JupySQL と chDB

chDB for Bun のインストール方法

JupySQL は、Jupyter ノートブックや IPython シェルで SQL を実行できる Python ライブラリです。 このガイドでは、chDB と JupySQL を使用してデータにクエリを実行する方法を学びます。

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セットアップ

まず、仮想環境を作成します：

python -m venv .venv
source .venv/bin/activate

次に、JupySQL、IPython、JupyterLabをインストールします。

pip install jupysql ipython jupyterlab

JupySQL は IPython で使用でき、次を実行して起動できます:

ipython

または、Jupyter Lab では次を実行します。

jupyter lab

JupyterLab を使用している場合は、このガイドの残りの手順に進む前に、ノートブックを作成してください。

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データセットのダウンロード

ここでは、選手とそのランキングの推移に関するメタデータを含む Jeff Sackmann’s tennis_atp データセットの1つを使用します。 まずはランキングファイルをダウンロードしましょう。

from urllib.request import urlretrieve

files = ['00s', '10s', '20s', '70s', '80s', '90s', 'current']
base = "https://raw.githubusercontent.com/JeffSackmann/tennis_atp/master"
for file in files:
  _ = urlretrieve(
    f"{base}/atp_rankings_{file}.csv",
    f"atp_rankings_{file}.csv",
  )

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chDB と JupySQL の設定

次に、chDB 用の dbapi モジュールをインポートします。

from chdb import dbapi

次に、chDB への接続を作成します。 永続化したデータはすべて atp.chdb ディレクトリに保存されます。

conn = dbapi.connect(path="atp.chdb")

では、sqlマジックをロードし、chDB への接続を確立します:

%load_ext sql
%sql conn --alias chdb

次に、クエリ結果が切り捨てられないよう、表示上限を表示します：

%config SqlMagic.displaylimit = None

## CSVファイル内のデータをクエリする

atp_rankings プレフィックスを持つファイルをいくつかダウンロードしました。 DESCRIBE 句を使ってスキーマを確認してみましょう。

%%sql
DESCRIBE file('atp_rankings*.csv')
SETTINGS describe_compact_output=1,
         schema_inference_make_columns_nullable=0

+--------------+-------+
|     name     |  type |
+--------------+-------+
| ranking_date | Int64 |
|     rank     | Int64 |
|    player    | Int64 |
|    points    | Int64 |
+--------------+-------+

これらのファイルに対して SELECT クエリを直接実行して、データの内容を確認することもできます。

%sql SELECT * FROM file('atp_rankings*.csv') LIMIT 1

+--------------+------+--------+--------+
| ranking_date | rank | player | points |
+--------------+------+--------+--------+
|   20000110   |  1   | 101736 |  4135  |
+--------------+------+--------+--------+

データのフォーマットが少し変です。 その日付を整えて、REPLACE 句を使って整形した ranking_date を返しましょう：

%%sql
SELECT * REPLACE (
  toDate(parseDateTime32BestEffort(toString(ranking_date))) AS ranking_date
)
FROM file('atp_rankings*.csv')
LIMIT 10
SETTINGS schema_inference_make_columns_nullable=0

+--------------+------+--------+--------+
| ranking_date | rank | player | points |
+--------------+------+--------+--------+
|  2000-01-10  |  1   | 101736 |  4135  |
|  2000-01-10  |  2   | 102338 |  2915  |
|  2000-01-10  |  3   | 101948 |  2419  |
|  2000-01-10  |  4   | 103017 |  2184  |
|  2000-01-10  |  5   | 102856 |  2169  |
|  2000-01-10  |  6   | 102358 |  2107  |
|  2000-01-10  |  7   | 102839 |  1966  |
|  2000-01-10  |  8   | 101774 |  1929  |
|  2000-01-10  |  9   | 102701 |  1846  |
|  2000-01-10  |  10  | 101990 |  1739  |
+--------------+------+--------+--------+

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CSVファイルをchDBにインポートする

次に、これらのCSVファイルのデータをテーブルに保存します。 デフォルトのデータベースはデータをディスクに永続保存しないため、まず別のデータベースを作成する必要があります。

%sql CREATE DATABASE atp

それでは次に、CSVファイル内のデータ構造に基づいてスキーマを決定する rankings という名前のテーブルを作成します：

%%sql
CREATE TABLE atp.rankings
ENGINE=MergeTree
ORDER BY ranking_date AS
SELECT * REPLACE (
  toDate(parseDateTime32BestEffort(toString(ranking_date))) AS ranking_date
)
FROM file('atp_rankings*.csv')
SETTINGS schema_inference_make_columns_nullable=0

テーブル内のデータを手早く確認してみましょう：

%sql SELECT * FROM atp.rankings LIMIT 10

+--------------+------+--------+--------+
| ranking_date | rank | player | points |
+--------------+------+--------+--------+
|  2000-01-10  |  1   | 101736 |  4135  |
|  2000-01-10  |  2   | 102338 |  2915  |
|  2000-01-10  |  3   | 101948 |  2419  |
|  2000-01-10  |  4   | 103017 |  2184  |
|  2000-01-10  |  5   | 102856 |  2169  |
|  2000-01-10  |  6   | 102358 |  2107  |
|  2000-01-10  |  7   | 102839 |  1966  |
|  2000-01-10  |  8   | 101774 |  1929  |
|  2000-01-10  |  9   | 102701 |  1846  |
|  2000-01-10  |  10  | 101990 |  1739  |
+--------------+------+--------+--------+

