SparkSQL简介

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发布时间：2019-06-14

本文共 16046 字，大约阅读时间需要 53 分钟。

1、SparkSQL的发展历程

1.1 Hive and Shark

SparkSQL的前身是Shark，给熟悉RDBMS但又不理解MapReduce的技术人员提供快速上手的工具，Hive应运而生，它是当时唯一运行在Hadoop上的SQL-on-Hadoop工具。但是MapReduce计算过程中大量的中间磁盘落地过程消耗了大量的I/O，降低的运行效率，为了提高SQL-on-Hadoop的效率，大量的SQL-on-Hadoop工具开始产生，其中表现较为突出的是：

l MapR的Drill

l Cloudera的Impala

l Shark

其中Shark是伯克利实验室Spark生态环境的组件之一，它修改了下图所示的右下角的内存管理、物理计划、执行三个模块，并使之能运行在Spark引擎上，从而使得SQL查询的速度得到10-100倍的提升。

1.2 Shark和SparkSQL

但是，随着Spark的发展，对于野心勃勃的Spark团队来说，Shark对于Hive的太多依赖（如采用Hive的语法解析器、查询优化器等等），制约了Spark的One Stack Rule Them All的既定方针，制约了Spark各个组件的相互集成，所以提出了SparkSQL项目。SparkSQL抛弃原有Shark的代码，汲取了Shark的一些优点，如内存列存储（In-Memory Columnar Storage）、Hive兼容性等，重新开发了SparkSQL代码；由于摆脱了对Hive的依赖性，SparkSQL无论在数据兼容、性能优化、组件扩展方面都得到了极大的方便，真可谓“退一步，海阔天空”。

l数据兼容方面不但兼容Hive，还可以从RDD、parquet文件、JSON文件中获取数据，未来版本甚至支持获取RDBMS数据以及cassandra等NOSQL数据；

l性能优化方面除了采取In-Memory Columnar Storage、byte-code generation等优化技术外、将会引进Cost Model对查询进行动态评估、获取最佳物理计划等等；

l组件扩展方面无论是SQL的语法解析器、分析器还是优化器都可以重新定义，进行扩展。

2014年6月1日Shark项目和SparkSQL项目的主持人Reynold Xin宣布：停止对Shark的开发，团队将所有资源放SparkSQL项目上，至此，Shark的发展画上了句话，但也因此发展出两个直线：SparkSQL和Hive on Spark。

其中SparkSQL作为Spark生态的一员继续发展，而不再受限于Hive，只是兼容Hive；而Hive on Spark是一个Hive的发展计划，该计划将Spark作为Hive的底层引擎之一，也就是说，Hive将不再受限于一个引擎，可以采用Map-Reduce、Tez、Spark等引擎。

1.3 SparkSQL的性能

Shark的出现，使得SQL-on-Hadoop的性能比Hive有了10-100倍的提高：

那么，摆脱了Hive的限制，SparkSQL的性能又有怎么样的表现呢？虽然没有Shark相对于Hive那样瞩目地性能提升，但也表现得非常优异：

为什么SparkSQL的性能会得到怎么大的提升呢？主要SparkSQL在下面几点做了优化：

A：内存列存储（In-Memory Columnar Storage）

SparkSQL的表数据在内存中存储不是采用原生态的JVM对象存储方式，而是采用内存列存储，如下图所示。

该存储方式无论在空间占用量和读取吞吐率上都占有很大优势。

对于原生态的JVM对象存储方式，每个对象通常要增加12-16字节的额外开销，对于一个270MB的TPC-H lineitem table数据，使用这种方式读入内存，要使用970MB左右的内存空间（通常是2～5倍于原生数据空间）；另外，使用这种方式，每个数据记录产生一个JVM对象，如果是大小为200B的数据记录，32G的堆栈将产生1.6亿个对象，这么多的对象，对于GC来说，可能要消耗几分钟的时间来处理（JVM的垃圾收集时间与堆栈中的对象数量呈线性相关）。显然这种内存存储方式对于基于内存计算的Spark来说，很昂贵也负担不起。

