mysqlデータベースでDecimal型を使用する方法

1 背景

数値演算は、数量、重量、価格などの計算など、データベースにおける非常に一般的な要件です。さまざまなニーズを満たすために、データベース システムは通常、正確な数値型と近似的な数値型をサポートします。正確な数値型には、int や 10 進数などが含まれます。これらの型の小数点位置は計算プロセス中に固定されており、その結果と動作は比較的予測可能です。お金、この問題は特に重要なので、一部のデータベースでは特殊なお金型が実装されています。近似的な数値型には float や double などが含まれますが、これらの数値の精度は浮動小数点です。

2 Decimal 型の使用

10 進数の使用法は、ほとんどのデータベースで同様です。MySQL の 10 進数を例として、10 進数の基本的な使用法を紹介します。

##2.1 説明 Decimal

float や double とは異なり、作成時に 10 進数を指定する必要があります。精度を表す 2 つの数値は、精度と位取りです。精度とは、整数部分と小数部分を含む 10 進数全体の桁数を指します。位取りとは、小数部分の桁数を指します。例: 123.45精度 = 5、スケール = 2 10 進数です。テーブルを作成するときに、この方法で必要な 10 進数を定義できます。

2.2 テーブルを作成するときに 10 進数を定義します。

次のように 10 進数を定義できます。テーブルを構築するときにこれを実行します:

create table t(d decimal(5, 2));

2.3 10 進データを書き込みます

例:

insert into t values(123.45);
insert into t values(123.4);

この時点で、select * from を実行すると、10 進データを書き込みます。 t, you will get

+--------+
| d      |
+--------+
| 123.45 |
| 123.40 |
+--------+

Note 123.4 は 123.40 になります。これは精密型の特性です。列 d のデータの各行には、scale=2、つまり小数点以下 2 桁が必要です。

精度とスケールの定義を満たさないデータを挿入する場合

insert into t values(1123.45);
ERROR 1264 (22003): Out of range value for column 'd' at row 1
insert into t values(123.456);
Query OK, 1 row affected, 1 warning
show warnings;
+-------+------+----------------------------------------+
| Level | Code | Message                                |
+-------+------+----------------------------------------+
| Note  | 1265 | Data truncated for column 'd' at row 1 |
+-------+------+----------------------------------------+
select * from t;
+--------+
| d      |
+--------+
| 123.46 |
+--------+

1234.5 (精度=5、スケール=1) のような数値は要件を満たしているように見えますが、実際には要件を満たしている必要があります。スケール = 2 の要件を満たしているため、1234.50 (精度 = 6、スケール = 2) になります。これも要件を満たしていません。

2.4 計算のために deimcal を取り出します

計算結果は定義によって制限されず、内部実装形式の影響を受けます。MySQL の場合、最大結果は精度 = 81、スケール = 30 になりますが、MySQL 10 進数のメモリ形式と計算関数の実装の問題により、このサイズは上の例の続き:

select d + 9999.999 from t;
+--------------+
| d + 9999.999 |
+--------------+
|    10123.459 |
+--------------+

結果は画期的な精度=5、スケール=2の限界であり、これには途中でスケールの変更が含まれます。基本的なルールは次のとおりです:

#加算/減算/合計: 両側の最大スケールを取得します
乗算: スケールを加算します。両側

2. #Division: 被除数のスケール div_precision_increment (データベース実装に依存)

3. # 3 Decimal 型の実装

このパートでは、主に MySQL での 10 進数の実装を紹介します。さらに、ClickHouse を比較して、さまざまなシステムでの 10 進数の設計と実装の違いを確認します。

実装 10 進数について考える必要があります。次の質問について

どの程度の精度とスケールがサポートされているか

1. スケールを保存する場所

2. 乗算や除算を継続するとスケールが大きくなり、整数部分も拡大し続けるため、格納されるバッファサイズには常に上限が存在しますが、これはどう対処すればよいのでしょうか？

3. 除算では無限の小数が生成される可能性があります。除算結果の位取りを決定する方法は何ですか?