問題なさそうです。予想どおり、出力は CSV ファイルを直接クエリした場合と同じです。

プレイヤーのメタデータについても、同じ手順で進めます。 今回はデータが 1 つの CSV ファイルにまとまっているので、そのファイルをダウンロードしましょう:

_ = urlretrieve(
    f"{base}/atp_players.csv",
    "atp_players.csv",
)

次に、CSVファイルの内容に基づいて、players という名前のテーブルを作成します。 また、dob フィールドが Date32 型になるように整形します。

ClickHouse では、Date 型は 1970 年以降の日付しかサポートしていません。dob カラムには 1970 年より前の日付が含まれているため、代わりに Date32 型を使用します。

%%sql
CREATE TABLE atp.players
Engine=MergeTree
ORDER BY player_id AS
SELECT * REPLACE (
  makeDate32(
    toInt32OrNull(substring(toString(dob), 1, 4)),
    toInt32OrNull(substring(toString(dob), 5, 2)),
    toInt32OrNull(substring(toString(dob), 7, 2))
  )::Nullable(Date32) AS dob
)
FROM file('atp_players.csv')
SETTINGS schema_inference_make_columns_nullable=0

実行が完了したら、取り込んだデータを確認してみましょう。

%sql SELECT * FROM atp.players LIMIT 10

+-----------+------------+-----------+------+------------+-----+--------+-------------+
| player_id | name_first | name_last | hand |    dob     | ioc | height | wikidata_id |
+-----------+------------+-----------+------+------------+-----+--------+-------------+
|   100001  |  Gardnar   |   Mulloy  |  R   | 1913-11-22 | USA |  185   |    Q54544   |
|   100002  |   Pancho   |   Segura  |  R   | 1921-06-20 | ECU |  168   |    Q54581   |
|   100003  |   Frank    |  Sedgman  |  R   | 1927-10-02 | AUS |  180   |   Q962049   |
|   100004  |  Giuseppe  |   Merlo   |  R   | 1927-10-11 | ITA |   0    |   Q1258752  |
|   100005  |  Richard   |  Gonzalez |  R   | 1928-05-09 | USA |  188   |    Q53554   |
|   100006  |   Grant    |   Golden  |  R   | 1929-08-21 | USA |  175   |   Q3115390  |
|   100007  |    Abe     |   Segal   |  L   | 1930-10-23 | RSA |   0    |   Q1258527  |
|   100008  |    Kurt    |  Nielsen  |  R   | 1930-11-19 | DEN |   0    |   Q552261   |
|   100009  |   Istvan   |   Gulyas  |  R   | 1931-10-14 | HUN |   0    |    Q51066   |
|   100010  |    Luis    |   Ayala   |  R   | 1932-09-18 | CHI |  170   |   Q1275397  |
+-----------+------------+-----------+------+------------+-----+--------+-------------+

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chDBをクエリする

データのインジェストは完了しました。いよいよ楽しいパート、データのクエリです！

テニス選手は、出場したトーナメントでの成績に応じてポイントを獲得します。 各選手のポイントは、直近52週間のローリング期間で集計されます。 各選手が積み上げた最大ポイントと、その時点での順位を見つけるクエリを書いてみましょう。

%%sql
SELECT name_first, name_last,
       max(points) as maxPoints,
       argMax(rank, points) as rank,
       argMax(ranking_date, points) as date
FROM atp.players
JOIN atp.rankings ON rankings.player = players.player_id
GROUP BY ALL
ORDER BY maxPoints DESC
LIMIT 10

+------------+-----------+-----------+------+------------+
| name_first | name_last | maxPoints | rank |    date    |
+------------+-----------+-----------+------+------------+
|   Novak    |  Djokovic |   16950   |  1   | 2016-06-06 |
|   Rafael   |   Nadal   |   15390   |  1   | 2009-04-20 |
|    Andy    |   Murray  |   12685   |  1   | 2016-11-21 |
|   Roger    |  Federer  |   12315   |  1   | 2012-10-29 |
|   Daniil   |  Medvedev |   10780   |  2   | 2021-09-13 |
|   Carlos   |  Alcaraz  |    9815   |  1   | 2023-08-21 |
|  Dominic   |   Thiem   |    9125   |  3   | 2021-01-18 |
|   Jannik   |   Sinner  |    8860   |  2   | 2024-05-06 |
|  Stefanos  | Tsitsipas |    8350   |  3   | 2021-09-20 |
| Alexander  |   Zverev  |    8240   |  4   | 2021-08-23 |
+------------+-----------+-----------+------+------------+