对于内存列存储来说，将所有原生数据类型的列采用原生数组来存储，将Hive支持的复杂数据类型（如array、map等）先序化后并接成一个字节数组来存储。这样，每个列创建一个JVM对象，从而导致可以快速的GC和紧凑的数据存储；额外的，还可以使用低廉CPU开销的高效压缩方法（如字典编码、行长度编码等压缩方法）降低内存开销；更有趣的是，对于分析查询中频繁使用的聚合特定列，性能会得到很大的提高，原因就是这些列的数据放在一起，更容易读入内存进行计算。

B：字节码生成技术（bytecode generation，即CG）

在数据库查询中有一个昂贵的操作是查询语句中的表达式，主要是由于JVM的内存模型引起的。比如如下一个查询：

SELECT a + b FROM table

在这个查询里，如果采用通用的SQL语法途径去处理，会先生成一个表达式树（有两个节点的Add树，参考后面章节），在物理处理这个表达式树的时候，将会如图所示的7个步骤：

1. 调用虚函数Add.eval()，需要确认Add两边的数据类型

2. 调用虚函数a.eval()，需要确认a的数据类型

3. 确定a的数据类型是Int，装箱

4. 调用虚函数b.eval()，需要确认b的数据类型

5. 确定b的数据类型是Int，装箱

6. 调用Int类型的Add

7. 返回装箱后的计算结果

其中多次涉及到虚函数的调用，虚函数的调用会打断CPU的正常流水线处理，减缓执行。

Spark1.1.0在catalyst模块的expressions增加了codegen模块，如果使用动态字节码生成技术（配置spark.sql.codegen参数），SparkSQL在执行物理计划的时候，对匹配的表达式采用特定的代码，动态编译，然后运行。如上例子，匹配到Add方法：

然后，通过调用，最终调用：

最终实现效果类似如下伪代码：

val a: Int = inputRow.getInt(0)

val b: Int = inputRow.getInt(1)

val result: Int = a + b

resultRow.setInt(0, result)

对于Spark1.1.0，对SQL表达式都作了CG优化，具体可以参看codegen模块。CG优化的实现主要还是依靠scala2.10的运行时放射机制（runtime reflection）。对于SQL查询的CG优化，可以简单地用下图来表示：

C：Scala代码优化

另外，SparkSQL在使用Scala编写代码的时候，尽量避免低效的、容易GC的代码；尽管增加了编写代码的难度，但对于用户来说，还是使用统一的接口，没受到使用上的困难。下图是一个Scala代码优化的示意图：

2、 SparkSQL运行架构

类似于关系型数据库，SparkSQL也是语句也是由Projection（a1，a2，a3）、Data Source（tableA）、Filter（condition）组成，分别对应sql查询过程中的Result、Data Source、Operation，也就是说SQL语句按Result-->Data Source-->Operation的次序来描述的。

当执行SparkSQL语句的顺序为：

1.对读入的SQL语句进行解析（Parse），分辨出SQL语句中哪些词是关键词（如SELECT、FROM、WHERE），哪些是表达式、哪些是Projection、哪些是Data Source等，从而判断SQL语句是否规范；

2.将SQL语句和数据库的数据字典（列、表、视图等等）进行绑定（Bind），如果相关的Projection、Data Source等都是存在的话，就表示这个SQL语句是可以执行的；

3.一般的数据库会提供几个执行计划，这些计划一般都有运行统计数据，数据库会在这些计划中选择一个最优计划（Optimize）；

4.计划执行（Execute），按Operation-->Data Source-->Result的次序来进行的，在执行过程有时候甚至不需要读取物理表就可以返回结果，比如重新运行刚运行过的SQL语句，可能直接从数据库的缓冲池中获取返回结果。

2.1 Tree和Rule

SparkSQL对SQL语句的处理和关系型数据库对SQL语句的处理采用了类似的方法，首先会将SQL语句进行解析（Parse），然后形成一个Tree，在后续的如绑定、优化等处理过程都是对Tree的操作，而操作的方法是采用Rule，通过模式匹配，对不同类型的节点采用不同的操作。在整个sql语句的处理过程中，Tree和Rule相互配合，完成了解析、绑定（在SparkSQL中称为Analysis）、优化、物理计划等过程，最终生成可以执行的物理计划。

