Go语言开发者的Apache Arrow使用指南：高级数据结构

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经过对前面两篇文章《Arrow数据类型》和《Arrow Go实现的内存管理》的学习，我们知道了各种Arrow array type以及它们在内存中的layout，我们了解了Go arrow实现在内存管理上的一些机制和使用原则。

Arrow的array type只是一个定长的、同类型的值序列。在实际应用中，array type更多时候只是充当基础类型，我们需要具有组合基础类型能力的更高级的数据结构。在这一篇文章中，我们就来看看Arrow规范以及一些实现中提供的高级数据结构，包括Record Batch、Chunked Array以及Table。

我们先来看看Record Batch。

1. Record Batch

Record这个名字让我想起了Pascal编程语言中的Record。在Pascal中，Record的角色大致与Go中的Struct类似，也是一组异构字段的集合。下面是《In-Memory Analytics with Apache Arrow》书中的一个Record例子：

// 以Go语言呈现
type Archer struct {
    archer string
    location string
    year int16
}

Record Batch则顾名思义，是一批Record，即一个Record的集合：[N]Archer。

如果将Record的各个字段作为列，将集合中的每个Record作为行，我们能得到如下面示意图中的结构：

Go Arrow实现中没有直接使用“Record Batch”这个名字，而是使用了“Record”，这个“Record”实际代表的就是Record Batch。下面是Go Arrow实现定义的Record接口：

// github.com/apache/arrow/go/arrow/record.go

// Record is a collection of equal-length arrays matching a particular Schema.
// Also known as a RecordBatch in the spec and in some implementations.
//
// It is also possible to construct a Table from a collection of Records that
// all have the same schema.
type Record interface {
    json.Marshaler

    Release()
    Retain()

    Schema() *Schema

    NumRows() int64
    NumCols() int64

    Columns() []Array
    Column(i int) Array
    ColumnName(i int) string
    SetColumn(i int, col Array) (Record, error)

    // NewSlice constructs a zero-copy slice of the record with the indicated
    // indices i and j, corresponding to array[i:j].
    // The returned record must be Release()'d after use.
    //
    // NewSlice panics if the slice is outside the valid range of the record array.
    // NewSlice panics if j < i.
    NewSlice(i, j int64) Record
}

我们依然可以使用Builder模式来创建一个arrow.Record，下面我们就来用Go代码创建[N]Archer这个Record Batch：

// record_batch.go
func main() {
    schema := arrow.NewSchema(
        []arrow.Field{
            {Name: "archer", Type: arrow.BinaryTypes.String},
            {Name: "location", Type: arrow.BinaryTypes.String},
            {Name: "year", Type: arrow.PrimitiveTypes.Int16},
        },
        nil,
    )

    rb := array.NewRecordBuilder(memory.DefaultAllocator, schema)
    defer rb.Release()

    rb.Field(0).(*array.StringBuilder).AppendValues([]string{"tony", "amy", "jim"}, nil)
    rb.Field(1).(*array.StringBuilder).AppendValues([]string{"beijing", "shanghai", "chengdu"}, nil)
    rb.Field(2).(*array.Int16Builder).AppendValues([]int16{1992, 1993, 1994}, nil)

    rec := rb.NewRecord()
    defer rec.Release()

    fmt.Println(rec)
}

运行上述示例，输出如下：

$go run record_batch.go
record:
  schema:
  fields: 3
    - archer: type=utf8
    - location: type=utf8
    - year: type=int16
  rows: 3
  col[0][archer]: ["tony" "amy" "jim"]
  col[1][location]: ["beijing" "shanghai" "chengdu"]
  col[2][year]: [1992 1993 1994]

在这个示例里，我们看到了一个名为Schema的概念，并且NewRecordBuilder创建时需要传入一个arrow.Schema的实例。和数据库表Schema类似，Arrow中的Schema也是一个元数据概念，它包含一系列作为“列”的字段的名称和类型信息。Schema不仅在Record Batch中使用，在后面的Table中，Schema也是必要元素。

arrow.Record可以通过NewSlice可以ZeroCopy方式共享Record Batch的内存数据，NewSlice会创建一个新的Record Batch，这个Record Batch中的Record与原Record是共享的：

// record_batch_slice.go

sl := rec.NewSlice(0, 2)
fmt.Println(sl)
cols := sl.Columns()
a1 := cols[0]
fmt.Println(a1)

