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MariaDB类型封装策略分析

2022-10-157.3k 阅读

MariaDB 类型系统概述

在 MariaDB 数据库中，类型系统是基础且关键的组成部分。它定义了数据在数据库中的存储格式以及可执行的操作。MariaDB 支持多种数据类型，大致可分为数值类型、日期和时间类型、字符串类型、二进制类型以及 JSON 类型等。

数值类型

数值类型用于存储数字数据，包括整数和浮点数。

  • 整数类型：有 TINYINT、SMALLINT、MEDIUMINT、INT（或 INTEGER）、BIGINT。例如，TINYINT 通常占用 1 字节，范围是 -128 到 127（有符号）或 0 到 255（无符号）。其定义方式如下：
CREATE TABLE int_table (
    tinyint_col TINYINT,
    smallint_col SMALLINT,
    int_col INT
);
  • 浮点数类型：FLOAT 和 DOUBLE 用于存储近似值，DECIMAL 用于存储精确值。FLOAT 通常占用 4 字节，DOUBLE 占用 8 字节，而 DECIMAL 的存储空间取决于定义的精度和标度。例如：
CREATE TABLE float_table (
    float_col FLOAT,
    double_col DOUBLE,
    decimal_col DECIMAL(5, 2)
);

日期和时间类型

日期和时间类型用于存储日期和时间相关的数据。

  • DATE：只存储日期，格式为 YYYY-MM-DD，占用 3 字节。
  • TIME：存储时间，格式为 HH:MM:SS，占用 3 字节。
  • DATETIME：存储日期和时间，格式为 YYYY-MM-DD HH:MM:SS，占用 8 字节。
  • TIMESTAMP：也存储日期和时间，但范围较小，占用 4 字节，且会自动更新为当前时间戳（在插入或更新操作时）。例如：
CREATE TABLE date_table (
    date_col DATE,
    time_col TIME,
    datetime_col DATETIME,
    timestamp_col TIMESTAMP
);

字符串类型

字符串类型用于存储文本数据。

  • CHAR：固定长度字符串，最多可存储 255 个字符。定义时需指定长度，例如 CHAR(10)。即使存储的字符数小于指定长度，也会占用指定的存储空间。
  • VARCHAR：可变长度字符串，最多可存储 65535 字节（受限于最大行大小）。例如 VARCHAR(255)。实际占用空间为字符串长度加上 1 或 2 字节（取决于最大长度是否超过 255）。
CREATE TABLE string_table (
    char_col CHAR(10),
    varchar_col VARCHAR(255)
);
  • TEXT：用于存储大文本，有 TINYTEXT、TEXT、MEDIUMTEXT、LONGTEXT 等不同大小限制的类型。例如：
CREATE TABLE text_table (
    tinytext_col TINYTEXT,
    text_col TEXT
);

二进制类型

二进制类型用于存储二进制数据。

  • BINARY 和 VARBINARY：类似于 CHAR 和 VARCHAR，但存储的是二进制数据。
  • BLOB：有 TINYBLOB、BLOB、MEDIUMBLOB、LONGBLOB 等，用于存储大二进制对象。例如：
CREATE TABLE binary_table (
    binary_col BINARY(10),
    varbinary_col VARBINARY(255),
    blob_col BLOB
);

JSON 类型

从 MariaDB 10.2 版本开始支持 JSON 类型。JSON 类型允许在数据库中存储和查询 JSON 格式的数据。例如：

CREATE TABLE json_table (
    json_col JSON
);
INSERT INTO json_table (json_col) VALUES ('{"name": "John", "age": 30}');

MariaDB 类型封装的需求

随着数据库应用场景的不断拓展和复杂化，对数据类型进行封装变得愈发重要。

提高数据安全性

在多用户和多应用程序共享数据库的环境中，直接暴露底层数据类型可能带来安全风险。例如，对于敏感的数值数据，如用户的财务信息，如果直接以普通整数类型存储并暴露给应用程序，可能会被恶意篡改或误操作。通过类型封装，可以对数据进行访问控制和加密处理。例如，创建一个封装的 “加密数值类型”，在存储时对数值进行加密，在读取时进行解密。这样，即使数据库被非法访问，数据也难以被解读。

