Apache Arrow DataFusion 表达式 API 完全指南

Apache Arrow DataFusion 表达式 API 完全指南

arrow-datafusion Apache Arrow DataFusion SQL Query Engine 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/arr/arrow-datafusion

概述

Apache Arrow DataFusion 是一个高性能的查询引擎，它提供了丰富的表达式 API 用于数据转换和计算。本文将全面介绍 DataFusion 中的表达式系统，帮助开发者掌握如何构建复杂的数据处理逻辑。

表达式基础

在 DataFusion 中，表达式是构建查询逻辑的基本单元。它们可以用于 select、filter 等 DataFrame 操作中，支持链式调用风格：

// 创建表达式 `(a > 6) AND (b < 7)`
col("a").gt(lit(6)).and(col("b").lt(lit(7)))

核心表达式类型

1. 标识符表达式

col(ident) 用于引用 DataFrame 中的列：

col("user_name")  // 引用名为"user_name"的列

2. 字面量表达式

lit(value) 用于创建常量值：

lit(42)          // 整数42
lit("hello")     // 字符串"hello"
lit(3.14)        // 浮点数3.14

逻辑运算表达式

DataFusion 提供了完整的逻辑运算支持：

| 运算类型 | 方法示例 | 说明 | |---------|---------|------| | 与运算 | x.and(y) | 逻辑AND | | 或运算 | x.or(y) | 逻辑OR | | 非运算 | x.not() | 逻辑NOT |

注意：Rust 中的 && 和 || 运算符不能用于表达式构建。

位运算表达式

DataFusion 支持多种位运算：

col("flags") & lit(0x01)  // 位与运算
col("value") << lit(2)    // 左移2位

比较表达式

完整的比较运算符支持：

col("age").gt(lit(18))      // age > 18
col("name").eq(lit("Tom"))  // name == "Tom"

算术表达式

支持基本数学运算：

(col("price") * col("quantity")).alias("total")  // 计算总价

数学函数

DataFusion 提供了丰富的数学函数：

基本数学函数

• abs(x) - 绝对值
• sqrt(x) - 平方根
• power(base, exp) - 幂运算

三角函数

• sin(x), cos(x), tan(x) - 基本三角函数
• asin(x), acos(x), atan(x) - 反三角函数

对数函数

• ln(x) - 自然对数
• log10(x) - 以10为底对数
• log2(x) - 以2为底对数

特性说明：DataFusion 的数学函数行为与 Rust 标准库一致，在非法输入时会返回 NaN 或无穷大，而不会抛出错误。

条件表达式

CASE 表达式

case(col("score"))
    .when(lit(100), lit("满分"))
    .when(lit(90).lt_eq(col("score")), lit("优秀"))
    .otherwise(lit("及格"))

空值处理

• coalesce(a, b, c) - 返回第一个非空参数
• nullif(a, b) - 如果a等于b则返回NULL，否则返回a

字符串处理

DataFusion 提供了全面的字符串处理功能：

基本操作

• concat(str1, str2) - 字符串连接
• lower(str), upper(str) - 大小写转换
• trim(str) - 去除两端空格

高级功能

• substring(str, start, length) - 子字符串提取
• regexp_match(str, pattern) - 正则匹配
• md5(str) - 计算MD5哈希值

最佳实践

1. 表达式组合：充分利用链式调用构建复杂表达式

   col("price")
       .mul(col("quantity"))
       .alias("total_price"))
   

2. 性能考虑：复杂的数学运算尽量在查询前简化

3. 空值处理：使用 coalesce 提供默认值，避免 NULL 传播

总结

DataFusion 的表达式 API 提供了强大而灵活的数据处理能力，从简单的列引用到复杂的条件逻辑和数学计算。掌握这些表达式是高效使用 DataFusion 的关键。通过本文的介绍，开发者应该能够构建出满足各种数据处理需求的表达式逻辑。

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