新的sl取了rec的前两个record，输出sl得到如下结果：

record:
  schema:
  fields: 3
    - archer: type=utf8
    - location: type=utf8
    - year: type=int16
  rows: 2
  col[0][archer]: ["tony" "amy"]
  col[1][location]: ["beijing" "shanghai"]
  col[2][year]: [1992 1993]

["tony" "amy"]

相同schema的record batch可以合并，我们只需要分配一个更大的Record Batch，然后将两个待合并的Record batch copy到新Record Batch中就可以了，但显然这样做的开销很大。

Arrow的一些实现中提供了Chunked Array的概念，可以更低开销的来完成某个列的array的追加。

注：Chunked array并不是Arrow Columnar Format的一部分。

2. Chunked Array

如果说Record Batch本质上是不同Array type的横向聚合，那么Chunked Array就是相同Array type的纵向聚合了，用Go语法表示就是：[N]Array或[]Array，即array of array。下面是一个Chunked Array的结构示意图：

我们看到：Go的Chunked array的实现使用的是一个Array切片：

// github.com/apache/arrow/go/arrow/table.go

// Chunked manages a collection of primitives arrays as one logical large array.
type Chunked struct {
    refCount int64 // refCount must be first in the struct for 64 bit alignment and sync/atomic (https://github.com/golang/go/issues/37262)

    chunks []Array

    length int
    nulls  int
    dtype  DataType
}

按照Go切片的本质，Chunked Array中的各个元素Array间的实际内存buffer并不连续。并且正如示意图所示：每个Array的长度也并非是一样的。

注：在《Go语言第一课》中的第15讲中有关于切片本质的深入系统的讲解。

我们可以使用arrow包提供的NewChunked函数创建一个Chunked Array，具体见下面源码：

// chunked_array.go

func main() {
    ib := array.NewInt64Builder(memory.DefaultAllocator)
    defer ib.Release()

    ib.AppendValues([]int64{1, 2, 3, 4, 5}, nil)
    i1 := ib.NewInt64Array()
    defer i1.Release()

    ib.AppendValues([]int64{6, 7}, nil)
    i2 := ib.NewInt64Array()
    defer i2.Release()

    ib.AppendValues([]int64{8, 9, 10}, nil)
    i3 := ib.NewInt64Array()
    defer i3.Release()

    c := arrow.NewChunked(
        arrow.PrimitiveTypes.Int64,
        []arrow.Array{i1, i2, i3},
    )
    defer c.Release()

    for _, arr := range c.Chunks() {
        fmt.Println(arr)
    }

    fmt.Println("chunked length =", c.Len())
    fmt.Println("chunked null count=", c.NullN())
}

我们看到在Chunked Array聚合了多个arrow.Array实例，并且这些arrow.Array实例的长短可不一致，arrow.Chunked的Len()返回的则是Chunked中Array的长度之和。下面是示例程序的输出结果：

$go run chunked_array.go
[1 2 3 4 5]
[6 7]
[8 9 10]
chunked length = 10
chunked null count= 0

这样来看，Chunked Array可以看成一个逻辑上的大Array。

好了，问题来了！Record Batch是用来聚合等长array type的，那么是否有某种数据结构可以用来聚合等长的Chunked Array呢？答案是有的！下面我们就来看看这种结构：Table。

3. Table

Table和Chunked Array一样并不属于Arrow Columnar Format的一部分，最初只是Arrow的C++实现中的一个数据结构，Go Arrow的实现也提供了对Table的支持。

Table的结构示意图如下(图摘自《In-Memory Analytics with Apache Arrow》一书)：

我们看到：和Record Batch的每列是一个array不同，Table的每一列为一个chunked array，所有列的chunked array的Length是相同的，但各个列的chunked array中的array的长度可以不同。

Table和Record Batch相似的地方是都有自己的Schema。

下面的示意图(来自这里)对Table和Chunked Array做了十分直观的对比：

Record Batch是Arrow Columnar format中的一部分，所有语言的实现都支持Record Batch；但Table并非format spec的一部分，并非所有语言的实现对其都提供支持。

另外从图中看到，由于Table采用了Chunked Array作为列，chunked array下的各个array内部分布并不连续，这让Table在运行时丧失了一些局部性。

