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2.4 Serialize() 和 Deserialize()
在 DuckDB 的架构中，TableRef 是一个核心组件，用于表示查询中的表引用。它不仅是一个抽象基类，还通过多种子类实现支持了复杂多样的表引用场景。本文将从源码层面深入分析 TableRef 的设计思想及其子类的实现细节。
TableRef 的设计及实现
设计思想
TableRef 是一个抽象基类，用于表示查询中的表引用。它在解析 SQL 查询时被定义，并在后续的绑定和优化阶段中被进一步处理。TableRef 的设计思想主要体现在以下几个方面：
1）抽象性与扩展性
TableRef 是一个抽象类，定义了表引用的基本接口和行为。通过继承 TableRef，DuckDB 实现了多种具体的表引用类型，例如：
BaseTableRef：表示普通表引用。
SubqueryRef：表示子查询引用。
JoinRef：表示连接操作的表引用。
TableFunctionRef：表示通过表函数生成的表引用。EmptyTableRef：空表引用
这种设计使得 DuckDB 能够灵活地处理各种复杂的查询场景。
2）模块化与解耦
TableRef 的设计将表引用逻辑与查询解析、执行计划生成等模块分离。这种解耦使得 DuckDB 的代码更加模块化，便于维护和扩展。
3）支持多种数据源
通过 TableRef 的子类实现，DuckDB 能够支持多种数据源，包括本地表、内存表、外部表以及通过表函数生成的虚拟表。
实现剖析
TableRef是个多态类，通过继承和多态机制支持多种表引用类型（如普通表、子查询、表函数等）。以下是对 TableRef 类及其设计思想的详细分析：
1）类的定义与结构
namespace duckdb {
//! Represents a generic expression that returns a table.
class TableRef {
public:
static constexpr const TableReferenceType TYPE = TableReferenceType::INVALID;
public:
explicit TableRef(TableReferenceType type) : type(type) {
}
virtual ~TableRef() {
}
TableReferenceType type;
string alias;
//! Sample options (if any)
unique_ptr<SampleOptions> sample;
//! The location in the query (if any)
optional_idx query_location;
//! External dependencies of this table function
shared_ptr<ExternalDependency> external_dependency;
//! Aliases for the column names
vector<string> column_name_alias;
public:
//! Convert the object to a string
virtual string ToString() const = 0;
string BaseToString(string result) const;
string BaseToString(string result, const vector<string> &column_name_alias) const;
void Print();
virtual bool Equals(const TableRef &other) const;
static bool Equals(const unique_ptr<TableRef> &left, const unique_ptr<TableRef> &right);
virtual unique_ptr<TableRef> Copy() = 0;
//! Copy the properties of this table ref to the target
void CopyProperties(TableRef &target) const;
virtual void Serialize(Serializer &serializer) const;
static unique_ptr<TableRef> Deserialize(Deserializer &deserializer);
public:
template <class TARGET>
TARGET &Cast() {
if (type != TARGET::TYPE && TARGET::TYPE != TableReferenceType::INVALID) {
throw InternalException("Failed to cast constraint to type - constraint type mismatch");
}
return reinterpret_cast<TARGET &>(*this);
}
template <class TARGET>
const TARGET &Cast() const {
if (type != TARGET::TYPE && TARGET::TYPE != TableReferenceType::INVALID) {
throw InternalException("Failed to cast constraint to type - constraint type mismatch");
