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## TsFile API 

TsFile 是在 IoTDB 中使用的时间序列的文件格式。在这个章节中，我们将介绍这种文件格式的用法。 

### 安装 TsFile library

在您自己的项目中有两种方法使用 TsFile .

* 使用 jar 包：编译源码生成 jar 包
	
```shell
git clone https://github.com/apache/iotdb.git
cd tsfile/
mvn clean package -Dmaven.test.skip=true
```

命令执行完成之后，所有的 jar 包都可以从 `target/` 目录下找到。之后您可以在自己的工程中导入 `target/tsfile-0.13.0-SNAPSHOT.jar`.
	
* 使用 Maven 依赖：

编译源码并且部署到您的本地仓库中需要 3 步：

 1. 下载源码

 ```shell
git clone https://github.com/apache/iotdb.git
 ```
 2. 编译源码和部署到本地仓库

 ```shell
cd tsfile/
mvn clean install -Dmaven.test.skip=true
 ```
 3. 在您自己的工程中增加依赖：

 ```xml
 <dependency>
   <groupId>org.apache.iotdb</groupId>
   <artifactId>tsfile</artifactId>
   <version>0.12.0</version>
 </dependency>
 ```

或者，您可以直接使用官方的 Maven 仓库：

  1. 首先，在`${username}\.m2\settings.xml`目录下的`settings.xml`文件中`<profiles>`
     节中增加`<profile>`，内容如下：
     
 ```xml
<profile>
   <id>allow-snapshots</id>
      <activation><activeByDefault>true</activeByDefault></activation>
   <repositories>
     <repository>  
        <id>apache.snapshots</id>
        <name>Apache Development Snapshot Repository</name>
        <url>https://repository.apache.org/content/repositories/snapshots/</url>
        <releases>
            <enabled>false</enabled>
        </releases>
        <snapshots>
            <enabled>true</enabled>
        </snapshots>
      </repository>
   </repositories>
 </profile>
 ```
  2. 之后您可以在您的工程中增加如下依赖：

 ```xml
 <dependency>
   <groupId>org.apache.iotdb</groupId>
   <artifactId>tsfile</artifactId>
   <version>0.13.0-SNAPSHOT</version>
 </dependency>
 ```

### TsFile 的使用

本章节演示 TsFile 的详细用法。

时序数据 (Time-series Data)
一个时序是由 4 个序列组成，分别是 device, measurement, time, value。

* **measurement**: 时间序列描述的是一个物理或者形式的测量 (measurement)，比如：城市的温度，一些商品的销售数量或者是火车在不同时间的速度。
传统的传感器（如温度计）也采用单次测量 (measurement) 并产生时间序列，我们将在下面交替使用测量 (measurement) 和传感器。

* **device**: 一个设备指的是一个正在进行多次测量（产生多个时间序列）的实体，例如，一列正在运行的火车监控它的速度、油表、它已经运行的英里数，当前的乘客每个都被传送到一个时间序列。

**单行数据**: 在许多工业应用程序中，一个设备通常包含多个传感器，这些传感器可能同时具有多个值，这称为一行数据。

在形式上，一行数据包含一个`device_id`，它是一个时间戳，表示从 1970 年 1 月 1 日 00:00:00 开始的毫秒数，
以及由`measurement_id`和相应的`value`组成的几个数据对。一行中的所有数据对都属于这个`device_id`，并且具有相同的时间戳。
如果其中一个度量值`measurements`在某个时间戳`timestamp`没有值`value`，将使用一个空格表示（实际上 TsFile 并不存储 null 值）。
其格式如下：

```
device_id, timestamp, <measurement_id, value>...
```

示例数据如下所示。在本例中，两个度量值 (measurement) 的数据类型分别是`INT32`和`FLOAT`。

```
device_1, 1490860659000, m1, 10, m2, 12.12
```

#### 写入 TsFile

TsFile 可以通过以下三个步骤生成，完整的代码参见"写入 TsFile 示例"章节。

1. 构造一个`TsFileWriter`实例。
  
    以下是可用的构造函数：
    
    * 没有预定义 schema
    
    ```java
    public TsFileWriter(File file) throws IOException
    ```
    * 预定义 schema
    