下面我们就使用Go arrow实现来创建一个table，这是一个3列、10行的table：

// table.go

func main() {
    schema := arrow.NewSchema(
        []arrow.Field{
            {Name: "col1", Type: arrow.PrimitiveTypes.Int32},
            {Name: "col2", Type: arrow.PrimitiveTypes.Float64},
            {Name: "col3", Type: arrow.BinaryTypes.String},
        },
        nil,
    )

    col1 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            ib := array.NewInt32Builder(memory.DefaultAllocator)
            defer ib.Release()

            ib.AppendValues([]int32{1, 2, 3}, nil)
            i1 := ib.NewInt32Array()
            defer i1.Release()

            ib.AppendValues([]int32{4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}, nil)
            i2 := ib.NewInt32Array()
            defer i2.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.PrimitiveTypes.Int32,
                []arrow.Array{i1, i2},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(0), chunk)
    }()
    defer col1.Release()

    col2 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            fb := array.NewFloat64Builder(memory.DefaultAllocator)
            defer fb.Release()

            fb.AppendValues([]float64{1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5}, nil)
            f1 := fb.NewFloat64Array()
            defer f1.Release()

            fb.AppendValues([]float64{6.6, 7.7}, nil)
            f2 := fb.NewFloat64Array()
            defer f2.Release()

            fb.AppendValues([]float64{8.8, 9.9, 10.0}, nil)
            f3 := fb.NewFloat64Array()
            defer f3.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.PrimitiveTypes.Float64,
                []arrow.Array{f1, f2, f3},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(1), chunk)
    }()
    defer col2.Release()

    col3 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            sb := array.NewStringBuilder(memory.DefaultAllocator)
            defer sb.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s1", "s2"}, nil)
            s1 := sb.NewStringArray()
            defer s1.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s3", "s4"}, nil)
            s2 := sb.NewStringArray()
            defer s2.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s5", "s6", "s7", "s8", "s9", "s10"}, nil)
            s3 := sb.NewStringArray()
            defer s3.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.BinaryTypes.String,
                []arrow.Array{s1, s2, s3},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(2), chunk)
    }()
    defer col3.Release()

    var tbl arrow.Table
    tbl = array.NewTable(schema, []arrow.Column{*col1, *col2, *col3}, -1)
    defer tbl.Release()

    dumpTable(tbl)
}

func dumpTable(tbl arrow.Table) {
    s := tbl.Schema()
    fmt.Println(s)
    fmt.Println("------")

    fmt.Println("the count of table columns=", tbl.NumCols())
    fmt.Println("the count of table rows=", tbl.NumRows())
    fmt.Println("------")

    for i := 0; i < int(tbl.NumCols()); i++ {
        col := tbl.Column(i)
        fmt.Printf("arrays in column(%s):\n", col.Name())
        chunk := col.Data()
        for _, arr := range chunk.Chunks() {
            fmt.Println(arr)
        }
        fmt.Println("------")
    }
}

我们看到：table创建之前，我们需要准备一个schema，以及各个column。每个column则是一个chunked array。

运行上述代码，我们得到如下结果：

$go run table.go
schema:
  fields: 3
    - col1: type=int32
    - col2: type=float64
    - col3: type=utf8
------
the count of table columns= 3
the count of table rows= 10
------
arrays in column(col1):
[1 2 3]
[4 5 6 7 8 9 10]
------
arrays in column(col2):
[1.1 2.2 3.3 4.4 5.5]
[6.6 7.7]
[8.8 9.9 10]
------
arrays in column(col3):
["s1" "s2"]
["s3" "s4"]
["s5" "s6" "s7" "s8" "s9" "s10"]
------

table还支持schema变更，我们可以基于上述代码为table增加一列：

// table_schema_change.go

func main() {
    schema := arrow.NewSchema(
        []arrow.Field{
            {Name: "col1", Type: arrow.PrimitiveTypes.Int32},
            {Name: "col2", Type: arrow.PrimitiveTypes.Float64},
            {Name: "col3", Type: arrow.BinaryTypes.String},
        },
        nil,
    )

    col1 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            ib := array.NewInt32Builder(memory.DefaultAllocator)
            defer ib.Release()

            ib.AppendValues([]int32{1, 2, 3}, nil)
            i1 := ib.NewInt32Array()
            defer i1.Release()

            ib.AppendValues([]int32{4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}, nil)
            i2 := ib.NewInt32Array()
            defer i2.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.PrimitiveTypes.Int32,
                []arrow.Array{i1, i2},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(0), chunk)
    }()
    defer col1.Release()

    col2 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            fb := array.NewFloat64Builder(memory.DefaultAllocator)
            defer fb.Release()

            fb.AppendValues([]float64{1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5}, nil)
            f1 := fb.NewFloat64Array()
            defer f1.Release()