4. 小数の表現範囲に矛盾はありませんか?計算パフォーマンスは? 可能ですか? 両方を考慮して

5. 3.1 MySQL

まず、MySQL 10 進数

typedef int32 decimal_digit_t;

struct decimal_t {
  int intg, frac, len;
  bool sign;
  decimal_digit_t *buf;
};

に関連するデータ構造を見てみましょう。

MySQL の 10 進数は、長さ len ) の 10 進数配列 buf の 10 進数を格納する 10 進数の 10 進数_t (int32) を使用します。各 10 進数の数字_t は最大 9 個の数値を格納できます。intg は整数部分の桁数を表し、frac は桁数を表します小数部には があり、符号は記号を表します。小数部と整数部は別々に保存する必要があります。 、 を 1 つの decimal_digital_t に混在させることはできません。両方の部分は小数点に向かって配置されます。これは、整数と小数は通常、必要なためです。別々に計算されるため、この形式を使用すると、加算と減算の操作を容易にするために、異なる 10 進数と整数を個別に整列することが容易になります。MySQL 実装では、これは常に 9 であり、ストレージの上限を表し、実際のbuf の有効部分は intg と frac によって決定されます。例:

// 123.45 decimal(5, 2) 整数部分为 3,  小数部分为 2
decimal_t dec_123_45 = {
  int intg = 3;
  int frac = 2;
  int len = 9;
  bool sign = false;
  decimal_digit_t *buf = {123, 450000000, ...};
};

MySQL は 123.45 を格納するために 2 つの decimal_digit_t (int32) を使用する必要があります。最初のものは 123 で、intg=3 と組み合わせると、整数を意味します部分は 123、2 番目の数値は 450000000 (合計 9 つの数値)、frac=2 なので、小数部分は .45

であることを意味します。

もっと大きな例を見てみましょう:

// decimal(81, 18) 63 个整数数字, 18 个小数数字, 用满整个 buffer
// 123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123.012345678901234567
decimal_t dec_81_digit = {
  int intg = 63;
  int frac = 18;
  int len = 9;
  bool sign = false;
  buf = {123456789, 12345678, 901234567, 890123456, 789012345, 678901234, 567890123, 12345678, 901234567}
};

この例では 81 個の数値が使用されていますが、完全な 81 個の数値を使用できないシナリオもいくつかあります。これは、整数部分と小数部分が別々に格納されるためです。したがって、 10 進数の 10 進数 1 桁のみを 10 進数_桁_t (int32) に格納できますが、残りの部分は整数部分に使用できません。たとえば、10 進数の整数部分が 62 桁、小数部分が 19 桁 (精度 = 81、位取り = 19) の場合、小数部分には 3 decmal_digit_t (int32) を使用する必要があります。 )、整数部はまだ 54 桁残っており、62 桁を格納できません。この場合、MySQL は整数部のニーズを優先し、自動的に小数点を切り捨てます。整数部の後は、小数点に変換します(80) 、18)

接下来看看 MySQL 如何在这个数据结构上进行运算. MySQL 通过一系列 decimal_digit_t(int32) 来表示一个较大的 decimal, 其计算也是对这个数组中的各个 decimal_digit_t 分别进行, 如同我们在小学数学计算时是一个数字一个数字地计算, MySQL 会把每个 decimal_digit_t 当作一个数字来进行计算、进位. 由于代码较长, 这里不再对具体的代码进行完整的分析, 仅对代码中核心部分进行分析, 如果感兴趣, 可以直接参考 MySQL 源码 strings/decimal.h 和 strings/decimal.cc 中的 decimal_add, decimal_mul, decimal_div 等代码.

准备步骤

在真正计算前, 还需要做一些准备工作：

1. MySQL 会将数字的个数 ROUND_UP 到 9 的整数倍, 这样后面就可以按照 decimal_digit_t 为单位来进行计算

2. 此外还要针对参与运算的两个 decimal 的具体情况, 计算结果的 precision 和 scale, 如果发现结果的 precision 超过了支持的上限, 那么会按照 decimal_digit_t 为单位减少小数的数字.

3. 在乘法过程中, 如果发生了 2 中的减少行为, 则需要 TRUNCATE 两个运算数, 避免中间结果超出范围.

加法主要步骤

首先, 因为两个数字的 precision 和 scale 可能不相同, 需要做一些准备工作, 将小数点对齐, 然后开始计算, 从最末尾小数开始向高位加, 分为三个步骤：

1. 将小数较多的 decimal 多出的小数数字复制到结果中

2. 将两个 decimal 公共的部分相加

3. 将整数较多的 decimal 多出的整数数字与进位相加到结果中

代码中使用了 stop, stop2 来标记小数点对齐后, 长度不同的数字出现差异的位置.

