FlinkSQL字段血缘解决方案及源码

源码地址: https://github.com/HamaWhiteGG/flink-sql-lineage
作者邮箱: song.bs@dtwave-inc.com

一、基础知识

1.1 Apache Calcite简介

Apache Calcite是一款开源的动态数据管理框架，它提供了标准的SQL语言、多种查询优化和连接各种数据源的能力，但不包括数据存储、处理数据的算法和存储元数据的存储库。Calcite采用的是业界大数据查询框架的一种通用思路，它的目标是“one size fits all”，希望能为不同计算平台和数据源提供统一的查询引擎。Calcite作为一个强大的SQL计算引擎，在Flink内部的SQL引擎模块也是基于Calcite。

Calcite工作流程如下图所示，一般分为Parser、Validator和Converter、Optimizer阶段。

详情请参考How to screw SQL to anything with Apache Calcite

1.2 Calcite RelNode介绍

在CalciteSQL解析中，Parser解析后生成的SqlNode语法树，经过Validator校验后在Converter阶段会把SqlNode抽象语法树转为关系运算符树(RelNode Tree)，如下图所示。

1.3 组件版本信息

二、字段血缘解析核心思想

2.1 FlinkSQL 执行流程解析

根据源码整理出FlinkSQL的执行流程如下图所示，主要分为五个阶段:

1. Parse阶段

语法解析，使用JavaCC把SQL转换成抽象语法树(AST)，在Calcite中用SqlNode来表示。

2. Validate阶段

语法校验，根据元数据信息进行语法验证，例如查询的表、字段、函数是否存在，会分别对from、where、group by、having、select、orader by等子句进行validate，验证后还是SqlNode构成的语法树AST；

3. Convert阶段

语义分析，根据SqlNode和元数据信息构建关系表达式RelNode树，也就是最初版本的逻辑计划。

4. Optimize阶段

逻辑计划优化，优化器会基于规则进行等价变换，例如谓词下推、列裁剪等，最终得到最优的查询计划。

5. Execute阶段

把逻辑查询计划翻译成物理执行计划，依次生成StreamGraph、JobGraph，最终提交运行。

注1: 图中的Abstract Syntax Tree、Optimized Physical Plan、Optimized Execution Plan、Physical Execution Plan名称来源于StreamPlanner中的explain()方法。

注2: 相比Calcite官方工作流程图，此处把Validate和Convert分为两个阶段。

2.2 字段血缘解析思路

FlinkSQL字段血缘解析分为三个阶段:

1. 对输入SQL进行Parse、Validate、Convert，生成关系表达式RelNode树，对应FlinkSQL 执行流程图中的第1、2和3步骤。
2. 在优化阶段，只生成到Optimized Logical Plan即可，而非原本的Optimized Physical Plan。要修正FlinkSQL 执行流程图中的第4步骤。
   
3. 针对上步骤优化生成的逻辑RelNode，调用RelMetadataQuery的getColumnOrigins(RelNode rel, int column)查询原始字段信息。然后构造血缘关系，并返回结果。

2.3 核心源码阐述

parseFieldLineage(String sql)方法是对外提供的字段血缘解析API，里面分别执行三大步骤。

public List<FieldLineage> parseFieldLineage(String sql) {
    LOG.info("Input Sql: \n {}", sql);
    // 1. Generate original relNode tree
    Tuple2<String, RelNode> parsed = parseStatement(sql);
    String sinkTable = parsed.getField(0);
    RelNode oriRelNode = parsed.getField(1);
    LOG.debug("Original RelNode: \n {}", oriRelNode.explain());

    // 2. Optimize original relNode to generate Optimized Logical Plan
    RelNode optRelNode = optimize(oriRelNode);
    LOG.debug("Optimized RelNode: \n {}", optRelNode.explain());

    // 3. Build lineage based from RelMetadataQuery
    return buildFiledLineageResult(sinkTable, optRelNode);
}
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2.3.1 根据SQL生成RelNode树