2.1.1 Tree

l Tree的相关代码定义在sql/catalyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/trees

l Logical Plans、Expressions、Physical Operators都可以使用Tree表示

l Tree的具体操作是通过TreeNode来实现的

Ø SparkSQL定义了catalyst.trees的日志，通过这个日志可以形象的表示出树的结构

Ø TreeNode可以使用scala的集合操作方法（如foreach, map, flatMap, collect等）进行操作

Ø 有了TreeNode，通过Tree中各个TreeNode之间的关系，可以对Tree进行遍历操作，如使用transformDown、transformUp将Rule应用到给定的树段，然后用结果替代旧的树段；也可以使用transformChildrenDown、transformChildrenUp对一个给定的节点进行操作，通过迭代将Rule应用到该节点以及子节点。

l TreeNode可以细分成三种类型的Node：

Ø UnaryNode 一元节点，即只有一个子节点。如Limit、Filter操作

Ø BinaryNode 二元节点，即有左右子节点的二叉节点。如Jion、Union操作

Ø LeafNode 叶子节点，没有子节点的节点。主要用户命令类操作，如SetCommand

2.1.2 Rule

l Rule的相关代码定义在sql/catalyst/src/main/scala/org/apache/spark/sql/catalyst/rules

l Rule在SparkSQL的Analyzer、Optimizer、SparkPlan等各个组件中都有应用到

l Rule是一个抽象类，具体的Rule实现是通过RuleExecutor完成

l Rule通过定义batch和batchs，可以简便的、模块化地对Tree进行transform操作

l Rule通过定义Once和FixedPoint，可以对Tree进行一次操作或多次操作（如对某些Tree进行多次迭代操作的时候，达到FixedPoint次数迭代或达到前后两次的树结构没变化才停止操作，具体参看RuleExecutor.apply）

2.2 sqlContext和hiveContext的运行过程

SparkSQL有两个分支，sqlContext和hiveContext，sqlContext现在只支持SQL语法解析器（SQL-92语法）；hiveContext现在支持SQL语法解析器和hivesql语法解析器，默认为hiveSQL语法解析器，用户可以通过配置切换成SQL语法解析器，来运行hiveSQL不支持的语法，

2.2.1 sqlContext的运行过程

sqlContext总的一个过程如下图所示：

1.SQL语句经过SqlParse解析成UnresolvedLogicalPlan；

2.使用analyzer结合数据数据字典（catalog）进行绑定，生成resolvedLogicalPlan；

3.使用optimizer对resolvedLogicalPlan进行优化，生成optimizedLogicalPlan；

4.使用SparkPlan将LogicalPlan转换成PhysicalPlan；

5.使用prepareForExecution()将PhysicalPlan转换成可执行物理计划；

6.使用execute()执行可执行物理计划；

7.生成SchemaRDD。

在整个运行过程中涉及到多个SparkSQL的组件，如SqlParse、analyzer、optimizer、SparkPlan等等

2.2.2hiveContext的运行过程

hiveContext总的一个过程如下图所示：

1.SQL语句经过HiveQl.parseSql解析成Unresolved LogicalPlan，在这个解析过程中对hiveql语句使用getAst()获取AST树，然后再进行解析；

2.使用analyzer结合数据hive源数据Metastore（新的catalog）进行绑定，生成resolved LogicalPlan；

3.使用optimizer对resolved LogicalPlan进行优化，生成optimized LogicalPlan，优化前使用了ExtractPythonUdfs(catalog.PreInsertionCasts(catalog.CreateTables(analyzed)))进行预处理；

4.使用hivePlanner将LogicalPlan转换成PhysicalPlan；

5.使用prepareForExecution()将PhysicalPlan转换成可执行物理计划；

6.使用execute()执行可执行物理计划；

7.执行后，使用map(_.copy)将结果导入SchemaRDD。

2.3 catalyst优化器

SparkSQL1.1总体上由四个模块组成：core、catalyst、hive、hive-Thriftserver：

l core处理数据的输入输出，从不同的数据源获取数据（RDD、Parquet、json等），将查询结果输出成schemaRDD；

l catalyst处理查询语句的整个处理过程，包括解析、绑定、优化、物理计划等，说其是优化器，还不如说是查询引擎；

l hive对hive数据的处理

l hive-ThriftServer提供CLI和JDBC/ODBC接口

在这四个模块中，catalyst处于最核心的部分，其性能优劣将影响整体的性能。由于发展时间尚短，还有很多不足的地方，但其插件式的设计，为未来的发展留下了很大的空间。下面是catalyst的一个设计图：

