PostgreSQL substr 関数でバイナリデータを自在に操作する

基本的な構文

substr(バイナリ文字列, 開始位置 [, 長さ])

各パラメータの説明

• 長さ (省略可能): 抽出する部分文字列のバイト数を示す正の整数です。
  • このパラメータを省略すると、開始位置からバイナリ文字列の最後までが抽出されます。
• 開始位置: 抽出を開始する位置を示す整数です。
  • 先頭のバイトは 1 から始まります。
  • 正の数を指定すると、文字列の先頭から数えた位置で抽出が開始されます。
  • 負の数を指定すると、文字列の末尾から数えた位置で抽出が開始されます。例えば、-3 は末尾から3番目のバイトを指します。
• バイナリ文字列: 部分文字列を抽出したい元のバイナリデータ（bytea型）です。

戻り値

substr 関数は、指定された開始位置から指定された長さ（または文字列の最後まで）のバイトを含む新しい bytea 型の値を返します。

例

例えば、以下のような bytea 型のデータを持つテーブルがあるとします。

| id | binary_data | | -- | ---------------- | | 1 | \xdeadbeef | | 2 | \x0102030405 |

例1: 先頭から特定長のバイトを抽出する

SELECT substr(binary_data, 1, 2) FROM your_table WHERE id = 1;

このクエリは、id が 1 の行の binary_data の先頭から 2 バイト (\xde と \ad) を抽出し、\xdead を返します。

例2: 特定の位置から最後までを抽出する

SELECT substr(binary_data, 3) FROM your_table WHERE id = 2;

このクエリは、id が 2 の行の binary_data の 3 番目のバイト (\x03) から最後まで (\x030405) を抽出し、\x030405 を返します。

例3: 末尾から特定長のバイトを抽出する

SELECT substr(binary_data, -3, 2) FROM your_table WHERE id = 2;

このクエリは、id が 2 の行の binary_data の末尾から 3 番目のバイト (\x03) から 2 バイト (\x03 と \x04) を抽出し、\x0304 を返します。

• 長さが 0 以下の場合、空の bytea 値 (\x) が返されます。
• 開始位置がバイナリ文字列の長さを超える場合、空の bytea 値 (\x) が返されます。
• substr 関数はバイト単位で動作します。マルチバイト文字のエンコーディングを扱う場合は、意図しない結果になる可能性があることに注意してください。通常、バイナリデータは特定のエンコーディングを持つテキストデータとは異なるため、この点はあまり問題になりません。

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無効な開始位置 (Invalid Starting Position)

• トラブルシューティング
  
  • 開始位置が 1 以上であることを確認してください。
  • 末尾からの位置を指定する場合は、負の数の絶対値が文字列長以下であることを確認してください。
  • 変数などを使用して開始位置を指定している場合は、変数の値が適切であることをデバッグしてください。
• 原因
  substr の開始位置は 1 から始まる正の整数、または末尾からの位置を示す負の整数で指定する必要があります。0 は無効な値です。また、絶対値が文字列長を超える場合も、意図しない動作を引き起こします。
• エラー
  開始位置に 0 や文字列長を超える値を指定した場合、期待しない結果（空の文字列など）やエラーが発生することがあります。

例

-- エラーになりにくいですが、意図しない結果を招く可能性
SELECT substr('\x010203'::bytea, 0); -- 開始位置が 0

-- 文字列長を超える開始位置
SELECT substr('\x010203'::bytea, 4); -- 文字列長は 3
SELECT substr('\x010203'::bytea, -4); -- 末尾からの位置の絶対値が文字列長を超える

無効な長さ (Invalid Length)

• トラブルシューティング
  
  • 長さが正の整数であることを確認してください。
  • 部分文字列が不要な場合は、 substr の呼び出し自体を避けるか、他の方法を検討してください。
• 原因
  substr の長さは、抽出したいバイト数を示す正の整数である必要があります。
• エラー
  長さに 0 または負の値を指定した場合、空の bytea 値 (\x) が返されます。

