MYSQL中JSON類型介紹

来源:https://www.cnblogs.com/Jcloud/archive/2023/07/31/17593935.html
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在mysql未支持json數據類型時，我們通常使用varchar、blob或text的數據類型存儲json字元串，對mysql來說，用戶插入的數據只是序列化後的一個普通的字元串，不會對JSON文檔本身的語法合法性做檢查，文檔的合法性需要用戶自己保證。在使用時需要先將整個json對象從資料庫讀取出來，... ...


1 json對象的介紹

在mysql未支持json數據類型時，我們通常使用varchar、blob或text的數據類型存儲json字元串，對mysql來說，用戶插入的數據只是序列化後的一個普通的字元串，不會對JSON文檔本身的語法合法性做檢查，文檔的合法性需要用戶自己保證。在使用時需要先將整個json對象從資料庫讀取出來，在記憶體中完成解析及相應的計算處理，這種方式增加了資料庫的網路開銷並降低處理效率。

從 MySQL 5.7.8 開始，MySQL 支持RFC 7159定義的全部json 數據類型，具體的包含四種基本類型（strings, numbers, booleans,and null）和兩種結構化類型（objects and arrays）。可以有效地訪問 JSON文檔中的數據。與將 JSON 格式的字元串存儲在字元串列中相比，該數據類型具有以下優勢：

  • 自動驗證存儲在 JSON列中的 JSON 文檔。無效的文檔會產生錯誤。
  • 優化的存儲格式。存儲在列中的 JSON 文檔被轉換為允許快速讀取文檔元素的內部格式。當讀取 JSON 值時，不需要從文本表示中解析該值，使伺服器能夠直接通過鍵或數組索引查找子對象或嵌套值，而無需讀取文檔中它們之前或之後的所有值。

2 json類型的存儲結構

mysql為了提供對json對象的支持，提供了一套將json字元串轉為結構化二進位對象的存儲方式。json會被轉為二進位的doc對象存儲於磁碟中（在處理JSON時MySQL使用的utf8mb4字元集，utf8mb4是utf8和ascii的超集）。

doc對象包含兩個部分，type和value部分。其中type占1位元組，可以表示16種類型：大的和小的json object類型、大的和小的 json array類型、literal類型（true、false、null三個值）、number類型（int6、uint16、int32、uint32、int64、uint64、double類型、utf8mb4 string類型和custom data（mysql自定義類型），具體可以參考源碼json_binary.cc和json_binary.h進行學習。

下麵進行簡單介紹：
type ::=
0x00 | // small JSON object
0x01 | // large JSON object
0x02 | // small JSON array
0x03 | // large JSON array
0x04 | // literal (true/false/null)
0x05 | // int16
0x06 | // uint16
0x07 | // int32
0x08 | // uint32
0x09 | // int64
0x0a | // uint64
0x0b | // double
0x0c | // utf8mb4 string
0x0f // custom data (any MySQL data type)

  1. value包含 object、array、literal、number、string和custom-data六種類型，與type的16種類型對應。
  2. object表示json對象類型，由6部分組成：
  3. object ::= element-count size key-entry value-entry key value
    其中:
    element-count表示對象中包含的成員（key）個數，在array類型中表示數組元素個數。
    size表示整個json對象的二進位占用空間大小。小對象用2Bytes空間表示（最大64K），大對象用4Bytes表示（最大4G）
    key-entry可以理解為一個用於指向真實key值的數組。本身用於二分查找，加速json欄位的定位。
    key-entry由兩個部分組成：
    key-entry ::= key-offset key-length
    其中:
    key-offset：表示key值存儲的偏移量，便於快速定位key的真實值。
    key-length：表示key值的長度，用於分割不同key值的邊界。長度為2Bytes，這說明，key值的長度最長不能超過64kb.
  4. value-entry與key-enter功能類似，不同之處在於，value-entry可能存儲真實的value值。
    value-entry由兩部分組成：
    value-entry ::= type offset-or-inlined-value
    其中：
    type表示value類型，如上文所示，支持16種基本類型，從而可以表示各種類型的嵌套。
  5. offset-or-inlined-value：有兩層含義，如果value值足夠小，可以存儲於此，那麼就存儲數據本身，如果數據本身較大，則存儲真實值的偏移用於快速定位。
    key 表示key值的真實值，類型為：key ::= utf8mb4-data,這裡無需指定key值長度，因為key-entry中已經聲明瞭key的存儲長度。同時，在同一個json對象中，key值的長度總是一樣的。

