ActionDB 扩展 OB GIS 能力：新增 ST_PointN 函数

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如何扩展 OceanBase 的 GIS 功能？看 ActionDB 技术团队的一个小案例。

作者：爱可生 ActionDB 技术团队。

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本文约 1900 字，预计阅读需要 6 分钟。

在江苏省某行政单位的 ActionDB 项目中，由于强依赖于地图，功能涉及大量坐标处理，而 OceanBase 原生几何属性函数（Geometry Property Functions）无法满足需求，需要在地理信息系统（Geographic Information System，简称 GIS）功能中增加 ST_PointN 函数。

面对这一挑战，ActionDB 技术团队深入解析了 OceanBase 中已有的 GIS 函数，包括从表达式解析到算法调用的完整逻辑链路。为了实现 ST_PointN 函数，技术团队需在现有基础上注册 ST_PointN 相关元信息，并开发地理（GEO）函数的对应实现，确保 ST_PointN 函数的无缝集成与高效运行。

ST_PointN 函数介绍

ST_PointN 函数用于在给定的几何对象中提取第 N 个点，常用于几何对象分析和地理信息系统（GIS）中。ST_PointN 函数接受一个几何对象（如线或多边形）和一个索引 N，返回该几何对象的第 N 个点。该函数的主要作用是帮助用户从复杂的几何对象中提取具体的点，以便进行进一步的地理分析或处理。

有哪些常见的应用场景？

  • 道路和路线分析：在分析交通路线时，可以提取路线中的特定点以进行详细分析或优化。
  • 环境监测：用于从多边形或线型区域中提取监测点，从而对环境数据进行更精确的分析。
  • 城市规划：在城市规划中，能够从复杂的多边形中提取特定点以帮助规划人员做出决策。
  • 导航系统：导航系统中，通过提取路径中的关键点，优化导航指引和路径规划。

函数功能实现

如何添加注册信息？

添加 ST_PointN 函数 注册信息，需要在 OceanBase 已有的 GIS 相应信息后追加内容。

  1. 定义函数名：在头文件中 ob_name_def.h 中添加函数名名称，以便在其他地方使用和引用。

  2. 定义函数 ID：为函数分配一个唯一的 ID，每个 GIS 系统函数（T_FUN_SYS_ST_xx）的 ID 不重复。

  3. 添加序列化信息：所有的函数与表达式需要在 ObExpr::EvalFunc g_expr_eval_functions 注册，用于函数信息的序列化。

  4. 注册函数实现类：在工厂方法 register_expr_operators 中注册函数实现类，使其可在执行 SQL 查询时被识别并使用。

  5. 添加函数与 GIS 算法的对应信息：由 ob_geo_func_register 维护函数与 GIS 算法的对应关系，添加相应信息。

如何实现 ST_PointN 函数？

算法功能的实现包含两部分：

  1. ObExprSTPointN

表达式处理的入口，负责 GIS 算法参数的有效性检查，并准备 GIS 上下文。

在 SQL 表达式的执行阶段，位于 src/sql/engine/expr 目录下的各模块负责处理各种不同类型的 SQL 表达式（包括 GIS 函数）。该类主要在算法执行前检查输入参数的有效性，并准备好执行 GIS 算法所需的上下文环境。

  1. ObExprSTPointN 算法实现

一旦 ObExprSTPointN 类完成参数检查后，它会调用 ObGeoFunc::geo_func::eval 方法。这会触发模板分发逻辑，最终执行具体的算法模块 ObGeoFuncPointNImpl，实现 ST_PointN 的功能。

1. 添加函数实现类

添加接口说明：

  • calc_result_type1：检查传递参数类型和数量是否正确。

    • calc_result_type 族函数以后缀识别不同的参数个数，如 calc_result_type1 为一个函数参数。

  • eval_st_PointN：检查所生成的 GIS 对象是否合法，检查 GIS 元数据与 GIS 上下文。

    1. 调用 ObGeoTypeUtil 工具类的各个检查接口。
    2. 设置 GIS 函数执行所需的 GIS 对象与 GIS 上下文（gis_ctx），并检查 GIS 相关对象有效。
    3. 验证完成后，最后会调用 ObGeoFunc<ObGeoFuncType::PointN>::geo_func::eval(gis_context, result) 进入模板函数的分发逻辑，最终选择 ObGeoFuncPointNImpl 模块中匹配的 eval 函数。
2. 添加算法实现

实现 ponitN 的 GIS 处理的核心逻辑。

第一步，注册支持的入参 GIS 子类型（如 linestring 和 multi_point）。

第二步，定义 eval 族函数。

第三步，自定义的 pointN 函数。

Boost.Geometry 没有直接提供 pointN 函数，但可以通过访问几何体的内部结构实现类似功能。此方法适用于大多数 Boost.Geometry 提供的几何类型（如 linestring 和 multi_point）。

方案优势

量身定制，满足特定需求
  • 定制化： 通过添加自定义 GIS 函数，如 ST_PointN，可以根据具体应用需求量身定制数据库功能，确保数据库能够精准地满足业务需求，提高数据处理的灵活性和效率。
提高性能和效率
  • 优化算法： 自定义 GIS 函数可以根据实际应用场景进行性能优化，比通用的开源解决方案更高效。这样可以减少复杂 GIS 操作的计算时间，提高查询性能。
增强系统可扩展性
  • 功能扩展： 自定义函数为系统增加了新的功能模块，使得 OceanBase 更加多样化和强大，能够支持更广泛的数据操作需求和业务场景。
提升用户体验
  • 功能丰富： 用户可以直接在数据库中定制函数, 替代复杂的业务 GIS 操作，而不需要借助外部工具或额外的开发工作，简化了开发流程，提高了用户体验和开发效率。
数据安全性和一致性
  • 内部实现： 自定义 GIS 函数在数据库内部实现，减少了数据传输过程中的安全隐患，保证了数据处理的一致性和安全性。
适应快速变化的业务需求
  • 灵活性： 自定义函数使得数据库可以快速响应和适应不断变化的业务需求，无需等待开源社区的更新或第三方工具的升级，显著提高了开发和部署速度。

总结

通过上述步骤，在 OceanBase 中添加并实现了 ST_PointN 函数。具体包括定义函数名和 ID、注册函数、参数类型检查、执行上下文设置、模板函数分发和具体算法实现等子步骤。

最终，通过调用自定义的 pointN 函数，实现了在 OceanBase 中 GIS 功能的扩展。

ST_PointN 函数 的实现，进一步步丰富了 ActionDB 的 GIS 功能矩阵，提升了其在地理信息处理领域的应用价值与竞争力。ActionDB 本着依托开源回馈开源的初衷，本文讨论的 GIS 功能已经提交给 OceanBase 社区版，相信下一个版本可以使用。

什么是 ActionDB？

ActionDB 作为一款卓越的企业级分布式数据库，其设计核心依托于 OceanBase 的开源内核，辅以爱可生在开源数据库领域的深厚积累与技术专长，荣获原厂的正式授权及内核级技术支持。

ActionDB 集 OceanBase 的稳健性与高性能于一身，更进一步强化了与 MySQL 的兼容性，融合爱可生独有的安全特性与用户友好的运维管理工具，缔造了更高品质、更全面的数据库解决方案。

ActionDB 的 MySQL 8.0 协议全面兼容能力，辅以基于 MySQL binlog 的双向复制技术，为业务系统与下游数据平台提供了安全无虞、无缝迁移的完美方案，确保数据迁移的零风险与无感知。

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