecProcNodeReal;

    // 调用当前节点设置的执行函数，返回处理的元组。
    return node->ExecProcNode(node);
}

PlanState 结构体

  其中，PlanState 结构体是 PostgreSQL 查询执行计划中各种节点共享的基础数据结构。在 PostgreSQL 的执行引擎中，查询计划被编译成一个由多种类型的节点组成的树结构，每个节点类型都有自己特定的作用，如处理数据连接、过滤、聚合等操作。PlanState结构体作为所有具体节点类型（如 SeqScanState、JoinState 等）的公共基础，包含了执行查询计划时所需的公共状态信息和控制逻辑。结构体源码如下所示：（路径：postgresql-10.1\src\include\nodes\execnodes.h）

typedef struct PlanState
{
    NodeTag     type; // 节点类型标识符，用于区分不同的计划节点类型

    Plan        *plan;            /* 与此状态关联的Plan节点 */

    EState      *state;           /* 执行时，各个节点的状态指向整个顶层计划的一个EState实例 */

    ExecProcNodeMtd ExecProcNode; /* 函数指针，用于返回下一个结果元组 */
    ExecProcNodeMtd ExecProcNodeReal; /* 实际的函数，如果ExecProcNode是一个包装函数的话 */

    Instrumentation *instrument;  /* 可选的，为此节点提供运行时统计信息 */
    WorkerInstrumentation *worker_instrument; /* 每个工作器的性能监测数据 */

    /*
     * 所有Plan类型的公共结构数据。这些到子状态树的链接在相关的计划树中也有对应的链接
     * （除了subPlan列表，在计划树中不存在）
     */
    ExprState  *qual;           /* 布尔条件表达式 */
    struct PlanState *lefttree; /* 输入计划树（可能有多个） */
    struct PlanState *righttree;
    List       *initPlan;       /* 初始化的SubPlanState节点（非相关表达式子选择） */
    List       *subPlan;        /* 表达式中的SubPlanState节点 */

    /*
     * 管理参数变化驱动的重新扫描的状态
     */
    Bitmapset  *chgParam;       /* 已变更参数的ID集合 */

    /*
     * 大多数节点类型所需的其他运行时状态
     */
    TupleTableSlot *ps_ResultTupleSlot; /* 结果元组的槽 */
    ExprContext *ps_ExprContext;    /* 节点的表达式评估上下文 */
    ProjectionInfo *ps_ProjInfo;    /* 进行元组投影的信息 */
} PlanState;

  其中，ExecProcNodeMtd 是 PostgreSQL 查询执行框架中的一个关键组成部分。这个类型的函数指针用于指向实现了特定逻辑的函数，这些函数负责从执行计划的某个节点中获取下一个元组（tuple）。如果没有更多的元组可供获取，这些函数将返回 NULL 或一个空的 TupleTableSlot。这个定义允许不同类型的执行节点（如顺序扫描、连接操作等）实现各自的元组获取逻辑，而这些逻辑可以通过相同的接口被执行器调用。

/* 定义一个函数指针类型ExecProcNodeMtd */
typedef TupleTableSlot *(*ExecProcNodeMtd) (struct PlanState *pstate);

• TupleTableSlot *(*ExecProcNodeMtd) (struct PlanState *pstate);：这是一个函数指针的定义，它指向的函数接受一个指向 PlanState 结构体的指针作为参数，返回一个指向 TupleTableSlot 的指针。这里的 PlanState 代表查询执行树中的一个节点的状态，而 TupleTableSlot 是用于存储和传递元组的数据结构。
• struct PlanState *pstate：函数的参数是一个指向 PlanState 结构的指针，表示当前执行节点的状态。PlanState 包含了执行该节点所需要的所有上下文信息，如节点的执行计划、子节点的状态、当前节点产生的结果等。
• TupleTableSlot *：函数的返回类型是一个指向 TupleTableSlo t的指针。TupleTableSlot 是 PostgreSQL 中用于表示一个元组（数据库行）的结构，可以看作是查询结果的一个容器。如果函数返回一个非空的 TupleTableSlot，则表示获取到了一个元组；如果返回 NULL 或一个空的 TupleTableSlot，则表示没有更多的元组可供处理。