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字符集和排序规则

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字符集和排序规则

本文介绍了 TiDB 中支持的字符集和排序规则。

字符集和排序规则的概念

字符集 (character set) 是符号与编码的集合。TiDB 中的默认字符集是 utf8mb4，与 MySQL 8.0 及更高版本中的默认字符集匹配。

排序规则 (collation) 是在字符集中比较字符以及字符排序顺序的规则。例如，在二进制排序规则中，比较“A”和“a”的结果是不一样的：

SET NAMES utf8mb4 COLLATE utf8mb4_bin;
SELECT 'A' = 'a';
SET NAMES utf8mb4 COLLATE utf8mb4_general_ci;
SELECT 'A' = 'a';

mysql> SELECT 'A' = 'a';
+-----------+
| 'A' = 'a' |
+-----------+
|         0 |
+-----------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> SET NAMES utf8mb4 COLLATE utf8mb4_general_ci;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> SELECT 'A' = 'a';
+-----------+
| 'A' = 'a' |
+-----------+
|         1 |
+-----------+
1 row in set (0.00 sec)

TiDB 默认使用二进制排序规则。这一点与 MySQL 不同，MySQL 默认使用不区分大小写的排序规则。

支持的字符集和排序规则

目前 TiDB 支持以下字符集：

SHOW CHARACTER SET;

+---------|---------------|-------------------|--------+
| Charset | Description   | Default collation | Maxlen |
+---------|---------------|-------------------|--------+
| utf8    | UTF-8 Unicode | utf8_bin          |      3 |
| utf8mb4 | UTF-8 Unicode | utf8mb4_bin       |      4 |
| ascii   | US ASCII      | ascii_bin         |      1 |
| latin1  | Latin1        | latin1_bin        |      1 |
| binary  | binary        | binary            |      1 |
+---------|---------------|-------------------|--------+
5 rows in set (0.00 sec)

TiDB 支持以下排序规则：

mysql> show collation;
+-------------+---------+------+---------+----------+---------+
| Collation   | Charset | Id   | Default | Compiled | Sortlen |
+-------------+---------+------+---------+----------+---------+
| utf8mb4_bin | utf8mb4 |   46 | Yes     | Yes      |       1 |
| latin1_bin  | latin1  |   47 | Yes     | Yes      |       1 |
| binary      | binary  |   63 | Yes     | Yes      |       1 |
| ascii_bin   | ascii   |   65 | Yes     | Yes      |       1 |
| utf8_bin    | utf8    |   83 | Yes     | Yes      |       1 |
+-------------+---------+------+---------+----------+---------+
5 rows in set (0.01 sec)

注意：

TiDB 中的默认排序规则（后缀为 _bin 的二进制排序规则）与 MySQL 中的默认排序规则不同，后者通常是一般排序规则，后缀为 _general_ci。当用户指定了显式字符集，但依赖于待选的隐式默认排序规则时，这个差异可能导致兼容性问题。

利用以下的语句可以查看字符集对应的排序规则（以下是新的排序规则框架）下的结果：

SHOW COLLATION WHERE Charset = 'utf8mb4';

+--------------------+---------+------+---------+----------+---------+
| Collation          | Charset | Id   | Default | Compiled | Sortlen |
+--------------------+---------+------+---------+----------+---------+
| utf8mb4_bin        | utf8mb4 |   46 | Yes     | Yes      |       1 |
| utf8mb4_general_ci | utf8mb4 |   45 |         | Yes      |       1 |
+--------------------+---------+------+---------+----------+---------+
2 rows in set (0.00 sec)

TiDB 中的 `utf8` 和 `ut8mb4`

MySQL 限制字符集 utf8 为最多 3 个字节。这足以存储在基本多语言平面 (BMP) 中的字符，但不足以存储表情符号等字符。因此，建议改用字符集utf8mb4。

默认情况下，TiDB 同样限制字符集 utf8 为最多 3 个字节，以确保 TiDB 中创建的数据可以在 MySQL 中顺利恢复。你可以禁用此功能，方法是在 TiDB 配置文件中将 check-mb4-value-in-utf8 的值更改为 FALSE。