例

SELECT substr('\x010203'::bytea, 1, 0); -- 長さが 0
SELECT substr('\x010203'::bytea, 1, -1); -- 長さが負の数

データ型の不一致 (Data Type Mismatch)

• トラブルシューティング
  
  • substr に渡す値が bytea 型であることを ::bytea キャストなどで明示的に確認してください。
  • テーブルのカラムのデータ型を確認し、必要に応じて適切な型に変換してください。
• 原因
  substr はバイナリ文字列 (bytea 型) に対してのみ動作します。
• エラー
  substr 関数の最初の引数に bytea 型以外のデータ型（text, integer など）を誤って渡した場合、データ型の不一致によるエラーが発生します。

例

-- text 型のデータを直接渡すとエラーになる可能性
SELECT substr('abc', 1, 2);

-- 明示的に bytea 型にキャスト
SELECT substr('abc'::bytea, 1, 2);

エンコーディングの問題 (Encoding Issues - 稀ですが可能性あり)

• トラブルシューティング
  
  • もし bytea 型のデータがテキストを表している場合は、そのエンコーディングを考慮し、より高レベルなテキスト処理関数（substring など）の使用を検討してください。
  • マルチバイト文字の境界を意識した処理が必要な場合は、アプリケーション側でロジックを実装する必要があるかもしれません。
• 注意点
  bytea 型は一般的にエンコーディングを意識しません。バイト列そのものを扱うため、テキストデータのようなエンコーディングの問題は起こりにくいです。しかし、もし bytea 型のデータが特定のエンコーディングを持つテキストを表している場合、substr で単純にバイト単位で切り出すと、マルチバイト文字の途中で分割されてしまい、後でそれをテキストとして解釈する際に問題が生じる可能性があります。

NULL 値の扱い (Handling NULL Values)

• トラブルシューティング
  
  • substr に渡す可能性のある値が NULL でないことを事前に確認するか、COALESCE 関数などでデフォルト値を設定することを検討してください。
  • WHERE 句で NULL 値を除外するなどの対策も有効です。
• 動作
  substr 関数の最初の引数（バイナリ文字列）が NULL の場合、戻り値も NULL になります。開始位置や長さが NULL の場合は、エラーが発生するか、あるいは NULL が返る可能性があります（PostgreSQLのバージョンによって挙動が異なる場合があります）。

例

SELECT substr(NULL::bytea, 1, 2); -- 戻り値は NULL

-- 開始位置が NULL の場合（エラーになる可能性あり）
-- SELECT substr('\x0102'::bytea, NULL, 1);

• PostgreSQL のドキュメント参照
  PostgreSQL の公式ドキュメントで substr 関数の詳細な仕様や注意点を確認してください。
• テストデータの作成
  問題が再現する最小限のテストデータを作成し、様々な入力値を試して動作を確認してください。
• エラーメッセージの確認
  PostgreSQL が返すエラーメッセージを注意深く読み、何が問題なのかを理解するように努めてください。
• SQL クエリの確認
  substr 関数の引数（バイナリ文字列、開始位置、長さ）が意図した値になっているか、データ型は正しいかなどを丁寧に確認してください。

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SQL クエリの例

まず、PostgreSQLのSQLクエリ内で substr 関数を使用する基本的な例をいくつか示します。

準備

以下のデータを持つ binary_data_table というテーブルを仮定します。

CREATE TABLE binary_data_table (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    data BYTEA
);

INSERT INTO binary_data_table (data) VALUES
    ('\x0102030405'),
    ('\xdeadbeefcafe'),
    ('\x414243'); -- 'ABC' の ASCII コード

例1: 先頭から指定したバイト数を抽出

SELECT id, substr(data, 1, 3) AS first_three_bytes
FROM binary_data_table;