}
return reinterpret_cast<const TARGET &>(*this);
}
};
} // namespace duckdb1.1 构造函数与析构函数
-
TableRef的构造函数接受一个TableReferenceType参数，用于初始化type属性。TableReferenceType是一个枚举类型，用于区分不同的表引用类型（如普通表、子查询、表函数等）。 -
析构函数是虚函数，这表明
TableRef是一个多态类，允许派生类覆盖析构函数。
1.2 成员变量
-
代码中实际支持的表类型很多：TableReferenceType type：表示表引用的类型enum class TableReferenceType : uint8_t { INVALID = 0, // invalid table reference type BASE_TABLE = 1, // base table reference SUBQUERY = 2, // output of a subquery JOIN = 3, // output of join TABLE_FUNCTION = 5, // table producing function EXPRESSION_LIST = 6, // expression list CTE = 7, // Recursive CTE EMPTY_FROM = 8, // placeholder for empty FROM PIVOT = 9, // pivot statement SHOW_REF = 10, // SHOW statement COLUMN_DATA = 11, // column data collection DELIM_GET = 12 // Delim get ref };但我们比较常用的主要是这几类：
-
BASE_TABLE：表示普通表引用 -
SUBQUERY：表示子查询引用 -
JOIN：表示连接操作的表引用 -
TABLE_FUNCTION：表示通过表函数生成的表引用 -
EMPTY_FROM：表示来自空表
-
-
string alias：表的别名，用于查询中引用。 -
unique_ptr<SampleOptions> sample：用于存储采样选项（如果有的话）。这可能是用于优化查询的采样策略。 -
optional_idx query_location：表示表引用在SQL查询语句中的位置（例如，解析时的行号或列号）。 -
shared_ptr<ExternalDependency> external_dependency：表示表引用的外部依赖。主要应用于表函数类型场景，用于获取外部扩展，优雅引入依赖项。关于外部依赖项的扩展细节，可以参考：依赖管理在 DuckDB 扩展中的应用 -
vector<string> column_name_alias：列名的别名集合，用于在查询中重命名列。
1.3 关于SampleOption
在 DuckDB 中，SampleOptions 是用于定义采样操作的配置选项。采样允许用户从数据集中随机选择一个子集，从而在探索数据时提高查询效率。
采样方法
DuckDB 支持以下三种采样方法：
-
Reservoir Sampling：用于精确采样固定数量的行。例如：
SELECT * FROM tbl USING SAMPLE reservoir(50 ROWS);这种方法支持精确采样，但可能需要更多计算资源。
-
Bernoulli Sampling：基于概率独立地对每一行进行采样。例如：
SELECT * FROM tbl USING SAMPLE 10 PERCENT (bernoulli);这种方法适用于较小的数据集。
-
System Sampling：基于向量（通常是 1024 行）的概率进行采样。例如：
SELECT * FROM tbl USING SAMPLE 10%;这是默认的采样方法，适用于较大的数据集。
采样选项的用途
采样在以下场景中非常有用：
-
快速探索数据：当用户只需要大致了解数据的分布时，采样可以显著提高查询速度。
-
优化查询性能：通过减少处理的数据量，采样可以加速查询执行。
-
数据预览：在数据探索阶段，采样可以帮助用户快速获取数据的概览。
通过这些采样方法和选项，DuckDB 提供了灵活且高效的数据探索和分析能力。
1.4 关于query_location
query_location 是一个成员变量，用于记录表引用在查询中的位置信息。具体来说，query_location 是一个 optional_idx 类型的变量，表示表引用在查询字符串中的位置（通常是行号或列号）。它的主要作用是帮助调试和错误报告。
query_location 的含义
-
调试和错误报告
当查询解析失败或执行时出现问题时，query_location可以帮助定位问题的来源。通过记录表引用在查询字符串中的具体位置，DuckDB 可以为用户提供更详细的错误信息，指出问题出现在查询的哪一行或哪一列。 -
优化器和查询计划
在某些情况下，query_location也可以用于优化器的决策过程。例如，优化器可能会根据表引用在查询中的位置来调整查询计划的生成顺序。 -
用户友好的错误提示
当用户提交的查询存在语法错误或逻辑问题时，query_location可以帮助生成更友好的错误提示。例如：SELECT * FROM non_existent_table;如果
non_existent_table不存在，DuckDB 可以利用query_location提供类似以下的错误信息：Error: Table "non_existent_table" does not exist. (at line 1, column 14)
