DuckDB扩展开发：自定义函数与操作符编写
项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/du/duckdb DuckDB作为嵌入式SQL OLAP数据库，支持通过扩展机制添加自定义功能。本文将详细介绍如何开发DuckDB扩展，重点讲解自定义函数与操作符的实现方法，帮助开发者扩展DuckDB的数据分析能力。
扩展开发基础
DuckDB的扩展系统允许开发者添加新的函数、数据类型、优化规则等。扩展开发主要涉及以下核心文件：
- 扩展入口文件：如extension/core_functions/core_functions_extension.cpp，定义扩展的加载逻辑和元数据。
- 函数注册文件：如extension/core_functions/function_list.cpp，维护函数注册表，将自定义函数与DuckDB内核关联。
- 函数实现文件：如extension/core_functions/sum.cpp、extension/core_functions/string_agg.cpp，包含具体的函数计算逻辑。
扩展开发的基本流程如下：
自定义标量函数
标量函数（Scalar Function）接收输入值并返回单个结果。以下是实现一个计算字符串长度的自定义标量函数的步骤：
1. 定义函数结构
在函数实现文件（如custom_functions.cpp）中，定义函数的参数校验和执行逻辑：
#include "duckdb/function/scalar_function.hpp"
#include "duckdb/common/vector_operations/vector_operations.hpp"
using namespace duckdb;
// 函数执行逻辑
static void StringLengthFunction(DataChunk &args, ExpressionState &state, Vector &result) {
auto &input = args.data[0];
BinaryExecutor::Execute<string_t, int32_t>(
input, result, args.size(),
& { return input.GetSize(); });
}
// 函数注册信息
ScalarFunction StringLengthFun({LogicalType::VARCHAR}, LogicalType::INTEGER, StringLengthFunction);
2. 注册函数到扩展
在函数注册文件中添加函数定义，使用DUCKDB_SCALAR_FUNCTION宏完成注册：
// 在function_list.cpp的core_functions数组中添加
DUCKDB_SCALAR_FUNCTION(StringLengthFun),
3. 扩展入口配置
修改扩展入口文件，确保函数被正确加载：
// 在core_functions_extension.cpp的LoadInternal函数中注册
void LoadInternal(ExtensionLoader &loader) {
FunctionList::RegisterExtensionFunctions(loader, CoreFunctionList::GetFunctionList());
}
自定义聚合函数
聚合函数（Aggregate Function）对一组值进行计算并返回单个结果（如SUM、AVG）。以下是实现自定义聚合函数的关键步骤：
1. 定义聚合状态与操作
聚合函数需要维护中间计算状态，需定义状态结构体及对应的初始化、更新、合并和最终计算逻辑：
#include "duckdb/function/aggregate_function.hpp"
struct CustomSumState {
int64_t sum;
CustomSumState() : sum(0) {}
};
// 初始化状态
static void CustomSumInit(ExpressionState &state, AggregateData &data) {
data.AddState<CustomSumState>();
}
// 更新状态（处理输入数据）
static void CustomSumUpdate(Vector inputs[], AggregateData &data, idx_t input_count, idx_t row_idx) {
auto &state = data.GetState<CustomSumState>();
int64_t value = inputs[0].GetValue<int64_t>(row_idx);
state.sum += value;
}
// 合并状态（用于并行计算）
static void CustomSumCombine(AggregateData &state, AggregateData &combined) {
auto &s = state.GetState<CustomSumState>();
auto &c = combined.GetState<CustomSumState>();
c.sum += s.sum;
}
// 计算最终结果
static void CustomSumFinalize(Vector &result, AggregateData &data) {
auto &state = data.GetState<CustomSumState>();
result.SetValue(0, Value::BIGINT(state.sum));
}
// 注册聚合函数
AggregateFunction CustomSumFun({LogicalType::BIGINT}, LogicalType::BIGINT,
CustomSumInit, CustomSumUpdate, CustomSumCombine, CustomSumFinalize);