调用ParserImpl.List parse(String statement) 方法即可，然后返回第一个operation中的calciteTree。此代码限制只支持Insert的血缘关系。

private Tuple2<String, RelNode> parseStatement(String sql) {
    List<Operation> operations = tableEnv.getParser().parse(sql);
    
    if (operations.size() != 1) {
        throw new TableException(
            "Unsupported SQL query! only accepts a single SQL statement.");
    }
    Operation operation = operations.get(0);
    if (operation instanceof CatalogSinkModifyOperation) {
        CatalogSinkModifyOperation sinkOperation = (CatalogSinkModifyOperation) operation;
        
        PlannerQueryOperation queryOperation = (PlannerQueryOperation) sinkOperation.getChild();
        RelNode relNode = queryOperation.getCalciteTree();
        return new Tuple2<>(
            sinkOperation.getTableIdentifier().asSummaryString(),
            relNode);
    } else {
        throw new TableException("Only insert is supported now.");
    }
}
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2.3.2 生成Optimized Logical Plan

在第4步骤的逻辑计划优化阶段，根据源码可知核心是调用FlinkStreamProgram的中的优化策略，共包含12个阶段(subquery_rewrite、temporal_join_rewrite…logical_rewrite、time_indicator、physical、physical_rewrite)，优化后生成的是Optimized Pysical Plan。
根据SQL的字段血缘解析原理可知，只要解析到logical_rewrite优化后即可，因此复制FlinkStreamProgram源码为FlinkStreamProgramWithoutPhysical类，并删除time_indicator、physical、physical_rewrite策略及最后面chainedProgram.addLast相关代码。然后调用optimize方法核心代码如下:

//  this.flinkChainedProgram = FlinkStreamProgramWithoutPhysical.buildProgram(configuration);

/**
 *  Calling each program's optimize method in sequence.
 */
private RelNode optimize(RelNode relNode) {
    return flinkChainedProgram.optimize(relNode, new StreamOptimizeContext() {
        @Override
        public boolean isBatchMode() {
            return false;
        }

        @Override
        public TableConfig getTableConfig() {
            return tableEnv.getConfig();
        }

        @Override
        public FunctionCatalog getFunctionCatalog() {
            return ((PlannerBase)tableEnv.getPlanner()).getFlinkContext().getFunctionCatalog();
        }

        @Override
        public CatalogManager getCatalogManager() {
            return tableEnv.getCatalogManager();
        }

        @Override
        public SqlExprToRexConverterFactory getSqlExprToRexConverterFactory() {
            return relNode.getCluster().getPlanner().getContext().unwrap(FlinkContext.class).getSqlExprToRexConverterFactory();
        }

        @Override
        public <C> C unwrap(Class<C> clazz) {
            return StreamOptimizeContext.super.unwrap(clazz);
        }

        @Override
        public FlinkRelBuilder getFlinkRelBuilder() {
            return ((PlannerBase)tableEnv.getPlanner()).getRelBuilder();
        }

        @Override
        public boolean needFinalTimeIndicatorConversion() {
            return true;
        }

        @Override
        public boolean isUpdateBeforeRequired() {
            return false;
        }

        @Override
        public MiniBatchInterval getMiniBatchInterval() {
            return MiniBatchInterval.NONE;
        }
    });
}
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注: 此代码可参考StreamCommonSubGraphBasedOptimizer中的optimizeTree方法来书写。

2.3.3 查询原始字段并构造血缘

调用RelMetadataQuery的getColumnOrigins(RelNode rel, int column)查询原始字段信息，然后构造血缘关系，并返回结果。
buildFiledLineageResult(String sinkTable, RelNode optRelNode)

private List<FieldLineage> buildFiledLineageResult(String sinkTable, RelNode optRelNode) {
    // target columns
    List<String> targetColumnList = tableEnv.from(sinkTable)
            .getResolvedSchema()
            .getColumnNames();