以下示例演示了在表中插入 4 字节的表情符号字符时的默认行为。utf8 字符集下 INSERT 语句不能执行，ut8mb4 字符集下可以执行 INSERT 语句：

mysql> CREATE TABLE utf8_test (
    ->  c char(1) NOT NULL
    -> ) CHARACTER SET utf8;
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

mysql> CREATE TABLE utf8m4_test (
    ->  c char(1) NOT NULL
    -> ) CHARACTER SET utf8mb4;
Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

mysql> INSERT INTO utf8_test VALUES ('😉');
ERROR 1366 (HY000): incorrect utf8 value f09f9889(😉) for column c
mysql> INSERT INTO utf8m4_test VALUES ('😉');
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

mysql> SELECT char_length(c), length(c), c FROM utf8_test;
Empty set (0.01 sec)

mysql> SELECT char_length(c), length(c), c FROM utf8m4_test;
+----------------+-----------+------+
| char_length(c) | length(c) | c    |
+----------------+-----------+------+
|              1 |         4 | 😉     |
+----------------+-----------+------+
1 row in set (0.00 sec)

不同范围的字符集和排序规则

字符集和排序规则可以在设置在不同的层次。

数据库的字符集和排序规则

每个数据库都有相应的字符集和排序规则。数据库的字符集和排序规则可以通过以下语句来设置：

CREATE DATABASE db_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [[DEFAULT] COLLATE collation_name]

ALTER DATABASE db_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [[DEFAULT] COLLATE collation_name]

在这里 DATABASE 可以跟 SCHEMA 互换使用。

不同的数据库之间可以使用不一样的字符集和排序规则。

通过系统变量 character_set_database 和 collation_database 可以查看到当前数据库的字符集以及排序规则：

create schema test1 character set utf8mb4 COLLATE uft8mb4_general_ci;

Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

use test1;

Database changed

SELECT @@character_set_database, @@collation_database;

+--------------------------|----------------------+
| @@character_set_database | @@collation_database |
+--------------------------|----------------------+
| utf8mb4                  | uft8mb4_general_ci   |
+--------------------------|----------------------+
1 row in set (0.00 sec)

create schema test2 character set latin1 COLLATE latin1_bin;

Query OK, 0 rows affected (0.09 sec)

use test2;

Database changed

SELECT @@character_set_database, @@collation_database;

+--------------------------|----------------------+
| @@character_set_database | @@collation_database |
+--------------------------|----------------------+
| latin1                   | latin1_bin           |
+--------------------------|----------------------+
1 row in set (0.00 sec)

在 INFORMATION_SCHEMA 中也可以查看到这两个值：

SELECT DEFAULT_CHARACTER_SET_NAME, DEFAULT_COLLATION_NAME
FROM INFORMATION_SCHEMA.SCHEMATA WHERE SCHEMA_NAME = 'db_name';

表的字符集和排序规则

表的字符集和排序规则可以通过以下语句来设置：

CREATE TABLE tbl_name (column_list)
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]]

ALTER TABLE tbl_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]

例如：

CREATE TABLE t1(a int) CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_general_ci;

Query OK, 0 rows affected (0.08 sec)

如果表的字符集和排序规则没有设置，那么数据库的字符集和排序规则就作为其默认值。

列的字符集和排序规则

列的字符集和排序规则的语法如下：

col_name {CHAR | VARCHAR | TEXT} (col_length)
    [CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]

col_name {ENUM | SET} (val_list)
    [CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]

如果列的字符集和排序规则没有设置，那么表的字符集和排序规则就作为其默认值。

字符串的字符集和排序规则

每一个字符串都对应一个字符集和一个排序规则，在使用字符串时指此选项可选，如下：

[_charset_name]'string' [COLLATE collation_name]

示例如下：

SELECT 'string';
SELECT _utf8mb4'string';
SELECT _utf8mb4'string' COLLATE utf8mb4_general_ci;

规则如下：

规则 1：如果指定了 CHARACTER SET charset_name 和 COLLATE collation_name，则直接使用 charset_name 字符集和 collation_name 排序规则。
规则 2：如果指定了 CHARACTER SET charset_name 且未指定 COLLATE collation_name，则使用 charset_name 字符集和 charset_name 对应的默认排序规则。
规则 3：如果 CHARACTER SET charset_name 和 COLLATE collation_name 都未指定，则使用 character_set_connection 和 collation_connection 系统变量给出的字符集和排序规则。