array表示json數組，array類型主要包含4部分：
array ::= element-count size value-entry value

我們來使用示意圖更清晰的展示它的結構：

舉例說明：

需要註意的是：

  • JSON對象的Key索引（圖中橙色部分）都是排序好的，先按長度排序，長度相同的按照code point排序；Value索引（圖中黃色部分）根據對應的Key的位置依次排列，最後面真實的數據存儲（圖中白色部分）也是如此
  • Key和Value的索引對存儲了對象內的偏移和大小，單個索引的大小固定，可以通過簡單的算術跳轉到距離為N的索引
  • 通過MySQL5.7.16源代碼可以看到，在序列化JSON文檔時，MySQL會動態檢測單個對象的大小，如果小於64KB使用兩個位元組的偏移量，否則使用四個位元組的偏移量，以節省空間。同時，動態檢查單個對象是否是大對象，會造成對大對象進行兩次解析，源代碼中也指出這是以後需要優化的點
  • 現在受索引中偏移量和存儲大小四個位元組大小的限制，單個JSON文檔的大小不能超過4G；單個KEY的大小不能超過兩個位元組，即64K
  • 索引存儲對象內的偏移是為了方便移動，如果某個鍵值被改動，只用修改受影響對象整體的偏移量
  • 索引的大小現在是冗餘信息，因為通過相鄰偏移可以簡單的得到存儲大小，主要是為了應對變長JSON對象值更新，如果長度變小，JSON文檔整體都不用移動，只需要當前對象修改大小
  • 現在MySQL對於變長大小的值沒有預留額外的空間，也就是說如果該值的長度變大，後面的存儲都要受到影響
  • 結合JSON的路徑表達式可以知道，JSON的搜索操作只用反序列化路徑上涉及到的元素，速度非常快，實現了讀操作的高性能
  • MySQL對於大型文檔的變長鍵值的更新操作可能會變慢，可能並不適合寫密集的需求

3 json類型基本操作

3.1 json數據插入

json類型數據插入時有兩種方式，一種是基於字元串格式插入，另一種是基於json_object()函數，在使用json_object()函數只需按k-v順序，以,符號隔開順序插入即可，MYSQL會自動驗證 JSON 文檔，無效的文檔會產生錯誤。

mysql> CREATE TABLE t1 (jdoc JSON);
Query OK, 0 rows affected (0.20 sec)

mysql> INSERT INTO t1 VALUES('{"key1": "value1", "key2": "value2"}');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

mysql> INSERT INTO t1 VALUES('[1, 2,');
ERROR 3140 (22032) at line 2: Invalid JSON text:
"Invalid value." at position 6 in value (or column)  '[1, 2,'.

當一個字元串被解析併發現是一個有效的 JSON 文檔時，它也會被規範化：具有與文檔中先前找到的鍵重覆的鍵的成員被丟棄（即使值不同）。以下第一個sql中通過 JSON_OBJECT()調用生成的對象值不包括第二個key1元素，因為該鍵名出現在值的前面；第二個sql中只保留了x第一次出現的值：

mysql> SELECT JSON_OBJECT('key1', 1, 'key2', 'abc', 'key1', 'def');
+------------------------------------------------------+
| JSON_OBJECT('key1', 1, 'key2', 'abc', 'key1', 'def') |
+------------------------------------------------------+
| {"key1": 1, "key2": "abc"}                           |
+------------------------------------------------------+

mysql> INSERT INTO t1 VALUES
     >     ('{"x": 17, "x": "red"}'),
     >     ('{"x": 17, "x": "red", "x": [3, 5, 7]}');

mysql> SELECT c1 FROM t1;
+-----------+
| c1        |
+-----------+
| {"x": 17} |
| {"x": 17} |
+-----------+

3.2 json合併

MySQL 5.7支持JSON_MERGE（）的合併演算法，多個對象合併時產生一個對象。
可將多個數組合併為一個數組：

mysql> SELECT JSON_MERGE('[1, 2]', '["a", "b"]', '[true, false]');
+-----------------------------------------------------+
| JSON_MERGE('[1, 2]', '["a", "b"]', '[true, false]') |
+-----------------------------------------------------+
| [1, 2, "a", "b", true, false]                       |
+-----------------------------------------------------+