    RelMetadataQuery metadataQuery = optRelNode.getCluster().getMetadataQuery();

    List<FieldLineage> fieldLineageList = new ArrayList<>();

    for (int index = 0; index < targetColumnList.size(); index++) {
        String targetColumn = targetColumnList.get(index);

        LOG.debug("**********************************************************");
        LOG.debug("Target table: {}", sinkTable);
        LOG.debug("Target column: {}", targetColumn);

        Set<RelColumnOrigin> relColumnOriginSet = metadataQuery.getColumnOrigins(optRelNode, index);

        if (CollectionUtils.isNotEmpty(relColumnOriginSet)) {
            for (RelColumnOrigin relColumnOrigin : relColumnOriginSet) {
                // table
                RelOptTable table = relColumnOrigin.getOriginTable();
                String sourceTable = String.join(".", table.getQualifiedName());

                // filed
                int ordinal = relColumnOrigin.getOriginColumnOrdinal();
                List<String> fieldNames = table.getRowType().getFieldNames();
                String sourceColumn = fieldNames.get(ordinal);
                LOG.debug("----------------------------------------------------------");
                LOG.debug("Source table: {}", sourceTable);
                LOG.debug("Source column: {}", sourceColumn);

                // add record
                fieldLineageList.add(buildRecord(sourceTable, sourceColumn, sinkTable, targetColumn));
            }
        }
    }
    return fieldLineageList;
}
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三、测试结果

详细测试用例可查看代码中的单测，此处只描述两个测试点。

3.1 建表语句

下面新建三张表，分别是: ods_mysql_users、dim_mysql_company和dwd_hudi_users。

3.1.1 新建mysql cdc table-ods_mysql_users

DROP TABLE IF EXISTS ods_mysql_users;

CREATE TABLE ods_mysql_users(
  id BIGINT,
  name STRING,
  birthday TIMESTAMP(3),
  ts TIMESTAMP(3),
  proc_time as proctime()
) WITH (
  'connector' = 'mysql-cdc',
  'hostname' = '192.168.90.xxx',
  'port' = '3306',
  'username' = 'root',
  'password' = 'xxx',
  'server-time-zone' = 'Asia/Shanghai',
  'database-name' = 'demo',
  'table-name' = 'users'
);
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3.1.2 新建mysql dim table-dim_mysql_company

DROP TABLE IF EXISTS dim_mysql_company;

CREATE TABLE dim_mysql_company (
    user_id BIGINT, 
    company_name STRING
) WITH (
    'connector' = 'jdbc',
    'url' = 'jdbc:mysql://192.168.90.xxx:3306/demo?useSSL=false&characterEncoding=UTF-8',
    'username' = 'root',
    'password' = 'xxx',
    'table-name' = 'company'
);
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3.1.3 新建hudi sink table-dwd_hudi_users

DROP TABLE IF EXISTS dwd_hudi_users;

CREATE TABLE dwd_hudi_users (
    id BIGINT,
    name STRING,
    company_name STRING,
    birthday TIMESTAMP(3),
    ts TIMESTAMP(3),
    `partition` VARCHAR(20)
) PARTITIONED BY (`partition`) WITH (
    'connector' = 'hudi',
    'table.type' = 'COPY_ON_WRITE',
    'path' = 'hdfs://192.168.90.xxx:9000/hudi/dwd_hudi_users',
    'read.streaming.enabled' = 'true',
    'read.streaming.check-interval' = '1'
);
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3.2 测试SQL及血缘结果

3.2.1 测试insert-select

• 测试SQL

INSERT INTO
    dwd_hudi_users
SELECT
    id,
    name,
    name as company_name,
    birthday,
    ts,
    DATE_FORMAT(birthday, 'yyyyMMdd')
FROM
    ods_mysql_users
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• 测试结果