客户端连接的字符集和排序规则

服务器的字符集和排序规则可以通过系统变量 character_set_server 和 collation_server 获取。
数据库的字符集和排序规则可以通过环境变量 character_set_database 和 collation_database 获取。

对于每一个客户端的连接，也有相应的变量表示字符集和排序规则：character_set_connection 和 collation_connection。

character_set_client 代表客户端的字符集。在返回结果前，服务端会把结果根据 character_set_results 转换成对应的字符集，包括结果的元信息等。

可以用以下的语句来影响这些跟客户端相关的字符集变量：

SET NAMES 'charset_name' [COLLATE 'collation_name']

SET NAMES 用来设定客户端会在之后的请求中使用的字符集。SET NAMES utf8mb4 表示客户端会在接下来的请求中，都使用 utf8mb4 字符集。服务端也会在之后返回结果的时候使用 utf8mb4 字符集。 SET NAMES 'charset_name' 语句其实等于下面语句的组合：

{{< copyable "sql" >}}
```
SET character_set_client = charset_name;
SET character_set_results = charset_name;
SET character_set_connection = charset_name;
```
COLLATE 是可选的，如果没有提供，将会用 charset_name 对应的默认排序规则设置 collation_connection。

SET CHARACTER SET 'charset_name'

跟 SET NAMES 类似，等价于下面语句的组合：

SET character_set_client = charset_name;
SET character_set_results = charset_name;
SET charset_connection = @@charset_database;
SET collation_connection = @@collation_database;

服务器、数据库、表、列、字符串的字符集和排序规则的优先级

优先级从高到低排列顺序为：

字符串 > 列 > 表 > 数据库 > 服务器

字符集和排序规则的通用选择规则

规则 1：如果指定了 CHARACTER SET charset_name 和 COLLATE collation_name，则直接使用 charset_name 字符集和 collation_name 排序规则。
规则 2：如果指定了 CHARACTER SET charset_name 且未指定 COLLATE collation_name，则使用 charset_name 字符集和 charset_name 对应的默认排序规则。
规则 3：如果 CHARACTER SET charset_name 和 COLLATE collation_name 都未指定，则使用更高优先级的字符集和排序规则。

字符合法性检查

当指定的字符集为 utf8 或 utf8mb4 时，TiDB 仅支持合法的 utf8 字符。对于不合法的字符，会报错：incorrect utf8 value。该字符合法性检查与 MySQL 8.0 兼容，与 MySQL 5.7 及以下版本不兼容。

如果不希望报错，可以通过 set @@tidb_skip_utf8_check=1; 跳过字符检查。

排序规则支持

排序规则的语法支持和语义支持受到配置项 new_collations_enabled_on_first_bootstrap 的影响。这里语法支持和语义支持有所区别。语法支持是指 TiDB 能够解析和设置排序规则；而语义支持是指 TiDB 能够在比较字符串时正确地使用排序规则。

在 4.0 版本之前，TiDB 只提供了旧的排序规则框架，能够在语法上支持的绝大部分 MySQL 排序规则，但语义上所有的排序规则都当成二进制排序规则。

4.0 版本中，TiDB 增加了新的排序规则框架用于在语义上支持不同的排序规则，保证字符串比较时严格遵循对应的排序规则，详情请见下文。

旧框架下的排序规则支持

在 4.0 版本之前，TiDB 中可以指定大部分 MySQL 中的排序规则，并把这些排序规则按照默认排序规则处理，即以编码字节序为字符定序。和 MySQL 不同的是，TiDB 在比较字符前按照排序规则的 PADDING 属性将字符末尾的空格删除，因此会造成以下的行为区别：

create table t(a varchar(20) charset utf8mb4 collate utf8mb4_general_ci primary key);
Query OK, 0 rows affected
insert into t values ('A');
Query OK, 1 row affected
insert into t values ('a');
Query OK, 1 row affected # TiDB 会执行成功，而在 MySQL 中，则由于 utf8mb4_general_ci 大小写不敏感，报错 Duplicate entry 'a'。
insert into t1 values ('a ');
Query OK, 1 row affected # TiDB 会执行成功，而在 MySQL 中，则由于补齐空格比较，报错 Duplicate entry 'a '。