當合併數組與對象時，會將對象轉換為新數組進行合併：

mysql> SELECT JSON_MERGE('[10, 20]', '{"a": "x", "b": "y"}');
+------------------------------------------------+
| JSON_MERGE('[10, 20]', '{"a": "x", "b": "y"}') |
+------------------------------------------------+
| [10, 20, {"a": "x", "b": "y"}]                 |
+------------------------------------------------+

如果多個對象具有相同的鍵，則生成的合併對象中該鍵的值是包含鍵值的數組

mysql> SELECT JSON_MERGE('{"a": 1, "b": 2}', '{"c": 3, "a": 4}');
+----------------------------------------------------+
| JSON_MERGE('{"a": 1, "b": 2}', '{"c": 3, "a": 4}') |
+----------------------------------------------------+
| {"a": [1, 4], "b": 2, "c": 3}                      |
+----------------------------------------------------+

MySQL 8.0.3（及更高版本）支持兩種合併演算法，由函數 JSON_MERGE_PRESERVE()和 JSON_MERGE_PATCH(). 它們在處理重覆鍵的方式上有所不同：JSON_MERGE_PRESERVE()保留重覆鍵的值（與5.7版本的JSON_MERGE（）相同），而 JSON_MERGE_PATCH()丟棄除最後一個值之外的所有值。具體的

  • JSON_MERGE_PRESERVE() 函數接受兩個或多個 JSON 文檔並返回組合結果。如果參數為兩個object,相同的key將會把value合併為array(即使value也相同，也會合併為array),不同的key則直接合併。如果其中一個參數為json array，則另一個json object整體作為一個元素，加入array結果。
  • JSON_MERGE_PATCH()函數接受兩個或多個 JSON 文檔並返回組合結果。如果參數為兩個object,相同的key的value將會被後面參數的value覆蓋,不同的key則直接合併。如果合併的是數組，將按照“最後一個重覆鍵獲勝”邏輯僅保留最後一個參數。
mysql> SELECT JSON_MERGE_PRESERVE('{"a":1,"b":2}', '{"a":3,"c":3}');
+-------------------------------------------------------+
| JSON_MERGE_PRESERVE('{"a":1,"b":2}', '{"a":3,"c":3}') |
+-------------------------------------------------------+
| {"a": [1, 3], "b": 2, "c": 3}                         |
+-------------------------------------------------------+
1 row in set (0.01 sec)
mysql> SELECT JSON_MERGE_PATCH('{"a":1,"b":2}', '{"a":3,"c":3}');
+----------------------------------------------------+
| JSON_MERGE_PATCH('{"a":1,"b":2}', '{"a":3,"c":3}') |
+----------------------------------------------------+
| {"a": 3, "b": 2, "c": 3}                           |
+----------------------------------------------------+
1 row in set (0.02 sec)

mysql> SELECT JSON_MERGE_PRESERVE('["a", 1]', '"a"','{"key": "value"}');
+-----------------------------------------------------------+
| JSON_MERGE_PRESERVE('["a", 1]', '"a"','{"key": "value"}') |
+-----------------------------------------------------------+
| ["a", 1, "a", {"key": "value"}]                           |
+-----------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)
mysql> SELECT JSON_MERGE_PATCH('["a", 1]', '"a"','{"key": "value"}') ;
+--------------------------------------------------------+
| JSON_MERGE_PATCH('["a", 1]', '"a"','{"key": "value"}') |
+--------------------------------------------------------+
| {"key": "value"}                                       |
+--------------------------------------------------------+
1 row in set (0.01 sec)

3.3 json數據查詢

MySQL 5.7.7+本身提供了很多原生的函數以及路徑表達式來方便用戶訪問JSON數據。
JSON_EXTRACT()函數用於解析json對象，->符號是就一種JSON_EXTRACT()函數的等價模式。例如查詢上面t1表中 jdoc欄位中key值為x的值

SELECT jdoc->'$.x' FROM t1;
SELECT JSON_EXTRACT(jdoc,'$.x') FROM t1;