3.2.2 测试insert-select-table-join

• 测试SQL

SELECT
    a.id as id1,
    CONCAT(a.name, b.company_name),
    b.company_name,
    a.birthday,
    a.ts,
    DATE_FORMAT(a.birthday, 'yyyyMMdd') as p
FROM
    ods_mysql_users as a
JOIN 
    dim_mysql_company as b
ON a.id = b.user_id
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• RelNode树展示

  Original RelNode

 LogicalProject(id1=[$0], EXPR$1=[CONCAT($1, $6)], company_name=[$6], birthday=[$2], ts=[$3], p=[DATE_FORMAT($2, _UTF-16LE'yyyyMMdd')])
  LogicalJoin(condition=[=($0, $5)], joinType=[inner])
    LogicalProject(id=[$0], name=[$1], birthday=[$2], ts=[$3], proc_time=[PROCTIME()])
      LogicalTableScan(table=[[hive, flink_demo, ods_mysql_users]])
    LogicalTableScan(table=[[hive, flink_demo, dim_mysql_company]])
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经过optimize(RelNode relNode)优化后的Optimized RelNode结果如下:

 FlinkLogicalCalc(select=[id AS id1, CONCAT(name, company_name) AS EXPR$1, company_name, birthday, ts, DATE_FORMAT(birthday, _UTF-16LE'yyyyMMdd') AS p])
  FlinkLogicalJoin(condition=[=($0, $4)], joinType=[inner])
    FlinkLogicalTableSourceScan(table=[[hive, flink_demo, ods_mysql_users]], fields=[id, name, birthday, ts])
    FlinkLogicalTableSourceScan(table=[[hive, flink_demo, dim_mysql_company]], fields=[user_id, company_name])
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• 测试结果

3.2.3 测试insert-select-lookup-join

上述步骤完成后还不支持Lookup Join的字段血缘解析，测试情况如下所述。

• 测试SQL

SELECT
    a.id as id1,
    CONCAT(a.name, b.company_name),
    b.company_name,
    a.birthday,
    a.ts,
    DATE_FORMAT(a.birthday, 'yyyyMMdd') as p
FROM
    ods_mysql_users as a
JOIN 
    dim_mysql_company FOR SYSTEM_TIME AS OF a.proc_time AS b
ON a.id = b.user_id
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• 测试结果

可以看到，维表dim_mysql_company的字段血缘关系都被丢失掉，因此继续进行下面的步骤。

四、修改Calcite源码支持Lookup Join

4.1 实现思路

针对Lookup Join，Parser会把SQL语句“FOR SYSTEM_TIME AS OF ”解析成 SqlSnapshot ( SqlNode)，validate() 将其转换成 LogicalSnapshot(RelNode)。

Lookup Join-Original RelNode

 LogicalProject(id1=[$0], EXPR$1=[CONCAT($1, $6)], company_name=[$6], birthday=[$2], ts=[$3], p=[DATE_FORMAT($2, _UTF-16LE'yyyyMMdd')])
  LogicalCorrelate(correlation=[$cor0], joinType=[inner], requiredColumns=[{0, 4}])
    LogicalProject(id=[$0], name=[$1], birthday=[$2], ts=[$3], proc_time=[PROCTIME()])
      LogicalTableScan(table=[[hive, flink_demo, ods_mysql_users]])
    LogicalFilter(condition=[=($cor0.id, $0)])
      LogicalSnapshot(period=[$cor0.proc_time])
        LogicalTableScan(table=[[hive, flink_demo, dim_mysql_company]])
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但calcite-core中RelMdColumnOrigins这个Handler类里并没有处理Snapshot类型的RelNode，导致返回空，继而丢失Lookup Join字段的血缘关系。因此，需要在RelMdColumnOrigins增加一个处理Snapshot的getColumnOrigins(Snapshot rel,RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn)方法。

由于flink-table-planner是采用maven-shade-plugin打包的，因此修改calcite-core后要重新打flink包。flink-table/flink-table-planner/pom.xml。