    ```java
    public TsFileWriter(File file, Schema schema) throws IOException
    ```
    这个是用于使用 HDFS 文件系统的。`TsFileOutput`可以是`HDFSOutput`类的一个实例。
    
    ```java
    public TsFileWriter(TsFileOutput output, Schema schema) throws IOException 
    ```
    
    如果你想自己设置一些 TSFile 的配置，你可以使用`config`参数。比如：
    
    ```java
    TSFileConfig conf = new TSFileConfig();
    conf.setTSFileStorageFs("HDFS");
    TsFileWriter tsFileWriter = new TsFileWriter(file, schema, conf);
    ```

    在上面的例子中，数据文件将存储在 HDFS 中，而不是本地文件系统中。如果你想在本地文件系统中存储数据文件，你可以使用`conf.setTSFileStorageFs("LOCAL")`，这也是默认的配置。
    
    您还可以通过`config.setHdfsIp(...)`和`config.setHdfsPort(...)`来配置 HDFS 的 IP 和端口。默认的 IP 是`localhost`，默认的`RPC`端口是`9000`.
    
    **参数：**
    
    * file : 写入 TsFile 数据的文件
    * schema : 文件的 schemas，将在下章进行介绍
    * config : TsFile 的一些配置项

2. 添加测量值 (measurement)
  
    你也可以先创建一个`Schema`类的实例然后把它传递给`TsFileWriter`类的构造函数
    
    `Schema`类保存的是一个映射关系，key 是一个 measurement 的名字，value 是 measurement schema.
    
    下面是一系列接口：
    
    ```java
    // Create an empty Schema or from an existing map
    public Schema()
    public Schema(Map<String, MeasurementSchema> measurements)
    // Use this two interfaces to add measurements
    public void registerMeasurement(MeasurementSchema descriptor)
    public void registerMeasurements(Map<String, MeasurementSchema> measurements)
    // Some useful getter and checker
    public TSDataType getMeasurementDataType(String measurementId)
    public MeasurementSchema getMeasurementSchema(String measurementId)
    public Map<String, MeasurementSchema> getAllMeasurementSchema()
    public boolean hasMeasurement(String measurementId)
    ```
  
    你可以在`TsFileWriter`类中使用以下接口来添加额外的测量 (measurement):
      
    ```java
    public void addMeasurement(MeasurementSchema measurementSchema) throws WriteProcessException
    ```
    
    `MeasurementSchema`类保存了一个测量 (measurement) 的信息，有几个构造函数：
    
    ```java
    public MeasurementSchema(String measurementId, TSDataType type, TSEncoding encoding)
    public MeasurementSchema(String measurementId, TSDataType type, TSEncoding encoding, CompressionType compressionType)
    public MeasurementSchema(String measurementId, TSDataType type, TSEncoding encoding, CompressionType compressionType, 
    Map<String, String> props)
    ```
    
    **参数：**
    ​    
    
    * measurementID: 测量的名称，通常是传感器的名称。
      
    * type: 数据类型，现在支持六种类型：`BOOLEAN`, `INT32`, `INT64`, `FLOAT`, `DOUBLE`, `TEXT`;
    
    * encoding: 编码类型。
    
    * compression: 压缩方式。现在支持 `UNCOMPRESSED` 和 `SNAPPY`.
    