其中虚线部分是以后版本要实现的功能，实线部分是已经实现的功能。从上图看，catalyst主要的实现组件有：

lsqlParse，完成sql语句的语法解析功能，目前只提供了一个简单的sql解析器；

lAnalyzer，主要完成绑定工作，将不同来源的Unresolved LogicalPlan和数据元数据（如hive metastore、Schema catalog）进行绑定，生成resolved LogicalPlan；

loptimizer对resolved LogicalPlan进行优化，生成optimized LogicalPlan；

l Planner将LogicalPlan转换成PhysicalPlan；

l CostModel，主要根据过去的性能统计数据，选择最佳的物理执行计划

这些组件的基本实现方法：

l 先将sql语句通过解析生成Tree，然后在不同阶段使用不同的Rule应用到Tree上，通过转换完成各个组件的功能。

l Analyzer使用Analysis Rules，配合数据元数据（如hive metastore、Schema catalog），完善Unresolved LogicalPlan的属性而转换成resolved LogicalPlan；

l optimizer使用Optimization Rules，对resolved LogicalPlan进行合并、列裁剪、过滤器下推等优化作业而转换成optimized LogicalPlan；

l Planner使用Planning Strategies，对optimized LogicalPlan

3、SparkSQL CLI

CLI（Command-Line Interface，命令行界面）是指可在用户提示符下键入可执行指令的界面，它通常不支持鼠标，用户通过键盘输入指令，计算机接收到指令后予以执行。Spark CLI指的是使用命令界面直接输入SQL命令，然后发送到Spark集群进行执行，在界面中显示运行过程和最终的结果。

Spark1.1相较于Spark1.0最大的差别就在于Spark1.1增加了Spark SQL CLI和ThriftServer，使得Hive用户还有用惯了命令行的RDBMS数据库管理员较容易地上手，真正意义上进入了SQL时代。

【注】Spark CLI和Spark Thrift Server实验环境为第二课《Spark编译与部署（下）--Spark编译安装》所搭建

3.1 运行环境说明

3.1.1 硬软件环境

l 主机操作系统：Windows 64位，双核4线程，主频2.2G，10G内存

l 虚拟软件：VMware® Workstation 9.0.0 build-812388

l 虚拟机操作系统：CentOS 64位，单核

l 虚拟机运行环境：

Ø JDK：1.7.0_55 64位

Ø Hadoop：2.2.0（需要编译为64位）

Ø Scala：2.11.4

Ø Spark：1.1.0（需要编译）

Ø Hive：0.13.1

3.1.2 机器网络环境

集群包含三个节点，节点之间可以免密码SSH访问，节点IP地址和主机名分布如下：

序号	IP地址	机器名	类型	核数/内存	用户名	目录
1	192.168.0.61	hadoop1	NN/DN/RM Master/Worker	1核/3G	hadoop	/app 程序所在路径 /app/scala-... /app/hadoop /app/complied
2	192.168.0.62	hadoop2	DN/NM/Worker	1核/2G	hadoop
3	192.168.0.63	hadoop3	DN/NM/Worker	1核/2G	hadoop

3.2 配置并启动

3.2.1 创建并配置hive-site.xml

在运行Spark SQL CLI中需要使用到Hive Metastore，故需要在Spark中添加其uris。具体方法是在SPARK_HOME/conf目录下创建hive-site.xml文件，然后在该配置文件中，添加hive.metastore.uris属性，具体如下：

<configuration>

<property>

<name>hive.metastore.uris</name>

<value>thrift://hadoop1:9083</value>

<description>Thrift URI for the remote metastore. Used by metastore client to connect to remote metastore.</description>

</property>

</configuration>

3.2.2 启动Hive

在使用Spark SQL CLI之前需要启动Hive Metastore（如果数据存放在HDFS文件系统，还需要启动Hadoop的HDFS），使用如下命令可以使Hive Metastore启动后运行在后台，可以通过jobs查询：