2. 注册聚合函数
在函数注册文件中使用DUCKDB_AGGREGATE_FUNCTION宏注册：
// 在function_list.cpp中添加
DUCKDB_AGGREGATE_FUNCTION(CustomSumFun),
自定义操作符
DuckDB支持自定义操作符（如+、-），通过重载操作符函数实现。以下是实现自定义字符串连接操作符|||的示例：
1. 定义操作符函数
static void Concat3Operator(DataChunk &args, ExpressionState &state, Vector &result) {
auto &left = args.data[0];
auto &middle = args.data[1];
auto &right = args.data[2];
TernaryExecutor::Execute<string_t, string_t, string_t, string_t>(
left, middle, right, result, args.size(),
& {
return StringUtil::Concat(a.GetString(), b.GetString(), c.GetString());
});
}
// 定义操作符类型和优先级
ScalarFunction Concat3Fun({LogicalType::VARCHAR, LogicalType::VARCHAR, LogicalType::VARCHAR},
LogicalType::VARCHAR, Concat3Operator);
2. 绑定操作符到语法解析器
需修改解析器代码（如src/parser/parser.cpp），将操作符符号与函数关联：
parser.AddOperator("|||", Precedence::CONCAT, Concat3Fun);
扩展编译与测试
1. 配置CMakeLists.txt
在扩展目录下创建CMakeLists.txt，指定编译规则：
add_library(custom_functions_extension SHARED
custom_functions.cpp
function_list.cpp
)
target_link_libraries(custom_functions_extension duckdb)
2. 编译扩展
执行以下命令编译扩展：
mkdir build && cd build
cmake ..
make custom_functions_extension
3. 加载与测试扩展
在DuckDB客户端中加载扩展并测试自定义函数：
LOAD 'build/extension/custom_functions/libcustom_functions_extension.so';
-- 测试标量函数
SELECT string_length('hello world'); -- 应返回11
-- 测试聚合函数
SELECT custom_sum(id) FROM test_table;
-- 测试操作符
SELECT 'a' ||| 'b' ||| 'c'; -- 应返回'abc'
高级技巧与最佳实践
1. 向量化执行优化
DuckDB采用向量化执行引擎，自定义函数应尽量使用Vector API批量处理数据，避免逐行操作。例如使用BinaryExecutor、TernaryExecutor等工具类：
// 批量处理示例
BinaryExecutor::Execute<string_t, int32_t>(
input, result, args.size(),
& { return input.GetSize(); });
2. 类型适配与多态函数
通过ScalarFunctionSet支持多类型输入，例如同时处理INT和BIGINT：
ScalarFunctionSet AddFun("add");
AddFun.AddFunction(ScalarFunction({LogicalType::INTEGER, LogicalType::INTEGER}, LogicalType::INTEGER, AddIntFunction));
AddFun.AddFunction(ScalarFunction({LogicalType::BIGINT, LogicalType::BIGINT}, LogicalType::BIGINT, AddBigIntFunction));
3. 内存管理
使用DuckDB的内存池（MemoryPool）管理临时内存，避免内存泄漏：
auto &pool = args.chunk->pool;
auto result_str = StringVector::Empty(pool);
// 填充结果...
result = result_str;
扩展开发目录结构
推荐的扩展目录结构如下，参考extension/core_functions组织：
custom_extension/
├── CMakeLists.txt # 编译配置
├── custom_extension.cpp # 扩展入口
├── function_list.cpp # 函数注册
├── scalar/ # 标量函数实现
│ ├── string_functions.cpp
│ └── math_functions.cpp
└── aggregate/ # 聚合函数实现
├── sum_functions.cpp
└── avg_functions.cpp
通过本文介绍的方法，开发者可以快速实现自定义函数与操作符，扩展DuckDB的数据分析能力。更多示例可参考DuckDB内置函数实现，如extension/core_functions/sum.cpp（求和函数）和extension/core_functions/string_agg.cpp（字符串聚合函数）。
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