optional_idx 的含义
optional_idx 是一个可选的索引类型，通常用于表示可能为空的位置信息。它可能是 std::optional 或类似的数据结构，用于在表引用没有明确的位置信息时提供默认值（例如 std::nullopt）。
示例
假设我们有以下查询：
SELECT * FROM my_table WHERE column_name = 'value';在这个查询中，my_table 是一个表引用。如果 query_location 被设置为 (1, 14)，则表示 my_table 的引用位于查询字符串的第 1 行、第 14 列。
2）多态与虚函数
TableRef 是一个多态类，通过虚函数支持多态行为。以下是关键的虚函数：
2.1 ToString()
virtual string ToString() const = 0;-
这是一个纯虚函数，要求派生类实现。它用于将
TableRef对象转换为字符串表示，便于调试和日志记录。 -
BaseToString()是一个辅助函数，用于在派生类中生成基础的字符串表示。
2.2 Equals()
virtual bool Equals(const TableRef &other) const;
static bool Equals(const unique_ptr<TableRef> &left, const unique_ptr<TableRef> &right);-
这个函数用于比较两个
TableRef对象是否相等。它在查询优化和等价性检查中非常有用。 -
静态版本的
Equals()允许比较两个智能指针指向的TableRef对象。
2.3 Copy()
virtual unique_ptr<TableRef> Copy() = 0;-
这是一个纯虚函数，要求派生类实现。它用于创建
TableRef对象的深拷贝，便于在查询优化和计划生成中复制表引用。
2.4 Serialize() 和 Deserialize()
virtual void Serialize(Serializer &serializer) const;
static unique_ptr<TableRef> Deserialize(Deserializer &deserializer);-
这些函数用于序列化和反序列化
TableRef对象，支持将表引用持久化或在网络中传输。
3） 模板方法 Cast()
template <class TARGET>
TARGET &Cast() {
if (type != TARGET::TYPE && TARGET::TYPE != TableReferenceType::INVALID) {
throw InternalException("Failed to cast constraint to type - constraint type mismatch");
}
return reinterpret_cast<TARGET &>(*this);
}-
Cast()是一个模板方法，用于将TableRef对象强制转换为派生类类型。 -
它通过检查
type和TARGET::TYPE是否匹配来确保类型安全。 -
如果类型不匹配，会抛出异常。这在运行时动态检查类型时非常有用。
TableRef 的子类实现与应用场景
TableRef 的子类在 DuckDB 中扮演着具体的表引用角色，以下是一些主要的子类及其应用场景。
1. BaseTableRef
BaseTableRef 是 TableRef 的一个子类，用于表示普通的基表引用。它是最简单的表引用类型，直接指向数据库中的某个物理表。
在源码中，BaseTableRef 的定义如下：
struct BaseTableRef : public TableRef {
string schema_name;
string table_name;
vector<string> column_names;
};-
schema_name和table_name用于标识表的位置。 -
column_names用于指定查询中涉及的列。
应用场景：
-
查询数据库中的物理表，例如
SELECT * FROM table_name。 -
作为其他复杂查询的基础表引用。
2. SubqueryRef
SubqueryRef 表示子查询引用。它允许用户在查询中嵌套子查询，并将其作为表的一部分进行处理。
在源码中，SubqueryRef 的定义如下：
struct SubqueryRef : public TableRef {
unique_ptr<QueryNode> subquery;
string alias;
};-
subquery是嵌套的子查询。 -
alias是子查询的别名。
应用场景：
-
在
FROM子句中嵌套子查询，例如SELECT * FROM (SELECT * FROM table_name WHERE condition) AS subquery。 -
实现复杂的查询逻辑，如分组、聚合等。
3. JoinRef
JoinRef 是用于表示表连接操作的表引用。它支持多种连接类型，如内连接、外连接等。
在源码中，JoinRef 的定义如下：
struct JoinRef : public TableRef {
unique_ptr<TableRef> left;
unique_ptr<TableRef> right;
JoinType join_type;
unique_ptr<ParsedExpression> condition;
};-
left和right是连接的左右表引用。 -
join_type指定连接类型（如INNER JOIN、LEFT JOIN等）。 -