$nohup hive --service metastore > metastore.log 2>&1 &

3.2.3 启动Spark集群和Spark SQL CLI

通过如下命令启动Spark集群和Spark SQL CLI：

$cd /app/hadoop/spark-1.1.0

$sbin/start-all.sh

$bin/spark-sql --master spark://hadoop1:7077 --executor-memory 1g

在集群监控页面可以看到启动了SparkSQL应用程序：

这时就可以使用HQL语句对Hive数据进行查询，另外可以使用COMMAND，如使用set进行设置参数：默认情况下，SparkSQL Shuffle的时候是200个partition，可以使用如下命令修改该参数：

SET spark.sql.shuffle.partitions=20;

运行同一个查询语句，参数改变后，Task（partition）的数量就由200变成了20。

3.2.4 命令参数

通过bin/spark-sql --help可以查看CLI命令参数：

其中[options] 是CLI启动一个SparkSQL应用程序的参数，如果不设置--master的话，将在启动spark-sql的机器以local方式运行，只能通过http://机器名:4040进行监控；这部分参数，可以参照Spark1.0.0 应用程序部署工具spark-submit 的参数。

[cli option]是CLI的参数，通过这些参数CLI可以直接运行SQL文件、进入命令行运行SQL命令等等，类似以前的Shark的用法。需要注意的是CLI不是使用JDBC连接，所以不能连接到ThriftServer；但可以配置conf/hive-site.xml连接到Hive的Metastore，然后对Hive数据进行查询。

3.3 实战Spark SQL CLI

3.3.1 获取订单每年的销售单数、销售总额

第一步设置任务个数，在这里修改为20个

spark-sql>SET spark.sql.shuffle.partitions=20;

第二步运行SQL语句

spark-sql>use hive;

spark-sql>select c.theyear,count(distinct a.ordernumber),sum(b.amount) from tbStock a join tbStockDetail b on a.ordernumber=b.ordernumber join tbDate c on a.dateid=c.dateid group by c.theyear order by c.theyear;

第三步查看运行结果

3.3.2 计算所有订单每年的总金额

第一步执行SQL语句

第二步执行结果

使用CLI执行结果如下：

3.3.3 计算所有订单每年最大金额订单的销售额

第一步执行SQL语句

spark-sql>select c.theyear,max(d.sumofamount) from tbDate c join (select a.dateid,a.ordernumber,sum(b.amount) as sumofamount from tbStock a join tbStockDetail b on a.ordernumber=b.ordernumber group by a.dateid,a.ordernumber ) d on c.dateid=d.dateid group by c.theyear sort by c.theyear;

第二步执行结果

使用CLI执行结果如下：

4、Spark Thrift Server

ThriftServer是一个JDBC/ODBC接口，用户可以通过JDBC/ODBC连接ThriftServer来访问SparkSQL的数据。ThriftServer在启动的时候，会启动了一个SparkSQL的应用程序，而通过JDBC/ODBC连接进来的客户端共同分享这个SparkSQL应用程序的资源，也就是说不同的用户之间可以共享数据；ThriftServer启动时还开启一个侦听器，等待JDBC客户端的连接和提交查询。所以，在配置ThriftServer的时候，至少要配置ThriftServer的主机名和端口，如果要使用Hive数据的话，还要提供Hive Metastore的uris。

【注】Spark CLI和Spark Thrift Server实验环境为第二课《Spark编译与部署（下）--Spark编译安装》所搭建

4.1 配置并启动

4.1.1 创建并配置hive-site.xml

第一步创建hive-site.xml配置文件

在$SPARK_HOME/conf目录下修改hive-site.xml配置文件（如果在Spark SQL CLI中已经添加，可以省略）：

$cd /app/hadoop/spark-1.1.0/conf

$sudo vi hive-site.xml

第二步修改配置文件

设置hadoop1为Metastore服务器，hadoop2为Thrift Server服务器，配置内容如下：

<configuration>

<property>

<name>hive.metastore.uris</name>

<value>thrift://hadoop1:9083</value>

<description>Thrift URI for the remote metastore. Used by metastore client to connect to remote metastore.</description>

</property>

<property>

<name>hive.server2.thrift.min.worker.threads</name>

<value>5</value>

<description>Minimum number of Thrift worker threads</description>

</property>

<property>

<name>hive.server2.thrift.max.worker.threads</name>

<value>500</value>

<description>Maximum number of Thrift worker threads</description>

</property>

<property>

<name>hive.server2.thrift.port</name>

<value>10000</value>

<description>Port number of HiveServer2 Thrift interface. Can be overridden by setting $HIVE_SERVER2_THRIFT_PORT</description>