增强数据的语义表达

原始的数据类型往往只能表达数据的存储格式，缺乏语义信息。比如，一个 INT 类型的字段可能用于存储用户的年龄，也可能用于存储商品的库存数量。通过类型封装，可以创建具有明确语义的数据类型，如 AgeType、StockQuantityType。这样，在数据库设计和应用程序开发过程中，能够更清晰地表达数据的含义，减少错误和误解。

简化应用程序开发

应用程序在与数据库交互时，需要处理不同的数据类型转换和验证逻辑。如果数据库提供了封装好的类型，应用程序可以直接使用这些类型，而无需进行复杂的转换。例如，对于日期类型，应用程序通常需要处理不同格式的日期输入和输出。通过封装一个 “日期处理类型”，数据库可以自动处理日期格式的转换和验证，使应用程序开发更加简单高效。

适应特定业务需求

不同的业务场景可能对数据类型有特殊的要求。例如，在金融业务中，对货币金额的存储和计算需要高精度。通过封装一个 “货币类型”，可以满足这种高精度计算和存储的需求，同时提供专门的货币运算函数，如加法、减法、乘法等，确保金融业务的准确性。

MariaDB 类型封装实现方式

在 MariaDB 中，可以通过多种方式实现类型封装。

使用存储过程和函数

存储过程和函数是 MariaDB 中封装逻辑的重要手段。可以创建存储过程和函数来处理特定类型的数据操作，从而实现类型封装的效果。

例如，假设我们要封装一个 “加密字符串类型”。首先，创建一个加密函数：

DELIMITER //
CREATE FUNCTION encrypt_string(str VARCHAR(255)) RETURNS VARCHAR(255)
DETERMINISTIC
BEGIN
    -- 简单的加密逻辑，这里使用反转字符串作为示例
    DECLARE encrypted_str VARCHAR(255);
    SET encrypted_str = REVERSE(str);
    RETURN encrypted_str;
END //
DELIMITER ;

然后，创建一个存储过程用于插入加密后的数据：

DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_encrypted_data (IN data VARCHAR(255))
BEGIN
    DECLARE encrypted_data VARCHAR(255);
    SET encrypted_data = encrypt_string(data);
    INSERT INTO encrypted_table (encrypted_col) VALUES (encrypted_data);
END //
DELIMITER ;

这里，encrypted_table 是一个存储加密数据的表：

CREATE TABLE encrypted_table (
    encrypted_col VARCHAR(255)
);

通过这种方式，应用程序只需要调用存储过程 insert_encrypted_data 来插入数据，而无需关心加密的具体实现，实现了 “加密字符串类型” 的封装。

利用视图

视图可以将多个表或查询结果组合成一个虚拟表。通过在视图中进行数据类型转换和处理，可以实现类型封装。

假设我们有一个包含日期和销售额的表 sales_table：

CREATE TABLE sales_table (
    sale_date DATE,
    sale_amount DECIMAL(10, 2)
);

我们可以创建一个视图，将日期格式化为更友好的字符串，并对销售额进行一些计算：

CREATE VIEW formatted_sales_view AS
SELECT
    DATE_FORMAT(sale_date, '%Y-%m-%d') AS formatted_date,
    sale_amount * 1.1 AS increased_amount
FROM
    sales_table;

在这个视图中，我们将 DATE 类型的 sale_date 转换为字符串类型的 formatted_date，并对 sale_amount 进行了计算。应用程序可以直接查询这个视图，而无需处理原始表中的数据类型转换，实现了一种类型封装。

自定义数据类型（通过插件或扩展）

对于更复杂的类型封装需求，可以通过编写 MariaDB 插件或扩展来实现自定义数据类型。

以开发一个自定义的 “向量类型” 为例，假设我们要在数据库中存储和处理向量数据（例如二维向量）。

首先，需要编写 C/C++ 代码来实现向量的存储、读取和操作逻辑。这涉及到创建新的数据结构来表示向量，并实现相关的函数，如向量加法、减法等。

然后，将这些代码编译成 MariaDB 插件。在 MariaDB 中注册这个插件后，就可以在数据库中使用自定义的 “向量类型”。例如，可以创建一个表来存储向量数据：

