给 Databend 添加 Aggregate 函数 | 函数开发系例二

在介绍 Scalar Function（给 Databend 添加 Scalar 函数 | 函数开发系例一）后，我们来看 Aggregate Function。

Aggregate Function 用于对列的值进行操作并返回单个值。常见的 Agg Function 有 sum, count, avg 等。

函数注册

Agg Function 的 register 函数以小写的函数名和 AggregateFunctionDescription 类型为参数，每个被注册的函数都存入 case_insensitive_desc ( HashMap 结构) 中。

而 case_insensitive_combinator_desc 是为了存储一些组合函数，比如与 _if 组合的 count_if, sum_if 这类函数。

pub struct AggregateFunctionFactory {
    case_insensitive_desc: HashMap<String, AggregateFunctionDescription>,
    case_insensitive_combinator_desc: Vec<(String, CombinatorDescription)>,
}
impl AggregateFunctionFactory {
  ...
pub fn register(&mut self, name: &str, desc: AggregateFunctionDescription) {
        let case_insensitive_desc = &mut self.case_insensitive_desc;
        case_insensitive_desc.insert(name.to_lowercase(), desc);
    }
  ...
}

每个被注册的函数都要实现 trait AggregateFunction 和 AggregateFunctionFeatures。其中 AggregateFunctionFeatures 和 Scalar 中的 FunctionProperty 比较类似，都是存储函数的一些特质。

pub type AggregateFunctionRef = Arc<dyn AggregateFunction>;
pub type AggregateFunctionCreator =
    Box<dyn Fn(&str, Vec<Scalar>, Vec<DataType>) -> Result<AggregateFunctionRef> + Sync + Send>;
pub struct AggregateFunctionDescription {
    pub(crate) aggregate_function_creator: AggregateFunctionCreator,
    pub(crate) features: AggregateFunctionFeatures,
}

主要来看 trait AggregateFunction，这里面是 Agg Function 的构成。

函数构成

可以看到与 Scalar 直接使用一个 Struct 不同，[AggregateFunction](https://github.com/datafuselabs/databend/blob/d5e06af03ba0f99afdd6bdc974bf2f5c1c022db8/src/query/functions/src/aggregates/aggregate_function.rs) 是一个 trait。因为聚合函数是按 block 累加列中的数据，再累加过程中会产生一些中间结果。

因此 Aggregate Function 必须有初始状态，而且聚合过程中生成的结果也要是 mergeable (可合并) 和 serializable (可序列化) 的。

主要函数有：

name 表示被注册的函数的名字，比如 avg, sum 等等。
return_type 表示被注册的函数返回值的类型，同样的函数返回值可能会由于参数类型的不同而产生变化。比如 sum(int8) 参数为 i8 类型，但是返回返回值可能是 int64。
init_state 用来初始化聚合函数状态。
state_layout 用来表示 state 在内存中的大小和内存块的排列方式。
accumulate 用于SingleStateAggregator。也就是着整个块可以在单个状态下聚合，没有任何 keys。比如 select count(*) from t 此时查询中没有任何分组列的聚合，这时会调度 accumulate 函数。
accumulate_keys 则是用于 PartialAggregator。这里需要考虑 key 和 offset ，每个 key 代表一个唯一的内存地址，记为函数参数 place。
serialize 将聚合过程中的 state 序列化为二进制。
deserialize 从二进制反序列化为 state。
merge 用于合并其他 state 到当前 state。
merge_result 可以将 Aggregate Function state 合并成单个值。

示例

以 avg 为例

具体实现在 [aggregate_avg.rs](https://github.com/datafuselabs/databend/blob/d5e06af03ba0f99afdd6bdc974bf2f5c1c022db8/src/query/functions/src/aggregates/aggregate_avg.rs) 中。

因为我们需要累加每个值，并除以非 null 总行数。因此 avg function 被定义为 struct AggregateAvgFunction<T, SumT> 。其中 T 和 SumT 是实现 [Number](https://github.com/datafuselabs/databend/blob/2aec38605eebb7f0e1717f7f54ec52ae0f2e530b/src/query/expression/src/types/number.rs) 的逻辑类型。

在聚合过程中 avg 会产生的中间状态值是已经累加的值的总和以及已经扫描过的非 null 的行。因此 AggregateAvgState 可以被定义为如下结构。

#[derive(Serialize, Deserialize)]
struct AggregateAvgState<T: Number> {
    #[serde(bound(deserialize = "T: DeserializeOwned"))]
    pub value: T,
    pub count: u64,
}

return_type 设置为 Float64Type。比如 value = 3, count = 2, avg = value/count。
init_state 初始状态设置 value 为 T 的 default 值，count 为 0。
accumulate AggregateAvgState 的 count, value 分别对 block 中非 NULL 的行数和值进行累加。
accumulate_keys 通过 place.get::<AggregateAvgState<SumT>>() 获取对应的状态值，并进行更新。

fn accumulate_keys(
    &self,
    places: &[StateAddr],
    offset: usize,
    columns: &[Column],
    _input_rows: usize,
) -> Result<()> {
    let darray = NumberType::<T>::try_downcast_column(&columns[0]).unwrap();
    darray.iter().zip(places.iter()).for_each(|(c, place)| {
        let place = place.next(offset);
        let state = place.get::<AggregateAvgState<SumT>>();
        state.add(c.as_(), 1);
    });
    Ok(())
}

类似的聚合函数示例也可以参考

[sum](https://github.com/datafuselabs/databend/blob/d5e06af03ba0f99afdd6bdc974bf2f5c1c022db8/src/query/functions/src/aggregates/aggregate_sum.rs),

[count](https://github.com/datafuselabs/databend/blob/d5e06af03ba0f99afdd6bdc974bf2f5c1c022db8/src/query/functions/src/aggregates/aggregate_count.rs)。