/* part 1 - max(frac) ... min (frac) */
while (buf1 > stop) *--buf0 = *--buf1;

/* part 2 - min(frac) ... min(intg) */
carry = 0;
while (buf1 > stop2) {
  ADD(*--buf0, *--buf1, *--buf2, carry);
}

/* part 3 - min(intg) ... max(intg) */
buf1 = intg1 > intg2 ? ((stop3 = from1->buf) + intg1 - intg2)
                     : ((stop3 = from2->buf) + intg2 - intg1);
while (buf1 > stop3) {
  ADD(*--buf0, *--buf1, 0, carry);
}

乘法主要步骤

乘法引入了一个新的 dec2, 表示一个 64 bit 的数字, 这是因为两个 decimal_digit_t(int32) 相乘后得到的可能会是一个 64 bit 的数字. 在计算时一定要先把类型转换到 dec2(int64), 再计算, 否则会得到溢出后的错误结果. 乘法与加法不同, 乘法不需要对齐, 例如计算 11.11 5.0, 那么只要计算 111150=55550, 再移动小数点位置就能得到正确结果 55.550

MySQL 实现了一个双重循环将 decimal1 的 每一个 decimal_digit_t 与 decimal2 的每一个 decimal_digit_t 相乘, 得到一个 64 位的 dec2, 其低 32 位是当前的结果, 其高 32 位是进位.

typedef decimal_digit_t dec1;
typedef longlong dec2;

for (buf1 += frac1 - 1; buf1 >= stop1; buf1--, start0--) {
  carry = 0;
  for (buf0 = start0, buf2 = start2; buf2 >= stop2; buf2--, buf0--) {
    dec1 hi, lo;
    dec2 p = ((dec2)*buf1) * ((dec2)*buf2);
    hi = (dec1)(p / DIG_BASE);
    lo = (dec1)(p - ((dec2)hi) * DIG_BASE);
    ADD2(*buf0, *buf0, lo, carry);
    carry += hi;
  }
  if (carry) {
    if (buf0 < to->buf) return E_DEC_OVERFLOW;
    ADD2(*buf0, *buf0, 0, carry);
  }
  for (buf0--; carry; buf0--) {
    if (buf0 < to->buf) return E_DEC_OVERFLOW;
    ADD(*buf0, *buf0, 0, carry);
  }
}

除法主要步骤

除法使用的是 Knuth's Algorithm D, 其基本思路和手动除法也比较类似.

首先使用除数的前两个 decimal_digit_t 组成一个试商因数, 这里使用了一个 norm_factor 来保证数字在不溢出的情况下尽可能扩大, 这是因为 decimal 为了保证精度必须使用整形来进行计算, 数字越大, 得到的结果就越准确. D3: 猜商, 就是用被除数的前两个 decimal_digit_t 除以试商因数 这里如果不乘 norm_factor, 则 start1[1] 和 start2[1] 都不会体现在结果之中.

D4: 将 guess 与除数相乘, 再从被除数中剪掉结果 然后做一些修正, 移动向下一个 decimal_digit_t, 重复这个过程.

想更详细地了解这个算法可以参考 https://skanthak.homepage.t-online.de/division.html

norm2 = (dec1)(norm_factor * start2[0]);
if (likely(len2 > 0)) norm2 += (dec1)(norm_factor * start2[1] / DIG_BASE)；

x = start1[0] + ((dec2)dcarry) * DIG_BASE;
y = start1[1];
guess = (norm_factor * x + norm_factor * y / DIG_BASE) / norm2;

for (carry = 0; buf2 > start2; buf1--) {
  dec1 hi, lo;
  x = guess * (*--buf2);
  hi = (dec1)(x / DIG_BASE);
  lo = (dec1)(x - ((dec2)hi) * DIG_BASE);
  SUB2(*buf1, *buf1, lo, carry);
  carry += hi;
}
carry = dcarry < carry;

3.2 ClickHouse

ClickHouse 是列存, 相同列的数据会放在一起, 因此计算时通常也将一列的数据合成 batch 一起计算.

一列的 batch 在 ClickHouse 中使用 PODArray, 例如上图中的 c1 在计算时就会有一个 PODArray, 进行简化后大致可以表示如下:

class PODArray {
    char * c_start          = null;
    char * c_end            = null;
    char * c_end_of_storage = null;
}

在计算时会讲 c_start 指向的数组转换成实际的类型, 对于 decimal, ClickHouse 使用足够大的 int 来表示, 根据 decimal 的 precision 选择 int32, int64 或者 int128. 例如一个 decimal(10, 2), 123.45, 使用这样方式可以表示为一个 int32_t, 其内容为 12345, decimal(10, 3) 的 123.450 表示为 123450. ClickHouse 用来表示每个 decimal 的结构如下, 实际上就是足够大的 int：

template <typename T>
struct Decimal
{
    using NativeType = T;
    // ...
    T value;
};
using Int32 = int32_t;
using Int64 = int64_t;
using Int128 = __int128;
using Decimal32 = Decimal<Int32>;
using Decimal64 = Decimal<Int64>;
using Decimal128 = Decimal<Int128>;

显而易见, 这样的表示方法相较于 MySQL 的方法更轻量, 但是范围更小, 同时也带来了一个问题是没有小数点的位置, 在进行加减法、大小比较等需要小数点对齐的场景下, ClickHouse 会在运算实际发生的时候将 scale 以参数的形式传入, 此时配合上面的数字就可以正确地还原出真实的 decimal 值了.

