笔者曾做过数据库 Data Type 相干的设计和从 0 到 1 的源码实现,对 Numeric(与 Decimal 等价,都是规范 SQL 的一部分), Datetime, Timestamp, varchar … 等数据类型的设计、源码实现及在内存中计算原理有比拟深的了解。
本篇基于 PostgreSQL 源码,解析 PostgreSQL 中 Numeric 类型的内存计算构造和磁盘存储构造。
c 源码:https://github.com/postgres/p…
头文件:https://github.com/postgres/p…
精度的要求
在编程的过程中,大家可能对内置的 4 字节 float 和 8 字节 doulbe 类型比拟相熟,进行加减乘除运算。尽管浮点数是通过迷信计数法来存储,但在二进制和十进制相互转换机制中,对一部分二进制数,其精度是有缺失的。
对于相似金融场景,动辄存储微小的数值,以及对数据精度的高要求,哪怕再小的精度损失都是不可承受的。市面上各式各样的数据库根本都蕴含 Numeric 类型,通过字符串来准确存储每一位数,做到浮点数都做不到的准确计算。
Numeric 语法简介
NUMERIC(precision, scale)
- precision:numeric 中全副数字个数的总和
- scale:小数点前面的数字个数
例如:12.345,那么 precision 是 5、scale 是 3。
注意事项:
- 所有的整数都能够看成 scale 为 0 的 numeric;
- precision 必须为负数,scale 能够为 0 或者负数;
- numeric(precision) 语法,默认的 scale 是 0;
- 语法中不带任何参数,则任意 precision 和 scale 的值都能够被存储,只有不超过 precision 的最大值;
- 只有 numeric 中申明了 scale,则输出的值都要强制的去匹配这个 scale(即进行 round 操作,round 为四舍五入);
- 如果输出的 scale 数值溢出,则报错。
不指定精度的状况时各数值类型的取值范畴【常见】:
Numeric 非凡值
除了失常的数值之外,numeric 还反对非凡的值:NaN(meaning “not-a-number”)。当要将其当做常量用于 SQL 中时,须要打上引号,例如:
UPDATE table SET x = 'NaN'
SQL 中 Numeric 数据流向
咱们晓得,一条 SQL 在数据库中的执行流程大抵为:
CREATE TABLE test (name VARCHAR(100) NOT NULL,
price NUMERIC(5,2)
);
INSERT INTO test (name, price)
VALUES ('Phone',500.215),
('Tablet',500.214);
以上述示例两条 SQL 为例,先建一张 test 表,并插入数据。这里咱们关注写入的 Numeric 数字在内存中是如何示意,定义的 NUMERIC(5,2) 对应的数据结构在内存中如何示意。写入的数据在落入磁盘之后,其存储构造又是什么样的。
这里,数据在内存中的存储构造和落盘时的存储构造是不一样的,最终落盘时须要去掉内存中所占用的有效字节的。比方,varchar(100),如果在内存中调配 100 个字节,而理论只写入“abc”三个字节,那么它所调配的内存是 100 个字节,而落盘时没有用到的 97 个字节是要去掉的,最初 3 个字节写入磁盘时,还要做数据压缩。大家能够构想一下,如果内存中的存储构造不做任何解决间接写入到磁盘,如果数据量十分大,那会多节约磁盘空间!