このクエリは、各行の data カラムの先頭から 3 バイトを抽出し、first_three_bytes という名前で表示します。

結果

 id | first_three_bytes
----+-------------------
  1 | \x010203
  2 | \xdea
  3 | \x414243
(3 rows)

例2: 特定の位置から最後までを抽出

SELECT id, substr(data, 4) AS from_fourth_byte
FROM binary_data_table;

このクエリは、各行の data カラムの 4 バイト目から最後までを抽出します。

結果

 id | from_fourth_byte
----+------------------
  1 | \x0405
  2 | \xbeefcafe
  3 |
(3 rows)

例3: 末尾から指定したバイト数を抽出

SELECT id, substr(data, -4, 2) AS last_two_bytes_from_fourth
FROM binary_data_table;

このクエリは、各行の data カラムの末尾から 4 バイト目の位置から 2 バイトを抽出します。

結果

 id | last_two_bytes_from_fourth
----+----------------------------
  1 | \x0203
  2 | \xde
  3 |
(3 rows)

例4: WHERE句での使用

SELECT id, data
FROM binary_data_table
WHERE substr(data, 1, 1) = '\x01';

このクエリは、data カラムの最初のバイトが \x01 である行の id と data を選択します。

結果

 id |    data
----+------------
  1 | \x0102030405
(1 row)

Python と psycopg2 での使用例

PostgreSQLをPythonから操作する際に広く使用される psycopg2 ライブラリでの substr の使用例を示します。

import psycopg2

# PostgreSQL への接続情報
DB_HOST = "localhost"
DB_NAME = "your_database"
DB_USER = "your_user"
DB_PASSWORD = "your_password"

try:
    # PostgreSQL に接続
    conn = psycopg2.connect(host=DB_HOST, database=DB_NAME, user=DB_USER, password=DB_PASSWORD)
    cur = conn.cursor()

    # データの挿入 (上記の SQL と同じデータ)
    cur.execute("DROP TABLE IF EXISTS binary_data_table")
    cur.execute("""
        CREATE TABLE binary_data_table (
            id SERIAL PRIMARY KEY,
            data BYTEA
        )
    """)
    cur.execute("INSERT INTO binary_data_table (data) VALUES (%s)", (b'\x01\x02\x03\x04\x05',))
    cur.execute("INSERT INTO binary_data_table (data) VALUES (%s)", (b'\xde\xad\xbe\xef\xca\xfe',))
    cur.execute("INSERT INTO binary_data_table (data) VALUES (%s)", (b'ABC',))
    conn.commit()

    # 例1: 先頭から指定したバイト数を抽出
    cur.execute("SELECT id, substr(data, 1, 3) FROM binary_data_table")
    results1 = cur.fetchall()
    print("先頭から3バイト:", results1)

    # 例2: 特定の位置から最後までを抽出
    cur.execute("SELECT id, substr(data, 4) FROM binary_data_table")
    results2 = cur.fetchall()
    print("4バイト目から最後まで:", results2)

    # 例3: 末尾から指定したバイト数を抽出
    cur.execute("SELECT id, substr(data, -4, 2) FROM binary_data_table")
    results3 = cur.fetchall()
    print("末尾から4バイト目の位置から2バイト:", results3)

    # 例4: WHERE句での使用 (Python側でフィルタリングすることも可能)
    cur.execute("SELECT id, data FROM binary_data_table WHERE substr(data, 1, 1) = %s", (b'\x01',))
    results4 = cur.fetchall()
    print("最初のバイトが \\x01 のデータ:", results4)

    # カーソルと接続を閉じる
    cur.close()
    conn.close()

except psycopg2.Error as e:
    print(f"PostgreSQL への接続またはクエリ実行でエラーが発生しました: {e}")