JSON_EXTRACT返回值會帶有” “,如果想獲取原本的值可以使用JSON_UNQUOTE

mysql> SELECT JSON_EXTRACT('{"id": 14, "name": "Aztalan"}', '$.name');
+---------------------------------------------------------+
| JSON_EXTRACT('{"id": 14, "name": "Aztalan"}', '$.name') |
+---------------------------------------------------------+
| "Aztalan"                                               |
+---------------------------------------------------------+

mysql> SELECT JSON_UNQUOTE(json_extract('{"id": 14, "name": "Aztalan"}', '$.name'));;
+-----------------------------------------------------------------------+
| JSON_UNQUOTE(json_extract('{"id": 14, "name": "Aztalan"}', '$.name')) |
+-----------------------------------------------------------------------+
| Aztalan                                                               |
+-----------------------------------------------------------------------+

json路徑的語法：

pathExpression:
    scope[(pathLeg)*]

pathLeg:
    member | arrayLocation | doubleAsterisk

member:
    period ( keyName | asterisk )

arrayLocation:
    leftBracket ( nonNegativeInteger | asterisk ) rightBracket

keyName:
    ESIdentifier | doubleQuotedString

doubleAsterisk:
    '**'

period:
    '.'

asterisk:
    '*'

leftBracket:
    '['

rightBracket:
    ']'

以json { “a”: [ [ 3, 2 ], [ { “c” : “d” }, 1 ] ], “b”: { “c” : 6 }, “one potato”: 7, “b.c” : 8 } 為例：
\(.a\[1\] 獲取的值為 \[ { “c” : “d” }, 1 \] \).b.c 獲取的值為 6
$.”b.c” 獲取的值為 8（因為鍵名包含不合法的表達式所以需要使用引號）

mysql>  select json_extract('{ "a": [ [ 3, 2 ], [ { "c" : "d" }, 1 ] ], "b": { "c" : 6 }, "one potato": 7, "b.c" : 8 }','$**.c');
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| JSON_EXTRACT('{ "a": [ [ 3, 2 ], [ { "c" : "d" }, 1 ] ], "b": { "c" : 6 }, "one potato": 7, "b.c" : 8 }','$**.c') |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| ["d", 6]                                                                                                          |
+-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+

\(**.c 匹配到了兩個路徑 : \).a[1].c 獲取的值是”d”
$.b.c 獲取的值為 6

3.4 json數據更新

一些函數採用現有的 JSON 文檔，以某種方式對其進行修改，然後返回結果修改後的文檔。路徑表達式指示在文檔中進行更改的位置。例如，JSON_SET()、 JSON_INSERT()和 JSON_REPLACE()函數各自採用現有的 JSON 文檔，加上一個或多個路徑和值對，來描述修改文檔和要更新的值。這些函數在處理文檔中現有值和不存在值的方式上有所不同。
具體如下

mysql> SET @j = '["a", {"b": [true, false]}, [10, 20]]';

JSON_SET()替換存在的路徑的值並添加不存在的路徑的值：

mysql> SELECT JSON_SET(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2);
+--------------------------------------------+
| JSON_SET(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2) |
+--------------------------------------------+
| ["a", {"b": [1, false]}, [10, 20, 2]]      |
+--------------------------------------------+

在這種情況下，路徑\(\[1\].b\[0\]選擇一個現有值 ( true)，該值將替換為路徑參數 ( 1) 後面的值。該路徑\)[2][2]不存在，因此將相應的值 ( 2) 添加到 選擇的值中$[2]。
JSON_INSERT()添加新值但不替換現有值：

mysql> SELECT JSON_INSERT(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2);
+-----------------------------------------------+
| JSON_INSERT(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2) |
+-----------------------------------------------+
| ["a", {"b": [true, false]}, [10, 20, 2]]      |
+-----------------------------------------------+

JSON_REPLACE()替換現有值並忽略新值：

mysql> SELECT JSON_REPLACE(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2);
+------------------------------------------------+
| JSON_REPLACE(@j, '$[1].b[0]', 1, '$[2][2]', 2) |
+------------------------------------------------+
| ["a", {"b": [1, false]}, [10, 20]]             |
+------------------------------------------------+

JSON_REMOVE()接受一個 JSON 文檔和一個或多個路徑，這些路徑指定要從文檔中刪除的值。返回值是原始文檔減去文檔中存在的路徑選擇的值：

mysql> SELECT JSON_REMOVE(@j, '$[2]', '$[1].b[1]', '$[1].b[1]');
+---------------------------------------------------+
| JSON_REMOVE(@j, '$[2]', '$[1].b[1]', '$[1].b[1]') |
+---------------------------------------------------+
| ["a", {"b": [true]}]                              |
+---------------------------------------------------+