    * props: 特殊数据类型的属性。比如说`FLOAT`和`DOUBLE`可以设置`max_point_number`，`TEXT`可以设置`max_string_length`。
    可以使用 Map 来保存键值对，比如 ("max_point_number", "3")。
    
    > **注意：** 虽然一个测量 (measurement) 的名字可以被用在多个 deltaObjects 中，但是它的参数是不允许被修改的。比如：
        不允许多次为同一个测量 (measurement) 名添加不同类型的编码。下面是一个错误示例：
	
	```java
	// The measurement "sensor_1" is float type
	addMeasurement(new MeasurementSchema("sensor_1", TSDataType.FLOAT, TSEncoding.RLE));
	// This call will throw a WriteProcessException exception
	addMeasurement(new MeasurementSchema("sensor_1", TSDataType.INT32, TSEncoding.RLE));
	```
3. 插入和写入数据。
  
    使用这个接口创建一个新的`TSRecord`（时间戳和设备对）。
    
    ```java
    public TSRecord(long timestamp, String deviceId)
    ```
  
    然后创建一个`DataPoint`（度量 (measurement) 和值的对应），并使用 addTuple 方法将数据 DataPoint 添加正确的值到 TsRecord。
    
    用下面这种方法写

    ```java
    public void write(TSRecord record) throws IOException, WriteProcessException
    ```
    
4. 调用`close`方法来完成写入过程。

    ```java
    public void close() throws IOException
    ```

我们也支持将数据写入已关闭的 TsFile 文件中。

1. 使用`ForceAppendTsFileWriter`打开已经关闭的文件。

	```java
	public ForceAppendTsFileWriter(File file) throws IOException
	```
2. 调用 `doTruncate` 去掉文件的 Metadata 部分

3. 使用  `ForceAppendTsFileWriter` 构造另一个`TsFileWriter`

	```java
	public TsFileWriter(TsFileIOWriter fileWriter) throws IOException
	```
请注意 此时需要重新添加测量值 (measurement) 再进行上述写入操作。

#### 写入 TsFile 示例

您需要安装 TsFile 到本地的 Maven 仓库中。

```shell
mvn clean install -pl tsfile -am -DskipTests
```

如果存在**非对齐**的时序数据（比如：不是所有的传感器都有值），您可以通过构造** TSRecord **来写入。

更详细的例子可以在

```
/example/tsfile/src/main/java/org/apache/iotdb/tsfile/TsFileWriteWithTSRecord.java
```

中查看

如果所有时序数据都是**对齐**的，您可以通过构造** Tablet **来写入数据。

更详细的例子可以在

```
/example/tsfile/src/main/java/org/apache/iotdb/tsfile/TsFileWriteWithTablet.java
```
中查看

在已关闭的 TsFile 文件中写入新数据的详细例子可以在

```
/example/tsfile/src/main/java/org/apache/iotdb/tsfile/TsFileForceAppendWrite.java
```
中查看

#### 读取 TsFile 接口

 * 路径的定义

路径是一个点 (.) 分隔的字符串，它唯一地标识 TsFile 中的时间序列，例如："root.area_1.device_1.sensor_1"。
最后一部分"sensor_1"称为"measurementId"，其余部分"root.area_1.device_1"称为 deviceId。
正如之前提到的，不同设备中的相同测量 (measurement) 具有相同的数据类型和编码，设备也是唯一的。

在 read 接口中，参数`paths`表示要选择的测量值 (measurement)。
Path 实例可以很容易地通过类`Path`来构造。例如：

```java
Path p = new Path("device_1.sensor_1");
```

我们可以为查询传递一个 ArrayList 路径，以支持多个路径查询。

```java
List<Path> paths = new ArrayList<Path>();
paths.add(new Path("device_1.sensor_1"));
paths.add(new Path("device_1.sensor_3"));
```

> **注意：** 在构造路径时，参数的格式应该是一个点 (.) 分隔的字符串，最后一部分是 measurement，其余部分确认为 deviceId。

 * 定义 Filter

   * 使用条件过滤
在 TsFile 读取过程中使用 Filter 来选择满足一个或多个给定条件的数据。

   * IExpression
`IExpression`是一个过滤器表达式接口，它将被传递给系统查询时调用。
我们创建一个或多个筛选器表达式，并且可以使用`Binary Filter Operators`将它们连接形成最终表达式。