</property>

<property>

<name>hive.server2.thrift.bind.host</name>

<value>hadoop2</value>

<description>Bind host on which to run the HiveServer2 Thrift interface.Can be overridden by setting$HIVE_SERVER2_THRIFT_BIND_HOST</description>

</property>

</configuration>

4.1.2 启动Hive

在hadoop1节点中，在后台启动Hive Metastore（如果数据存放在HDFS文件系统，还需要启动Hadoop的HDFS）：

$nohup hive --service metastore > metastore.log 2>&1 &

4.1.3 启动Spark集群和Thrift Server

在hadoop1节点启动Spark集群

$cd /app/hadoop/spark-1.1.0/sbin

$./start-all.sh

在hadoop2节点上进入SPARK_HOME/sbin目录，使用如下命令启动Thrift Server

$cd /app/hadoop/spark-1.1.0/sbin

$./start-thriftserver.sh --master spark://hadoop1:7077 --executor-memory 1g

注意：Thrift Server需要按照配置在hadoop2启动！

在集群监控页面可以看到启动了SparkSQL应用程序：

4.1.4 命令参数

使用sbin/start-thriftserver.sh --help可以查看ThriftServer的命令参数：

$sbin/start-thriftserver.sh --help Usage: ./sbin/start-thriftserver [options] [thrift server options]

Thrift server options: Use value for given property

其中[options] 是Thrift Server启动一个SparkSQL应用程序的参数，如果不设置--master的话，将在启动Thrift Server的机器以local方式运行，只能通过http://机器名:4040进行监控；这部分参数，可以参照Spark1.0.0 应用程序部署工具spark-submit 的参数。在集群中提供Thrift Server的话，一定要配置master、executor-memory等参数。

[thrift server options]是Thrift Server的参数，可以使用-dproperty=value的格式来定义；在实际应用上，因为参数比较多，通常使用conf/hive-site.xml配置。

4.2 实战Thrift Server

4.2.1 远程客户端连接

可以在任意节点启动bin/beeline，用!connect jdbc:hive2://hadoop2:10000连接ThriftServer，因为没有采用权限管理，所以用户名用运行bin/beeline的用户hadoop，密码为空：

$cd /app/hadoop/spark-1.1.0/bin

$./beeline

beeline>!connect jdbc:hive2://hadoop2:10000

4.2.2 基本操作

第一步显示hive数据库所有表

beeline>show database;

beeline>use hive;

beeline>show tables;

第二步创建表testThrift

beeline>create table testThrift(field1 String , field2 Int);

beeline>show tables;

第三步把tbStockDetail表中金额大于3000插入到testThrift表中

beeline>insert into table testThrift select ordernumber,amount from tbStockDetail where amount>3000;

beeline>select * from testThrift;

第四步重新创建testThrift表中，把年度最大订单插入该表中

beeline>drop table testThrift;

beeline>create table testThrift (field1 String , field2 Int);

beeline>insert into table testThrift select c.theyear,max(d.sumofamount) from tbDate c join (select a.dateid,a.ordernumber,sum(b.amount) as sumofamount from tbStock a join tbStockDetail b on a.ordernumber=b.ordernumber group by a.dateid,a.ordernumber ) d on c.dateid=d.dateid group by c.theyear sort by c.theyear;

beeline>select * from testThrift;

4.2.3 计算所有订单每年的订单数

第一步执行SQL语句

spark-sql>select c.theyear, count(distinct a.ordernumber) from tbStock a join tbStockDetail b on a.ordernumber=b.ordernumber join tbDate c on a.dateid=c.dateid group by c.theyear order by c.theyear;

第二步执行结果

Stage监控页面：

查看Details for Stage 28

4.2.4 计算所有订单月销售额前十名

第一步执行SQL语句

spark-sql>select c.theyear,c.themonth,sum(b.amount) as sumofamount from tbStock a join tbStockDetail b on a.ordernumber=b.ordernumber join tbDate c on a.dateid=c.dateid group by c.theyear,c.themonth order by sumofamount desc limit 10;

第二步执行结果

Stage监控页面：

在其第一个Task中，从本地读入数据

在后面的Task是从内存中获取数据