1. psycopg2 のインポート
   import psycopg2 でライブラリをインポートします。
2. 接続情報の定義
   PostgreSQL への接続に必要な情報を変数に格納します（ホスト名、データベース名、ユーザー名、パスワード）。
3. 接続とカーソルの作成
   psycopg2.connect() でデータベースに接続し、conn.cursor() でカーソルオブジェクトを作成します。カーソルは SQL クエリを実行するために使用されます。
4. テーブルの作成とデータの挿入
   上記の SQL 例と同じテーブルを作成し、サンプルデータを挿入します。Python のバイト列リテラル（b'...'）を使用して BYTEA 型のデータを表現します。プレースホルダ %s とパラメータのタプルを使用して、SQLインジェクションを防ぎます。
5. substr を使用した SELECT クエリの実行
   各例に対応する SQL クエリを cur.execute() で実行します。
6. 結果の取得
   cur.fetchall() でクエリの結果をfetchall()で取得し、print() で表示します。結果はタプルのリストとして返されます。
7. プレースホルダの使用
   WHERE 句で substr の結果と比較する際に、プレースホルダ %s を使用し、比較するバイト列をパラメータとして渡すことができます。
8. 接続のクローズ
   処理が終わったら、cur.close() と conn.close() でカーソルとデータベース接続を閉じます。
9. エラーハンドリング
   try...except ブロックを使用して、データベース接続やクエリ実行中に発生する可能性のあるエラーを捕捉し、処理します。

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スライス演算 (SQL 標準外)

PostgreSQLの配列型に対するスライス演算に似た構文は、直接 bytea 型には適用できません。しかし、bytea 型を配列型（integer[] など）に変換してからスライスし、再度 bytea 型に戻すという間接的な方法が考えられますが、効率が悪く、一般的ではありません。

バイト配列関数 (Byte Array Functions)

PostgreSQLには、bytea 型を操作するためのいくつかの組み込み関数が存在します。これらの関数を組み合わせることで、substr と同様の操作を実現できる場合があります。

• octet_length(バイナリ文字列) または length(バイナリ文字列)
  バイナリ文字列のバイト数を返します。
• set_byte(バイナリ文字列, インデックス, 値)
  指定されたバイナリ文字列の指定されたインデックスのバイト値を新しい値に更新した新しい bytea 値を返します。
• get_byte(バイナリ文字列, インデックス)
  指定されたバイナリ文字列の指定されたインデックス（0から始まる）のバイト値を整数として返します。

これらの関数をループ処理や他のSQLの制御構造と組み合わせることで、substr のような部分抽出を行うことができますが、substr ほど直接的ではありません。

例 (SQL)

-- 先頭から3バイトを抽出する代替方法 (やや冗長)
SELECT id, substring(encode(data, 'hex') FROM 1 FOR 6)::bytea
FROM binary_data_table;

-- 特定の範囲のバイトを抽出するより複雑な例
-- (get_byte をループ処理などで使用する必要がある)

上記の例では、encode(data, 'hex') で bytea を16進数表現のテキストに変換し、substring でテキストの部分文字列を抽出し、最後に ::bytea で再度バイナリに戻しています。これは substr よりも処理が多く、効率的ではありません。

プログラミング言語側の処理

PostgreSQLから bytea 型のデータをそのままプログラミング言語側に取得し、言語の機能を使って部分的なバイト列を抽出する方法です。多くのプログラミング言語には、バイト列（bytes型など）を操作するための効率的なスライス機能が備わっています。