ResultDataType type = decimalResultType(left, right, is_multiply, is_division);

int scale_a = type.scaleFactorFor(left, is_multiply);
int scale_b = type.scaleFactorFor(right, is_multiply || is_division);
OpImpl::vector_vector(col_left->getData(), col_right->getData(), vec_res,
                      scale_a, scale_b, check_decimal_overflow);

例如两个 decimal: a = 123.45000(p=8, s=5), b = 123.4(p=4, s=1), 那么计算时传入的参数就是 col_left->getData() = 123.45000 10 ^ 5 = 12345000, scale_a = 1, col_right->getData() = 123.4 10 ^ 1 = 1234, scale_b = 10000, 12345000 1 和 1234 10000 的小数点位置是对齐的, 可以直接计算.

加法主要步骤

ClickHouse 实现加法同样要先对齐, 对齐的方法是将 scale 较小的数字乘上一个系数, 使两边的 scale 相等. 然后直接做加法即可. ClickHouse 在计算中也根据 decimal 的 precision 进行了细分, 对于长度没那么长的 decimal, 直接用 int32, int64 等原生类型计算就可以了, 这样大大提升了速度.

bool overflow = false;
if constexpr (scale_left)
    overflow |= common::mulOverflow(a, scale, a);
else
    overflow |= common::mulOverflow(b, scale, b);

overflow |= Op::template apply<NativeResultType>(a, b, res);

template <typename T>
inline bool addOverflow(T x, T y, T & res)
{
    return __builtin_add_overflow(x, y, &res);
}

template <>
inline bool addOverflow(__int128 x, __int128 y, __int128 & res)
{
    static constexpr __int128 min_int128 = __int128(0x8000000000000000ll) << 64;
    static constexpr __int128 max_int128 = (__int128(0x7fffffffffffffffll) << 64) + 0xffffffffffffffffll;
    res = x + y;
    return (y > 0 && x > max_int128 - y) || (y < 0 && x < min_int128 - y);
}

乘法主要步骤

同 MySQL, 乘法不需要对齐, 直接按整数相乘就可以了, 比较短的 decimal 同样可以使用 int32, int64 原生类型. int128 在溢出检测时被转换成 unsigned int128 避免溢出时的未定义行为.

template <typename T>
inline bool mulOverflow(T x, T y, T & res)
{
    return __builtin_mul_overflow(x, y, &res);
}

template <>
inline bool mulOverflow(__int128 x, __int128 y, __int128 & res)
{
    res = static_cast<unsigned __int128>(x) * static_cast<unsigned __int128>(y);    /// Avoid signed integer overflow.
    if (!x || !y)
        return false;

    unsigned __int128 a = (x > 0) ? x : -x;
    unsigned __int128 b = (y > 0) ? y : -y;
    return (a * b) / b != a;
}

除法主要步骤

先转换 scale 再直接做整数除法. 本身来讲除法和乘法一样是不需要对齐小数点的, 但是除法不一样的地方在于可能会产生无限小数, 所以一般数据库都会给结果一个固定的小数位数, ClickHouse 选择的小数位数是和被除数一样, 因此需要将 a 乘上 scale, 然后在除法运算的过程中, 这个 scale 被自然减去, 得到结果的小数位数就可以保持和被除数一样.

bool overflow = false;
if constexpr (!IsDecimalNumber<A>)
    overflow |= common::mulOverflow(scale, scale, scale);
overflow |= common::mulOverflow(a, scale, a);
if (overflow)
    throw Exception("Decimal math overflow", ErrorCodes::DECIMAL_OVERFLOW);

return Op::template apply<NativeResultType>(a, b);

3.3 总结

MySQL 通过一个 int32 的数组来表示一个大数, ClickHouse 则是尽可能使用原生类型, GCC 和 Clang 都支持 int128 扩展, 这使得 ClickHouse 的这种做法可以比较方便地实现.