CREATE TABLE vector_table (
    vector_col VECTOR_TYPE
);

这里的 VECTOR_TYPE 就是我们自定义的向量类型。应用程序可以通过特定的函数来操作这些向量数据，如 add_vectors 函数用于计算两个向量的和。

MariaDB 类型封装的应用场景

金融行业应用

在金融领域，对数据的准确性和安全性要求极高。

  • 货币金额处理：可以封装一个 “货币类型”。这个类型不仅要保证高精度的存储和计算，还要处理货币的舍入规则。例如，在计算利息和交易金额时，需要精确到小数点后两位，并且按照特定的舍入规则进行处理。
-- 创建货币类型相关的函数
DELIMITER //
CREATE FUNCTION add_currency(amount1 DECIMAL(10, 2), amount2 DECIMAL(10, 2)) RETURNS DECIMAL(10, 2)
DETERMINISTIC
BEGIN
    DECLARE result DECIMAL(10, 2);
    SET result = ROUND(amount1 + amount2, 2);
    RETURN result;
END //
DELIMITER ;

然后可以在存储过程或视图中使用这个函数来处理货币金额的计算，实现货币类型的封装。

  • 交易记录加密：对于金融交易记录，如账户余额、交易金额等敏感信息，需要进行加密存储。可以封装一个 “加密金融数据类型”，在存储时对数据进行加密，在读取时进行解密。例如，使用对称加密算法（如 AES）对交易金额进行加密和解密。

医疗行业应用

医疗行业涉及大量的患者数据管理，数据类型封装可以提高数据管理的效率和安全性。

  • 患者出生日期处理：可以封装一个 “患者出生日期类型”。这个类型不仅存储日期，还可以提供一些辅助功能，如计算患者年龄、验证出生日期的合理性等。
-- 创建计算患者年龄的函数
DELIMITER //
CREATE FUNCTION calculate_age(birth_date DATE) RETURNS INT
DETERMINISTIC
BEGIN
    DECLARE age INT;
    SET age = TIMESTAMPDIFF(YEAR, birth_date, CURDATE());
    RETURN age;
END //
DELIMITER ;

通过这种方式，在处理患者信息表时，可以更方便地获取患者年龄等信息。

  • 医疗记录加密：患者的医疗记录包含敏感信息，如疾病诊断、治疗方案等。可以封装一个 “加密医疗记录类型”，对这些记录进行加密存储，只有授权的医护人员能够解密和查看。

物联网（IoT）应用

在 IoT 场景中，大量的传感器数据需要存储和处理。

  • 传感器数据类型封装：不同类型的传感器产生不同格式的数据，如温度传感器产生数值型数据，位置传感器产生经纬度数据（可以封装为 “地理位置类型”）。对于温度传感器数据，可以封装一个 “温度类型”，这个类型不仅存储温度值，还可以设置温度的上下限，当数据超出范围时进行报警。
-- 创建温度类型相关的函数
DELIMITER //
CREATE FUNCTION check_temperature(temperature DECIMAL(5, 2)) RETURNS VARCHAR(20)
DETERMINISTIC
BEGIN
    DECLARE result VARCHAR(20);
    IF temperature < 0 OR temperature > 100 THEN
        SET result = 'Out of range';
    ELSE
        SET result = 'Normal';
    END IF;
    RETURN result;
END //
DELIMITER ;

在存储温度数据时，可以调用这个函数来检查温度是否正常，实现温度类型的封装。

  • 时间序列数据处理：许多 IoT 传感器按时间序列产生数据。可以封装一个 “时间序列数据类型”，用于高效存储和查询时间序列数据，例如提供按时间范围查询数据、计算数据的统计值（如平均值、最大值、最小值）等功能。