condition是连接条件。
应用场景：
-
实现表之间的连接操作，例如
SELECT * FROM table1 JOIN table2 ON table1.id = table2.id。 -
支持复杂的多表连接查询。
4. TableFunctionRef
TableFunctionRef 表示通过表函数生成的虚拟表。表函数是一种特殊的函数，可以在查询的 FROM 子句中被调用。
在源码中，TableFunctionRef 的定义如下：
struct TableFunctionRef : public TableRef {
string function_name;
vector<unique_ptr<ParsedExpression>> arguments;
};-
function_name是表函数的名称。 -
arguments是表函数的参数。
应用场景：
-
使用表函数生成动态数据，例如
SELECT * FROM table_function()。 -
支持用户自定义的表函数，扩展数据库的功能。
5. EmptyTableRef
EmptyTableRef 是一个特殊的表引用，表示一个空表。它通常用于某些查询优化场景。
在源码中，EmptyTableRef 的定义如下：
struct EmptyTableRef : public TableRef {};它是一个空的表引用，不包含任何数据。
应用场景：
-
在查询优化中，当某个表的引用不会产生任何数据时，可以使用
EmptyTableRef来简化查询计划。
关于 TableFunctionRef
其他类型的表类型大家都比较熟悉，我么这里着重说下 TABLE_FUNCTION 类型表
在 DuckDB 中，TableFunctionRef 是一个用于表示表函数引用的类。表函数是一种特殊的函数，可以在 SQL 查询的 FROM 子句中被调用，并返回一个表结构的结果。这种机制允许用户通过自定义函数生成动态数据，从而扩展数据库的功能。
TableFunctionRef 的作用
TableFunctionRef 是 TableRef 的子类，用于表示通过表函数生成的表引用。它允许用户在查询中使用自定义的表函数，这些函数可以基于输入参数动态生成数据。例如：
SELECT * FROM my_table_function(param1, param2);在这个例子中，my_table_function 是一个表函数，它接受参数 param1 和 param2，并返回一个表结构的结果。
表函数的定义与注册
表函数需要通过 C++ API 定义和注册到 DuckDB 中。以下是一个典型的表函数定义和注册流程：
-
创建表函数对象：
duckdb_table_function table_function = duckdb_create_table_function(); -
设置表函数的名称和参数：
duckdb_table_function_set_name(table_function, "my_table_function"); duckdb_table_function_add_parameter(table_function, duckdb_logical_type(DUCKDB_TYPE_INTEGER)); -
定义绑定、初始化和主函数：
-
绑定函数：用于在查询绑定阶段初始化表函数。
-
初始化函数：用于在查询执行前初始化线程局部数据。
-
主函数：用于实际生成表数据。
duckdb_table_function_set_bind(table_function, my_bind_function); duckdb_table_function_set_init(table_function, my_init_function); duckdb_table_function_set_function(table_function, my_function); -
-
注册表函数：
duckdb_register_table_function(connection, table_function);
表函数的执行
当表函数被调用时，DuckDB 会依次调用绑定、初始化和主函数：
-
绑定阶段：绑定函数用于解析参数并设置表函数的输出列。
-
初始化阶段：初始化函数用于为每个线程分配局部数据。
-
执行阶段：主函数用于生成表数据。
示例：表函数的使用
以下是一个简单的表函数示例，假设我们定义了一个名为 generate_series 的表函数，它生成一个数字序列：
-- 调用表函数生成数字序列
SELECT * FROM generate_series(1, 10);支持投影下推
表函数可以支持投影下推（Projection Pushdown），这意味着查询优化器可以将查询中需要的列信息传递给表函数，从而减少不必要的计算。
小结
TableFunctionRef 是 DuckDB 中用于表示表函数引用的核心类。它允许用户通过自定义表函数动态生成数据，并在查询中使用这些函数。通过定义和注册表函数，用户可以扩展 DuckDB 的功能，实现复杂的动态数据处理。
总结
TableRef 及其子类的设计体现了 DuckDB 对灵活性、扩展性和模块化的追求。通过抽象基类和多种子类的实现，DuckDB 能够高效地处理各种复杂的查询场景，支持多种数据源和查询逻辑。这种设计不仅提升了系统的可维护性，也为开发者提供了强大的功能扩展能力。
在未来，随着 DuckDB 的不断发展，TableRef 的设计可能会进一步优化，以支持更多复杂的数据处理场景和性能优化需求。
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