* **创建一个 Filter 表达式**
  
    有两种类型的过滤器。
    
     * TimeFilter: 使用时序数据中的`time`过滤。
    
    ```java
    IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter);
    ```

 使用以下关系获得一个`TimeFilter`对象（值是一个 long 型变量）。

|Relationship|Description|
|----|----|
|TimeFilter.eq(value)|选择时间等于值的数据|
|TimeFilter.lt(value)|选择时间小于值的数据|
|TimeFilter.gt(value)|选择时间大于值的数据|
|TimeFilter.ltEq(value)|选择时间小于等于值的数据|
|TimeFilter.gtEq(value)|选择时间大于等于值的数据|
|TimeFilter.notEq(value)|选择时间不等于值的数据|
|TimeFilter.not(TimeFilter)|选择时间不满足另一个时间过滤器的数据|

   * ValueFilter: 使用时序数据中的`value`过滤。
     

```java
IExpression valueFilterExpr = new SingleSeriesExpression(Path, ValueFilter);
```

 `ValueFilter`的用法与`TimeFilter`相同，只是需要确保值的类型等于 measurement（在路径中定义）的类型。

* **Binary Filter Operators**

    Binary filter operators 可以用来连接两个单独的表达式。

     * BinaryExpression.and(Expression, Expression): 选择同时满足两个表达式的数据。
     * BinaryExpression.or(Expression, Expression): 选择满足任意一个表达式值的数据。
    

Filter Expression 示例

* **TimeFilterExpression 示例**

```java
IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter.eq(15)); // series time = 15
```
```java
IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter.ltEq(15)); // series time <= 15
```
```java
IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter.lt(15)); // series time < 15
```
```java
IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter.gtEq(15)); // series time >= 15
```
```java
IExpression timeFilterExpr = new GlobalTimeExpression(TimeFilter.notEq(15)); // series time != 15
```
```java
IExpression timeFilterExpr = BinaryExpression.and(
		new GlobalTimeExpression(TimeFilter.gtEq(15L)),
    new GlobalTimeExpression(TimeFilter.lt(25L))); // 15 <= series time < 25
```
```java
IExpression timeFilterExpr = BinaryExpression.or(
    new GlobalTimeExpression(TimeFilter.gtEq(15L)),
    new GlobalTimeExpression(TimeFilter.lt(25L))); // series time >= 15 or series time < 25
```

* 读取接口

首先，我们打开 TsFile 并从文件路径`path`中获取一个`ReadOnlyTsFile`实例。

```java
TsFileSequenceReader reader = new TsFileSequenceReader(path);
ReadOnlyTsFile readTsFile = new ReadOnlyTsFile(reader);
```
接下来，我们准备路径数组和查询表达式，然后通过这个接口得到最终的`QueryExpression`对象：

```java
QueryExpression queryExpression = QueryExpression.create(paths, statement);
```

ReadOnlyTsFile 类有两个`query`方法来执行查询。

```java
public QueryDataSet query(QueryExpression queryExpression) throws IOException
public QueryDataSet query(QueryExpression queryExpression, long partitionStartOffset, long partitionEndOffset) throws IOException
```

此方法是为高级应用（如 TsFile-Spark 连接器）设计的。

* **参数** : 对于第二个方法，添加了两个额外的参数来支持部分查询 (Partial Query):
    *  `partitionStartOffset`: TsFile 的开始偏移量
    *  `partitionEndOffset`: TsFile 的结束偏移量
                        
>什么是部分查询？

> 在一些分布式文件系统中（比如：HDFS), 文件被分成几个部分，这些部分被称为"Blocks"并存储在不同的节点中。在涉及的每个节点上并行执行查询可以提高效率。因此需要部分查询 (Partial Query)。部分查询 (Partial Query) 仅支持查询 TsFile 中被`QueryConstant.PARTITION_START_OFFSET`和`QueryConstant.PARTITION_END_OFFSET`分割的部分。

* QueryDataset 接口

 上面执行的查询将返回一个`QueryDataset`对象。

 以下是一些用户常用的接口：

   * `bool hasNext();`

     如果该数据集仍然有数据，则返回 true。
   * `List<Path> getPaths()`

      获取这个数据集中的路径。
  * `List<TSDataType> getDataTypes();` 

     获取数据类型。

   * `RowRecord next() throws IOException;`

     获取下一条记录。
     
     `RowRecord`类包含一个`long`类型的时间戳和一个`List<Field>`，用于不同传感器中的数据，我们可以使用两个 getter 方法来获取它们。
     