例 (Python と psycopg2)

import psycopg2

# ... (接続情報などは前の例と同じ)

try:
    conn = psycopg2.connect(...)
    cur = conn.cursor()

    cur.execute("SELECT id, data FROM binary_data_table")
    results = cur.fetchall()

    for row in results:
        id = row[0]
        binary_data = row[1]  # bytea 型のデータが bytes 型として Python に取得される

        if binary_data:
            # Python のスライス機能で部分バイト列を抽出
            first_three_bytes = binary_data[:3]
            from_fourth_byte = binary_data[3:]
            last_two_bytes_from_fourth = binary_data[-4:-2]

            print(f"ID: {id}, 元データ: {binary_data.hex()}")
            print(f"  先頭3バイト: {first_three_bytes.hex()}")
            print(f"  4バイト目から: {from_fourth_byte.hex()}")
            print(f"  末尾から4バイト目の位置から2バイト: {last_two_bytes_from_fourth.hex()}")
        else:
            print(f"ID: {id}, データは NULL")

    cur.close()
    conn.close()

except psycopg2.Error as e:
    print(f"エラー: {e}")

解説

1. PostgreSQL から bytea 型のデータを SELECT して Python に取得すると、psycopg2 はそれを Python の bytes 型として扱います。
2. Python の bytes 型は、リストや文字列と同様にスライス操作 ([:]) をサポートしています。これにより、簡単に部分的なバイト列を抽出できます。
3. 抽出したバイト列は、必要に応じて .hex() メソッドを使って16進数表現の文字列に変換して表示できます。

利点

• 特に複雑な抽出ロジックが必要な場合に、言語側の制御構造と組み合わせやすいです。
• プログラミング言語の豊富なバイト列操作機能を利用できます。
• SQL クエリがシンプルになり、データベース側の負荷を軽減できる可能性があります。

欠点

• データベース側でフィルタリングや基本的な抽出を行っておく方が効率的な場合もあります。
• 必要な部分データだけでなく、元の bytea 型のデータ全体をネットワーク経由で取得する必要があるため、データサイズが大きい場合はネットワーク帯域を消費する可能性があります。

カスタム SQL 関数 (PL/pgSQL)

より複雑なロジックが必要な場合は、PL/pgSQLなどの手続き型言語を使ってカスタムのSQL関数を作成し、bytea 型の操作を行うことができます。この関数内で、ループ処理や条件分岐などを組み合わせて、substr よりも高度な部分抽出ロジックを実装できます。

例 (PL/pgSQL)

CREATE OR REPLACE FUNCTION get_bytea_segment(
    input_data BYTEA,
    start_pos INTEGER,
    segment_length INTEGER
)
RETURNS BYTEA
AS $$
DECLARE
    result BYTEA := '';
    data_length INTEGER := octet_length(input_data);
    i INTEGER;
    actual_start INTEGER;
    actual_end INTEGER;
BEGIN
    IF start_pos > data_length OR (start_pos < 1 AND abs(start_pos) > data_length) OR segment_length <= 0 THEN
        RETURN '\x'::BYTEA;
    END IF;

    IF start_pos >= 1 THEN
        actual_start := start_pos;
        actual_end := LEAST(start_pos + segment_length - 1, data_length);
    ELSE
        actual_start := GREATEST(1, data_length + start_pos + 1);
        actual_end := LEAST(data_length, data_length + start_pos + segment_length);
    END IF;

    FOR i IN actual_start..actual_end LOOP
        result := result || get_byte(input_data, i - 1)::BYTEA;
    END LOOP;

    RETURN result;
END;
$$ LANGUAGE plpgsql IMMUTABLE;

-- 関数の使用例
SELECT id, get_bytea_segment(data, 2, 2) AS middle_two_bytes
FROM binary_data_table;

解説

1. get_bytea_segment というカスタム関数を作成し、入力となる bytea データ、開始位置、長さを引数として受け取ります。
2. 関数の内部で、入力値のバリデーションや開始位置の調整を行い、ループ処理で get_byte 関数を使って指定範囲のバイトを取り出し、結合して結果の bytea 値を構築します。
3. このカスタム関数を通常のSQLクエリ内で使用できます。

利点

• ネットワーク経由で送信するデータ量を削減できます。
• 複雑な抽出ロジックをデータベース側にカプセル化できます。

• 関数の作成と管理の手間が増えます。
• PL/pgSQL の知識が必要です。