            fb.AppendValues([]float64{6.6, 7.7}, nil)
            f2 := fb.NewFloat64Array()
            defer f2.Release()

            fb.AppendValues([]float64{8.8, 9.9, 10.0}, nil)
            f3 := fb.NewFloat64Array()
            defer f3.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.PrimitiveTypes.Float64,
                []arrow.Array{f1, f2, f3},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(1), chunk)
    }()
    defer col2.Release()

    col3 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            sb := array.NewStringBuilder(memory.DefaultAllocator)
            defer sb.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s1", "s2"}, nil)
            s1 := sb.NewStringArray()
            defer s1.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s3", "s4"}, nil)
            s2 := sb.NewStringArray()
            defer s2.Release()

            sb.AppendValues([]string{"s5", "s6", "s7", "s8", "s9", "s10"}, nil)
            s3 := sb.NewStringArray()
            defer s3.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.BinaryTypes.String,
                []arrow.Array{s1, s2, s3},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(schema.Field(2), chunk)
    }()
    defer col3.Release()

    var tbl arrow.Table
    tbl = array.NewTable(schema, []arrow.Column{*col1, *col2, *col3}, -1)
    defer tbl.Release()

    dumpTable(tbl)

    col4 := func() *arrow.Column {
        chunk := func() *arrow.Chunked {
            sb := array.NewStringBuilder(memory.DefaultAllocator)
            defer sb.Release()

            sb.AppendValues([]string{"ss1", "ss2"}, nil)
            s1 := sb.NewStringArray()
            defer s1.Release()

            sb.AppendValues([]string{"ss3", "ss4", "ss5"}, nil)
            s2 := sb.NewStringArray()
            defer s2.Release()

            sb.AppendValues([]string{"ss6", "ss7", "ss8", "ss9", "ss10"}, nil)
            s3 := sb.NewStringArray()
            defer s3.Release()

            c := arrow.NewChunked(
                arrow.BinaryTypes.String,
                []arrow.Array{s1, s2, s3},
            )
            return c
        }()
        defer chunk.Release()

        return arrow.NewColumn(arrow.Field{Name: "col4", Type: arrow.BinaryTypes.String}, chunk)
    }()
    defer col4.Release()

    tbl, err := tbl.AddColumn(
        3,
        arrow.Field{Name: "col4", Type: arrow.BinaryTypes.String},
        *col4,
    )
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    dumpTable(tbl)
}

运行上述示例，输出如下：

$go run table_schema_change.go
schema:
  fields: 3
    - col1: type=int32
    - col2: type=float64
    - col3: type=utf8
------
the count of table columns= 3
the count of table rows= 10
------
arrays in column(col1):
[1 2 3]
[4 5 6 7 8 9 10]
------
arrays in column(col2):
[1.1 2.2 3.3 4.4 5.5]
[6.6 7.7]
[8.8 9.9 10]
------
arrays in column(col3):
["s1" "s2"]
["s3" "s4"]
["s5" "s6" "s7" "s8" "s9" "s10"]
------
schema:
  fields: 4
    - col1: type=int32
    - col2: type=float64
    - col3: type=utf8
    - col4: type=utf8
------
the count of table columns= 4
the count of table rows= 10
------
arrays in column(col1):
[1 2 3]
[4 5 6 7 8 9 10]
------
arrays in column(col2):
[1.1 2.2 3.3 4.4 5.5]
[6.6 7.7]
[8.8 9.9 10]
------
arrays in column(col3):
["s1" "s2"]
["s3" "s4"]
["s5" "s6" "s7" "s8" "s9" "s10"]
------
arrays in column(col4):
["ss1" "ss2"]
["ss3" "ss4" "ss5"]
["ss6" "ss7" "ss8" "ss9" "ss10"]
------

这种对schema变更操作的支持在实际开发中也是非常有用的。

本文讲解了基于array type的三个高级数据结构：Record Batch、Chunked Array和Table。其中Record Batch是Arrow Columnar Format中的结构，可以被所有实现arrow的编程语言所支持；Chunked Array和Table则是在一些编程语言的实现中创建的。

三个概念容易混淆，这里给出简单记法：

Record Batch: schema + 长度相同的多个array
Chunked Array: []array
Table: schema + 总长度相同的多个Chunked Array

注：本文涉及的源代码在这里可以下载。

5. 参考资料

Apache Arrow Glossary – https://arrow.apache.org/docs/format/Glossary.html

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1. Record Batch

2. Chunked Array

3. Table

5. 参考资料

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