この一覧を見ると、そのポイント総数では1位ではないにもかかわらず、多くのポイントを獲得している選手がいるのは、なかなか興味深い点です。

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クエリの保存

%%sql マジックと同じ行で --save パラメータを使用すると、クエリを保存できます。 --no-execute パラメータを指定すると、クエリは実行されません。

%%sql --save best_points --no-execute
SELECT name_first, name_last,
       max(points) as maxPoints,
       argMax(rank, points) as rank,
       argMax(ranking_date, points) as date
FROM atp.players
JOIN atp.rankings ON rankings.player = players.player_id
GROUP BY ALL
ORDER BY maxPoints DESC

保存クエリを実行すると、実行前に Common Table Expression (CTE) に変換されます。 次のクエリでは、プレイヤーが1位だったときに獲得したポイントの最大値を計算します。

%sql select * FROM best_points WHERE rank=1

+-------------+-----------+-----------+------+------------+
|  name_first | name_last | maxPoints | rank |    date    |
+-------------+-----------+-----------+------+------------+
|    Novak    |  Djokovic |   16950   |  1   | 2016-06-06 |
|    Rafael   |   Nadal   |   15390   |  1   | 2009-04-20 |
|     Andy    |   Murray  |   12685   |  1   | 2016-11-21 |
|    Roger    |  Federer  |   12315   |  1   | 2012-10-29 |
|    Carlos   |  Alcaraz  |    9815   |  1   | 2023-08-21 |
|     Pete    |  Sampras  |    5792   |  1   | 1997-08-11 |
|    Andre    |   Agassi  |    5652   |  1   | 1995-08-21 |
|   Lleyton   |   Hewitt  |    5205   |  1   | 2002-08-12 |
|   Gustavo   |  Kuerten  |    4750   |  1   | 2001-09-10 |
| Juan Carlos |  Ferrero  |    4570   |  1   | 2003-10-20 |
|    Stefan   |   Edberg  |    3997   |  1   | 1991-02-25 |
|     Jim     |  Courier  |    3973   |  1   | 1993-08-23 |
|     Ivan    |   Lendl   |    3420   |  1   | 1990-02-26 |
|     Ilie    |  Nastase  |     0     |  1   | 1973-08-27 |
+-------------+-----------+-----------+------+------------+

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パラメータを使ったクエリ

クエリでもパラメータを使用できます。 パラメータは通常の変数と同じです。

rank = 10

そして、クエリでは {{variable}} 構文を使用できます。 次のクエリは、選手が初めてトップ10入りしてから最後にトップ10入りするまでの日数が最も短かった選手を見つけます。

%%sql
SELECT name_first, name_last,
       MIN(ranking_date) AS earliest_date,
       MAX(ranking_date) AS most_recent_date,
       most_recent_date - earliest_date AS days,
       1 + (days/7) AS weeks
FROM atp.rankings
JOIN atp.players ON players.player_id = rankings.player
WHERE rank <= {{rank}}
GROUP BY ALL
ORDER BY days
LIMIT 10

+------------+-----------+---------------+------------------+------+-------+
| name_first | name_last | earliest_date | most_recent_date | days | weeks |
+------------+-----------+---------------+------------------+------+-------+
|    Alex    | Metreveli |   1974-06-03  |    1974-06-03    |  0   |   1   |
|   Mikael   |  Pernfors |   1986-09-22  |    1986-09-22    |  0   |   1   |
|   Felix    |  Mantilla |   1998-06-08  |    1998-06-08    |  0   |   1   |
|   Wojtek   |   Fibak   |   1977-07-25  |    1977-07-25    |  0   |   1   |
|  Thierry   |  Tulasne  |   1986-08-04  |    1986-08-04    |  0   |   1   |
|   Lucas    |  Pouille  |   2018-03-19  |    2018-03-19    |  0   |   1   |
|    John    | Alexander |   1975-12-15  |    1975-12-15    |  0   |   1   |
|  Nicolas   |   Massu   |   2004-09-13  |    2004-09-20    |  7   |   2   |
|   Arnaud   |  Clement  |   2001-04-02  |    2001-04-09    |  7   |   2   |
|  Ernests   |   Gulbis  |   2014-06-09  |    2014-06-23    |  14  |   3   |
+------------+-----------+---------------+------------------+------+-------+

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ヒストグラムの作成

JupySQL には、限定的ではありますが、グラフ作成機能もあります。 箱ひげ図やヒストグラムを作成できます。

ここではヒストグラムを作成しますが、その前に、まず各プレイヤーがトップ100内で獲得した順位を算出するクエリを書いて (保存して) おきましょう。 これを使って、各順位を獲得したプレイヤー数を数えるヒストグラムを作成できます。

%%sql --save players_per_rank --no-execute
select distinct player, rank
FROM atp.rankings
WHERE rank <= 100

次に、以下を実行してヒストグラムを作成します。

from sql.ggplot import ggplot, geom_histogram, aes

plot = (
  ggplot(
    table="players_per_rank",
    with_="players_per_rank",
    mapping=aes(x="rank", fill="#69f0ae", color="#fff"),
  ) + geom_histogram(bins=100)
)