     ```java
     long getTimestamp();
     List<Field> getFields();
     ```
    
     要从一个字段获取数据，请使用以下方法：
     
     ```java
     TSDataType getDataType();
     Object getObjectValue();
     ```

#### 读取现有 TsFile 示例

您需要安装 TsFile 到本地的 Maven 仓库中。

有关查询语句的更详细示例，请参见
`/example/tsfile/src/main/java/org/apache/iotdb/tsfile/TsFileRead.java`

```java
package org.apache.iotdb.tsfile;
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.ReadOnlyTsFile;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.TsFileSequenceReader;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.common.Path;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.expression.IExpression;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.expression.QueryExpression;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.expression.impl.BinaryExpression;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.expression.impl.GlobalTimeExpression;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.expression.impl.SingleSeriesExpression;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.filter.TimeFilter;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.filter.ValueFilter;
import org.apache.iotdb.tsfile.read.query.dataset.QueryDataSet;

/**
 * The class is to show how to read TsFile file named "test.tsfile".
 * The TsFile file "test.tsfile" is generated from class TsFileWrite.
 * Run TsFileWrite to generate the test.tsfile first
 */
public class TsFileRead {
  private static final String DEVICE1 = "device_1";
  
  private static void queryAndPrint(ArrayList<Path> paths, ReadOnlyTsFile readTsFile, IExpression statement)
          throws IOException {
    QueryExpression queryExpression = QueryExpression.create(paths, statement);
    QueryDataSet queryDataSet = readTsFile.query(queryExpression);
    while (queryDataSet.hasNext()) {
      System.out.println(queryDataSet.next());
    }
    System.out.println("------------");
  }

  public static void main(String[] args) throws IOException {

    // file path
    String path = "test.tsfile";

    // create reader and get the readTsFile interface
    try (TsFileSequenceReader reader = new TsFileSequenceReader(path);
         ReadOnlyTsFile readTsFile = new ReadOnlyTsFile(reader)){
	 
    // use these paths(all sensors) for all the queries
    ArrayList<Path> paths = new ArrayList<>();
    paths.add(new Path(DEVICE1, "sensor_1"));
    paths.add(new Path(DEVICE1, "sensor_2"));
    paths.add(new Path(DEVICE1, "sensor_3"));

    // no filter, should select 1 2 3 4 6 7 8
    queryAndPrint(paths, readTsFile, null);

   // time filter : 4 <= time <= 10, should select 4 6 7 8
    IExpression timeFilter =
       BinaryExpression.and(
           new GlobalTimeExpression(TimeFilter.gtEq(4L)),
           new GlobalTimeExpression(TimeFilter.ltEq(10L)));
    queryAndPrint(paths, readTsFile, timeFilter);

   // value filter : device_1.sensor_2 <= 20, should select 1 2 4 6 7
    IExpression valueFilter =
        new SingleSeriesExpression(new Path(DEVICE1, "sensor_2"), ValueFilter.ltEq(20L));
    queryAndPrint(paths, readTsFile, valueFilter);

   // time filter : 4 <= time <= 10, value filter : device_1.sensor_3 >= 20, should select 4 7 8
    timeFilter =
        BinaryExpression.and(
            new GlobalTimeExpression(TimeFilter.gtEq(4L)),
            new GlobalTimeExpression(TimeFilter.ltEq(10L)));
    valueFilter =
        new SingleSeriesExpression(new Path(DEVICE1, "sensor_3"), ValueFilter.gtEq(20L));
    IExpression finalFilter = BinaryExpression.and(timeFilter, valueFilter);
    queryAndPrint(paths, readTsFile, finalFilter);
    }
  }
}
```

#### 修改 TsFile 配置项

```java
TSFileConfig config = TSFileDescriptor.getInstance().getConfig();
config.setXXX();
```