MariaDB 类型封装的性能考虑

在进行 MariaDB 类型封装时，性能是一个重要的考量因素。

存储过程和函数的性能影响

存储过程和函数在执行时需要额外的开销。当调用存储过程或函数时，MariaDB 需要解析和执行相关的代码逻辑。对于简单的操作，这种开销可能不明显，但对于复杂的计算和大量数据的处理，性能可能会受到影响。

例如，在前面提到的加密字符串的存储过程中，如果加密算法非常复杂，每次插入数据时调用这个存储过程会增加数据库的处理时间。为了优化性能，可以考虑在应用程序端进行部分计算，减少数据库的负载。另外，合理使用索引也可以提高存储过程和函数中涉及的查询性能。

视图的性能

视图本身并不存储数据，而是基于底层表的查询结果。当查询视图时，MariaDB 会执行视图定义中的查询。如果视图定义中包含复杂的连接、子查询或聚合操作，查询视图的性能可能会受到影响。

例如，在前面提到的 formatted_sales_view 视图中，如果 sales_table 数据量很大，DATE_FORMAT 函数和乘法运算可能会导致查询速度变慢。为了优化视图性能，可以对底层表的相关字段建立索引，避免在视图定义中进行不必要的复杂计算。另外，可以考虑使用物化视图（从 MariaDB 10.3 版本开始支持），将视图的结果预先计算并存储，以提高查询性能。

自定义数据类型（插件）的性能

开发自定义数据类型插件通常涉及到编写底层代码（如 C/C++），虽然这种方式可以实现高度定制化的类型封装，但也可能带来性能问题。如果插件的实现不够高效，可能会导致数据库整体性能下降。

在开发自定义数据类型插件时，需要注意内存管理、算法优化等方面。例如，在实现自定义的 “向量类型” 时，要合理分配内存，避免内存泄漏和频繁的内存分配与释放操作。同时，优化向量操作的算法，提高计算效率。另外，在插件与 MariaDB 核心之间的交互过程中，要尽量减少数据传输的开销。

MariaDB 类型封装的兼容性与维护

在进行 MariaDB 类型封装时，兼容性和维护也是需要关注的重要方面。

兼容性

  • 版本兼容性：MariaDB 不断发展，新的版本可能引入新的特性或对现有特性进行修改。在进行类型封装时，要确保封装的类型和相关操作在不同的 MariaDB 版本中具有兼容性。例如，某些存储过程或函数的语法可能在不同版本中有细微差异，需要进行测试和调整。对于自定义数据类型插件，也要注意与不同版本的 MariaDB 内核的兼容性，避免因版本升级导致插件无法正常工作。
  • 数据库客户端兼容性：应用程序通常通过数据库客户端与 MariaDB 进行交互。不同的数据库客户端可能对数据类型的支持和处理方式有所不同。在进行类型封装时，要考虑到常见数据库客户端的兼容性，确保封装的类型能够在各种客户端中正确使用。例如，一些客户端可能对特定的日期格式有特殊要求，在封装日期类型时要考虑到这些差异。

维护

  • 代码维护：对于通过存储过程、函数和视图实现的类型封装，随着业务需求的变化，相关的代码可能需要进行修改和扩展。要建立良好的代码管理机制，对代码进行版本控制，方便跟踪修改历史和进行调试。对于复杂的逻辑，要添加详细的注释，提高代码的可读性和可维护性。
  • 自定义数据类型（插件）维护：如果使用自定义数据类型插件，维护工作更为复杂。不仅要对插件的代码进行维护，还要关注插件与 MariaDB 内核的接口变化。当 MariaDB 版本升级时，可能需要对插件进行相应的更新，以确保其正常工作。另外，要建立插件的测试机制，在每次修改后进行全面的测试，确保插件的功能和性能不受影响。

在 MariaDB 中进行类型封装是一项具有重要意义的工作，它能够满足不同应用场景的需求，提高数据的安全性和语义表达，但同时也需要综合考虑性能、兼容性和维护等多方面的因素，以实现高效、稳定的数据库应用。