新框架下的排序规则支持

TiDB 4.0 新增了完整的排序规则支持框架，从语义上支持了排序规则，并新增了配置开关 new_collations_enabled_on_first_bootstrap，在集群初次初始化时决定是否启用新排序规则框架。在该配置开关打开之后初始化集群，可以通过 mysql.tidb 表中的 new_collation_enabled 变量确认是否启用新排序规则框架：

select VARIABLE_VALUE from mysql.tidb where VARIABLE_NAME='new_collation_enabled';

+----------------+
| VARIABLE_VALUE |
+----------------+
| True           |
+----------------+
1 row in set (0.00 sec)

在新的排序规则框架下，TiDB 能够支持 utf8_general_ci 和 utf8mb4_general_ci 这两种排序规则，与 MySQL 兼容。

使用 utf8_general_ci 或者 utf8mb4_general_ci 时，字符串之间的比较是大小写不敏感 (case-insensitive) 和口音不敏感 (accent-insensitive) 的。同时，TiDB 还修正了排序规则的 PADDING 行为：

create table t(a varchar(20) charset utf8mb4 collate utf8mb4_general_ci primary key);
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
insert into t values ('A');
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)
insert into t values ('a');
ERROR 1062 (23000): Duplicate entry 'a' for key 'PRIMARY' # TiDB 兼容了 MySQL 的 case insensitive collation。
insert into t values ('a ');
ERROR 1062 (23000): Duplicate entry 'a ' for key 'PRIMARY' # TiDB 修正了 `PADDING` 行为，与 MySQL 兼容。

注意：

TiDB 中 padding 的实现方式与 MySQL 的不同。在 MySQL 中，padding 是通过补齐空格实现的。而在 TiDB 中 padding 是通过裁剪掉末尾的空格来实现的。两种做法在绝大多数情况下是一致的，唯一的例外是字符串尾部包含小于空格 (0x20) 的字符时，例如 'a' < 'a\t' 在 TiDB 中的结果为 1，而在 MySQL 中，其等价于 'a ' < 'a\t'，结果为 0。

表达式中排序规则的 Coercibility 值

如果一个表达式涉及多个不同排序规则的子表达式时，需要对计算时用的排序规则进行推断，规则如下：

显式 COLLATE 子句的 coercibility 值为 0。
如果两个字符串的排序规则不兼容，这两个字符串 concat 结果的 coercibility 值为 1。目前所实现的排序规则都是互相兼容的。
列或者 CAST()、CONVERT() 和 BINARY() 的排序规则的 coercibility 值为 2。
系统常量（USER() 或者 VERSION() 返回的字符串）的 coercibility 值为 3。
常量的 coercibility 值为 4。
数字或者中间变量的 coercibility 值为 5。
NULL 或者由 NULL 派生出的表达式的 coercibility 值为 6。

在推断排序规则时，TiDB 优先使用 coercibility 值较低的表达式的排序规则。如果 coercibility 值相同，则按以下优先级确定排序规则：

binary > utf8mb4_bin > utf8mb4_general_ci > utf8_bin > utf8_general_ci > latin1_bin > ascii_bin

如果两个子表达式的排序规则不相同，而且表达式的 coercibility 值都为 0 时，TiDB 无法推断排序规则并报错。

`COLLATE` 子句

TiDB 支持使用 COLLATE 子句来指定一个表达式的排序规则，该表达式的 coercibility 值为 0，具有最高的优先级。示例如下：

select 'a' = _utf8mb4 'A' collate utf8mb4_general_ci;

+-----------------------------------------------+
| 'a' = _utf8mb4 'A' collate utf8mb4_general_ci |
+-----------------------------------------------+
|                                             1 |
+-----------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

更多细节，参考 Connection Character Sets and Collations。

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字符集和排序规则的概念

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TiDB 中的 `utf8` 和 `ut8mb4`

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表的字符集和排序规则

列的字符集和排序规则

字符串的字符集和排序规则

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服务器、数据库、表、列、字符串的字符集和排序规则的优先级

字符集和排序规则的通用选择规则

字符合法性检查

排序规则支持

旧框架下的排序规则支持

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表达式中排序规则的 Coercibility 值

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