<plugin>
  <groupId>org.apache.maven.pluginsgroupId>
  <artifactId>maven-shade-pluginartifactId>
  ...
    <artifactSet>
      <includes combine.children="append">
        <include>org.apache.calcite:*include>
        <include>org.apache.calcite.avatica:*include>
  ...             
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本文在下面的4.2-4.4小节给出基础性操作步骤，分别讲述如何修改calcite、flink源码，以及如何编译、打包。

同时在4.5小节也提供另外一种实现路径，即通过动态编辑Java字节码技术来增加getColumnOrigins方法，源码已默认采用此技术，读者也可直接跳到4.5小节进行阅读。

4.2 重新编译Calcite源码

4.2.1 下载源码及创建分支

flink1.14.4依赖的calcite版本是1.26.0，因此基于tag calcite-1.26.0来修改源码。并且在原有3位版本号后面再增加一位版本号，以区别于官方发布的版本。

# 下载github上源码
$ git clone git@github.com:apache/calcite.git

# 切换到 calcite-1.26.0 tag
$ git checkout calcite-1.26.0

# 新建分支calcite-1.26.0.1
$ git checkout -b calcite-1.26.0.1
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4.2.2 修改源码

1. 在calcite-core模块，给RelMdColumnOrigins类增加方法 getColumnOrigins(Snapshot rel,RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn)。org.apache.calcite.rel.metadata.RelMdColumnOrigins

public Set<RelColumnOrigin> getColumnOrigins(Snapshot rel,
        RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn) {
    return mq.getColumnOrigins(rel.getInput(), iOutputColumn);
}
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2. 修改版本号为 1.26.0.1，calcite/gradle.properties

# 修改前
calcite.version=1.26.0
# 修改后
calcite.version=1.26.0.1
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3. 删除打包名称上的SNAPSHOT，由于未研究出Gradlew 打包参数，此处直接修改build.gradle.kts代码。

   calcite/build.gradle.kts

# 修改前
val buildVersion = "calcite".v + releaseParams.snapsnapshotSuffixshotSuffix

#修改后
val buildVersion = "calcite".v
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4.2.3 编译源码和推送到本地仓库

# 编译源码
$ ./gradlew build -x test 

# 推送到本地仓库
$ ./gradlew publishToMavenLocal
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运行成功后查看本地maven仓库，已经产生calcite-core-1.26.0.1.jar。

$ ll ~/.m2/repository/org/apache/calcite/calcite-core/1.26.0.1

-rw-r--r--  1 baisong  staff  8893065  8  9 13:51 calcite-core-1.26.0.1-javadoc.jar
-rw-r--r--  1 baisong  staff  3386193  8  9 13:51 calcite-core-1.26.0.1-sources.jar
-rw-r--r--  1 baisong  staff  2824504  8  9 13:51 calcite-core-1.26.0.1-tests.jar
-rw-r--r--  1 baisong  staff  5813238  8  9 13:51 calcite-core-1.26.0.1.jar
-rw-r--r--  1 baisong  staff     5416  8  9 13:51 calcite-core-1.26.0.1.pom
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4.3 重新编译Flink源码

4.2.1 下载源码及创建分支

基于tag calcite-1.26.0来修改源码。并且在原有3位版本号后面再增加一位版本号，以区别于官方发布的版本。

# 下载github上flink源码
$ git clone git@github.com:apache/flink.git

# 切换到 release-1.14.4 tag
$ git checkout release-1.14.4

# 新建分支release-1.14.4.1
$ git checkout -b release-1.14.4.1
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4.3.2 修改源码

1. 在flink-table模块，修改calcite.version的版本为 1.26.0.1，flink-table-planner会引用此版本号。即让flink-table-planner引用calcite-core-1.26.0.1。flink/flink-table/pom.xml。

<properties>
    
    <janino.version>3.0.11janino.version>
    
    <calcite.version>1.26.0.1calcite.version>
    <guava.version>29.0-jreguava.version>
properties>
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2. 修改flink-table-planner版本号为1.14.4.1，包含下面3点。flink/flink-table/flink-table-planner/pom.xml。