MySQL 与 ClickHouse 的实现差别还是比较大的, 针对我们开始提到的问题, 分别来看看他们的解答.

1. precision 和 scale 范围, MySQL 最高可定义 precision=65, scale=30, 中间结果最多包含 81 个数字, ClickHouse 最高可定义 precision=38, scale=37, 中间结果最大为 int128 的最大值 -2^127 ~ 2^127-1.

2. 在哪里存储 scale, MySQL 是行式存储, 使用火山模型逐行迭代, 计算也是按行进行, 每个 decimal 都有自己的 scale；ClickHouse 是列式存储, 计算按列批量进行, 每行按照相同的 scale 处理能提升性能, 因此 scale 来自表达式解析过程中推导出来的类型.

3. scale 增长, scale 增长超过极限时, MySQL 会通过动态挤占小数空间, truncate 运算数, 尽可能保证计算完成, ClickHouse 会直接报溢出错.

4. 除法 scale, MySQL 通过 div_prec_increment 来控制除法结果的 scale, ClickHouse 固定使用被除数的 scale.

5. 性能, MySQL 使用了更宽的 decimal 表示, 同时要进行 ROUND_UP, 小数挤占, TRUNCATE 等动作, 性能较差, ClickHouse 使用原生的数据类型和计算最大限度地提升了性能.

4. MySQL 违反直觉的地方

在这一部分中, 我们将讲述一些 MySQL 实现造成的违反直觉的地方. 这些行为通常发生在运算结果接近 81 digit 时, 因此如果可以保证运算结果的范围较小也可以忽略这些问题.

1. 乘法的 scale 会截断到 31, 且该截断是通过截断运算数字的方式来实现的, 例如: select 10000000000000000000000000000000.100000000 10000000000000000000000000000000 = 10000000000000000000000000000000.100000000000000000000000000000 10000000000000000000000000000000.555555555555555555555555555555 返回 1, 第二个运算数中的 .555555555555555555555555555555 全部被截断

2. MySQL 使用的 buffer 包含了 81 个 digit 的容量, 但是由于小数部分必须和整数部分分开, 因此很多时候无法用满 81 个 digit, 例如: select 99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999.999999 = 99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999.9 返回 1

3. 计算过程中如果发现整数部分太大会动态地挤占小数部分, 例如: select 999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999.999999999 + 999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999.999999999 = 999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 + 999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 返回 1

4. 除法计算中间结果不受 scale = 31 的限制, 除法中间结果的 scale 一定是 9 的整数倍, 不能按照最终结果来推测除法作为中间结果的精度, 例如 select 2.0000 / 3 3 返回 2.00000000, 而 select 2.00000 / 3 3 返回 1.999999998, 可见前者除法的中间结果其实保留了更多的精度.

5. 除法, avg 计算最终结果的小数部分如果正好是 9 的倍数, 则不会四舍五入, 例如: select 2.00000 / 3 返回 0.666666666, select 2.0000 / 3 返回 0.66666667

6. 除法, avg 计算时, 运算数字的小数部分如果不是 9 的倍数, 那么会实际上存储 9 的倍数个小数数字, 因此会出现以下差异：

create table t1 (a decimal(20, 2), b decimal(20, 2), c integer);

insert into t1 values (100000.20, 1000000.10,   5);
insert into t1 values (200000.20, 2000000.10,   2);
insert into t1 values (300000.20, 3000000.10,   4);
insert into t1 values (400000.20, 4000000.10,   6);
insert into t1 values (500000.20, 5000000.10,   8);
insert into t1 values (600000.20, 6000000.10,   9);
insert into t1 values (700000.20, 7000000.10,   8);
insert into t1 values (800000.20, 8000000.10,   7);
insert into t1 values (900000.20, 9000000.10,   7);
insert into t1 values (1000000.20, 10000000.10, 2);
insert into t1 values (2000000.20, 20000000.10, 5);
insert into t1 values (3000000.20, 30000000.10, 2);

select sum(a+b), avg(c), sum(a+b) / avg(c) from t1;
+--------------+--------+-------------------+
| sum(a+b)     | avg(c) | sum(a+b) / avg(c) |
+--------------+--------+-------------------+
| 115500003.60 | 5.4167 |   21323077.590317 |
+--------------+--------+-------------------+
1 row in set (0.01 sec)

select 115500003.60 / 5.4167;
+-----------------------+
| 115500003.60 / 5.4167 |
+-----------------------+
|       21322946.369561 |
+-----------------------+
1 row in set (0.00 sec)

以上がmysqlデータベースでDecimal型を使用する方法の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。