\(\[2\]匹配\[10, 20\] 並刪除它。 \)[1].b[1]匹配 元素false中 的第一個實例b並將其刪除。
不匹配的第二個實例$[1].b[1]：該元素已被刪除，路徑不再存在，並且沒有效果。

3.5 json比較與排序

JSON值可以使用=, <, <=, >, >=, <>, !=, <=>等操作符，BETWEEN, IN,GREATEST, LEAST等操作符現在還不支持。JSON值使用的兩級排序規則，第一級基於JSON的類型，類型不同的使用每個類型特有的排序規則。
JSON類型按照優先順序從高到低為

BLOB
BIT
OPAQUE
DATETIME
TIME
DATE
BOOLEAN
ARRAY
OBJECT
STRING
INTEGER, DOUBLE
NULL

優先順序高的類型大，不用再進行其他的比較操作；如果類型相同，每個類型按自己的規則排序。具體的規則如下：

  • BLOB/BIT/OPAQUE: 比較兩個值前N個位元組，如果前N個位元組相同，短的值小
  • DATETIME/TIME/DATE: 按照所表示的時間點排序
  • BOOLEAN: false小於true
  • ARRAY: 兩個數組如果長度和在每個位置的值相同時相等，如果不想等，取第一個不相同元素的排序結果，空元素最小。例：[] < [“a”] < [“ab”] < [“ab”, “cd”, “ef”] < [“ab”, “ef”]
  • OBJECT: 如果兩個對象有相同的KEY，並且KEY對應的VALUE也都相同，兩者相等。否則，兩者大小不等，但相對大小未規定。例：{“a”: 1, “b”: 2} =
  • STRING: 取兩個STRING較短的那個長度為N，比較兩個值utf8mb4編碼的前N個位元組，較短的小，空值最小。例：”a” < “ab” < “b” < “bc”；此排序等同於使用 collat​​ion 對 SQL 字元串進行排序utf8mb4_bin。因為 utf8mb4_bin是二進位排序規則，所以 JSON 值的比較區分大小寫：”A” < “a”
  • INTEGER/DOUBLE: 包括精確值和近似值的比較

4 JSON的索引

現在MySQL不支持對JSON列進行索引，官網文檔的說明是：

JSON columns cannot be indexed. You can work around this restriction by creating an index on a generated column that extracts a scalar value from the JSON column.

雖然不支持直接在JSON列上建索引，但MySQL規定，可以首先使用路徑表達式對JSON文檔中的標量值建立虛擬列，然後在虛擬列上建立索引。這樣用戶可以使用表達式對自己感興趣的鍵值建立索引。舉個具體的例子來說明：

ALTER TABLE features ADD feature_street VARCHAR(30) AS (JSON_UNQUOTE(feature->"$.properties.STREET"));
ALTER TABLE features ADD INDEX (feature_street);

兩個步驟，可以對feature列中properties鍵值下的STREET鍵(feature->”$.properties.STREET”)創建索引。

其中，feature_street列就是新添加的虛擬列。之所以取名虛擬列，是因為與它對應的還有一個存儲列(stored column)。它們最大的區別為虛擬列只修改資料庫的metadata，並不會存儲真實的數據在硬碟上，讀取過程也是實時計算的方式；而存儲列會把表達式的列存儲在硬碟上。兩者使用的場景不一樣，預設情況下通過表達式生成的列為虛擬列。

這樣虛擬列的添加和刪除都會非常快，而在虛擬列上建立索引跟傳統的建立索引的方式並沒有區別，會提高虛擬列讀取的性能，減慢整體插入的性能。虛擬列的特性結合JSON的路徑表達式，可以方便的為用戶提供高效的鍵值索引功能。

5 總結

  1. JSON類型無須預定義欄位，適合拓展信息的存儲
  2. 單個JSON文檔的大小不能超過4G；單個KEY的大小不能超過兩個位元組，即64K
  3. JSON類型適合應用於不常更新的靜態數據
  4. 對搜索較頻繁的數據建議增加虛擬列並建立索引

作者：京東物流 王鳳輝

來源：京東雲開發者社區 自猿其說Tech


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