<artifactId>flink-table-planner_${scala.binary.version}artifactId>

<version>1.14.4.1version>
<name>Flink : Table : Plannername>




<dependency>
    <artifactId>flink-test-utils-junitartifactId>
    <groupId>org.apache.flinkgroupId>
    <version>${parent.version}version>
    <scope>testscope>
dependency>

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4.3.3 编译源码和推送到远程仓库

# 只编译 flink-table-planner
$ mvn clean install -pl flink-table/flink-table-planner -am -Dscala-2.12 -DskipTests -Dfast -Drat.skip=true -Dcheckstyle.skip=true -Pskip-webui-build
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如果要推送到Maven仓库，修改pom.xml 增加仓库地址。

<distributionManagement>
    <repository>
        <id>releasesid>
        <url>http://xxx.xxx-inc.com/repository/maven-releasesurl>
    repository>
    <snapshotRepository>
        <id>snapshotsid>
        <url>http://xxx.xxx-inc.com/repository/maven-snapshotsurl>
    snapshotRepository>
distributionManagement>
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# 进入flink-table-planner模块
$ cd flink-table/flink-table-planner

# 推送到到远程仓库
$ mvn clean deploy -Dscala-2.12 -DskipTests -Dfast -Drat.skip=true -Dcheckstyle.skip=true -Pskip-webui-build -T 1C

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4.4 修改Flink依赖版本并测试Lookup Join

修改pom.xml中依赖的flink-table-planner的版本为1.14.4.1。

<dependency>
    <groupId>org.apache.flinkgroupId>
    <artifactId>flink-table-planner_2.12artifactId>
    <version>1.14.4.1version>
dependency>
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执行测试用例得到Lookup Join血缘结果如下，已经包含维表dim_mysql_company的字段血缘关系。

4.5 动态编辑Java字节码增加getColumnOrigins方法

Javassist是可以动态编辑Java字节码的类库，它可以在Java程序运行时定义一个新的类并加载到JVM中，还可以在JVM加载时修改一个类文件。
因此，本文通过Javassist技术来动态给RelMdColumnOrigins类增加getColumnOrigins(Snapshot rel,RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn)方法。

核心代码如下:

/**
 * Dynamic add getColumnOrigins method to class RelMdColumnOrigins by javassist:
 *
 * public Set getColumnOrigins(Snapshot rel,RelMetadataQuery mq, int iOutputColumn) {
 *      return mq.getColumnOrigins(rel.getInput(), iOutputColumn);
 * }
 */
static {
	try {
		ClassPool classPool = ClassPool.getDefault();
		CtClass ctClass = classPool.getCtClass("org.apache.calcite.rel.metadata.RelMdColumnOrigins");

		CtClass[] parameters = new CtClass[]{classPool.get(Snapshot.class.getName())
                , classPool.get(RelMetadataQuery.class.getName())
                , CtClass.intType
		};
		// add method
		CtMethod ctMethod = new CtMethod(classPool.get("java.util.Set"), "getColumnOrigins", parameters, ctClass);
		ctMethod.setModifiers(Modifier.PUBLIC);
		ctMethod.setBody("{return $2.getColumnOrigins($1.getInput(), $3);}");
		ctClass.addMethod(ctMethod);
		// load the class
		ctClass.toClass();
	} catch (Exception e) {
		throw new TableException("Dynamic add getColumnOrigins() method exception.", e);
	}
}
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注1: 也可把RelMdColumnOrigins类及package拷贝到项目中，然后手动增加getColumnOrigins方法。但是此方法兼容性不够友好，后续calcite源码进行迭代后血缘代码要跟随calcite一起修正。

五、参考文献

1. How to screw SQL to anything with Apache Calcite
2. 使用build.gradle.kts发布到mavenLocal
3. Flink SQL LookupJoin终极解决方案及Flink Rule入门
4. 基于Calcite解析Flink SQL列级数据血缘
5. 干货|详解FlinkSQL实现原理