Numeric 磁盘存储构造解析
构造体 NumericData 是最终落到磁盘上的构造,如下,能够看到 NumericData 蕴含了 NumericLong 和 NumericShort 的 union 字段:
struct NumericLong
{
uint16 n_sign_dscale; /* Sign + display scale */
int16 n_weight; /* Weight of 1st digit */
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* Digits */
};
struct NumericShort
{
uint16 n_header; /* Sign + display scale + weight */
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* Digits */
};
union NumericChoice
{
uint16 n_header; /* Header word */
struct NumericLong n_long; /* Long form (4-byte header) */
struct NumericShort n_short; /* Short form (2-byte header) */
};
struct NumericData
{int32 vl_len_; /* varlena header (do not touch directly!) */
union NumericChoice choice; /* choice of format */
};
构造体 NumericLong
struct NumericLong
{
uint16 n_sign_dscale; /* Sign + display scale */
int16 n_weight; /* Weight of 1st digit */
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* Digits */
};
uint16 n_sign_dscale :第一个字节中高两位 bit 用于保留正负号。
若为 0x0000:则符号位正
若为 0x4000:则符号位负
若为 0xC000:则为 NaN
残余的 14 个 bit 用来保留 display scale(终端界面可显示的范畴)
int16 n_weight:保留权值。这里要解释下权值在这里的含意。在这里 numeric 是用一组 int16 数组示意的,每一个元素用 int16 示意 4 位数字,也就是最大保留 9999。那么基数 base 值就是 10000。这里的权值的 base 值就是 10000(10 进制的权值 base 值是 10,二进制是 2)。
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER] :动静数组(也有叫柔性数组的,在这里对立称动静数组吧),是 C99 之后增加的一个个性。这个个性是在这个构造体中,动静数组并不占用任何空间,其长度由 NumericData 中的 vl_len_ 决定。
这里看到有 long 和 short 两个构造体,对于晚期的 PostgreSQL 版本,应用的是 long 的存储形式,前面进行了优化,改良成 short 的存储形式,改良之后的版本为了放弃向前兼容,能仍然读取之前版本存储的数据,保留了 long 类型的存储形式。
构造体 NumericShort
struct NumericShort
{
uint16 n_header; /* Sign + display scale + weight */
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* Digits */
};
uint16 n_header:保留符号、dynamic scale 和权值的信息。
若为 0xC000 则意味着该 Numeric 为 NaN
残余的 14 个 bit 中,1 个用来保留符号,6 个保留 dynamic scale,7 个用来保留权值 weight。
NumericDigit n_data[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER] :参考上文柔性数组形容。
联合体 NumericChoice
union NumericChoice
{
uint16 n_header; /* Header word */
struct NumericLong n_long; /* Long form (4-byte header) */
struct NumericShort n_short; /* Short form (2-byte header) */
};
uint16 n_header:这个占两个字节的变量蕴含有很多信息。如果 n_header 第一个字节最高两个 bit 位的值为:
0x8000:则采纳 NumericShort 存储格局
0xC000:则为 NaN
除此之外,则采纳 NumericLong 存储格局。
构造体 NumericData
struct NumericData
{int32 vl_len_; /* varlena header (do not touch directly!) */
union NumericChoice choice; /* choice of format */
};
int32 vl_len_:用来保留动静数组的长度,这个数组是 NumericLong 或者 NumericShort 构造体中定义的动静数组。
Numeric 内存计算构造解析
typedef struct NumericVar
{int ndigits; /* # of digits in digits[] - can be 0! */
int weight; /* weight of first digit */
int sign; /* NUMERIC_POS, NUMERIC_NEG, or NUMERIC_NAN */
int dscale; /* display scale */
NumericDigit *buf; /* start of palloc'd space for digits[] */
NumericDigit *digits; /* base-NBASE digits */
} NumericVar;
NumericVar 是用来做算术运算的格局,在 digit-array 局部同存储格局一样,然而在 header 局部更简单。上面别离作剖析:
- buf:指向理论为 NumericVar 申请的内存 start 地位
-
digits:指向理论应用时的第一个数字的地位(这里的元素是 int16,非 0)
- buf 跟 digts 之间个别预留一到两个元素(int16)作为可能的 carry(进位)用,当然,思考到理论 numeric 中 leading 局部可能有好多 0,意味着 buf 跟 digits 之间能够相隔好多个元素
-
dscale:display scale 的缩写,示意 numeric 小数点后有多少个十进制数
- 就目前的版本,总是 >= 0,dscale 的值可能比理论存储的小数位数要大,这象征多进去的局部是 0(trailing zeros),同时也意味着在写入磁盘时,是不会把无意义的 0 写进去的(节约磁盘空间)
-
rscale:这里提一个在函数计算时用到的变量,result scale 的缩写,保留指标计算结果的精度,总是 >= 0
- rscale 并不保留在 NumericVar 中,理论值是依据输出的 dscales 确定的
- sign:标记正负号或者 NAN
-
weight:权值,权值是进制的(位数 -1)幂
- 比方 9999 9999 9999.9999,占用三个 int16,权值是 2(原理跟 10 进制权值一样的算法,只是 int16 的基数值是 10000)
- ndigits:在 digits[] 数组中的 int16 的个数
关注“青云技术社区”公众号,后盾回复关键字“云原生实战”,即可退出课程交换群。
作者
高日耀 资深数据库内核研发、MySQL 系列产品内核开发
本文由博客一文多发平台 OpenWrite 公布!