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作者：不剪發(fā)的Tony老師

鏈接：https://blog.csdn.net/horses/article/details/104553075

本文介紹關(guān)系數(shù)據(jù)庫的設(shè)計思想：在 SQL 中，一切皆關(guān)系。

在計算機齡域有許多偉大的設(shè)計理念和思想，例如：

在?Unix?中，一切皆文件。
在面向?qū)ο蟮木幊陶Z言中，一切皆對象。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫同樣也有自己的設(shè)計思想：在?SQL?中，一切皆關(guān)系。

關(guān)系模型

關(guān)系模型（Relational model）由 E.F.Codd 博士于 1970 年提出，以集合論中的關(guān)系概念為基礎(chǔ)；無論是現(xiàn)實世界中的實體對象還是它們之間的聯(lián)系都使用關(guān)系表示。我們在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中看到的關(guān)系就是二維表（Table），由行（Row）和列（Column）組成。因此，也可以說關(guān)系表是由數(shù)據(jù)行構(gòu)成的集合。

關(guān)系模型由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、關(guān)系操作、完整性約束三部分組成。

關(guān)系模型中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是關(guān)系表，包括基礎(chǔ)表、派生表（查詢結(jié)果）和虛擬表（視圖）。
常用的關(guān)系操作包括增加、刪除、修改和查詢（CRUD），使用的就是 SQL 語言。其中查詢操作最為復雜，包括選擇（Selection）、投影（Projection）、并集（Union）、交集（Intersection）、差集（Exception）以及笛卡兒積（Cartesian product）等。
完整性約束用于維護數(shù)據(jù)的完整性或者滿足業(yè)務約束的需求，包括實體完整性（主鍵約束）、參照完整性（外鍵約束）以及用戶定義的完整性（非空約束、唯一約束、檢查約束和默認值）。

我們今天的主題是關(guān)系操作語言，也就是 SQL。

面向集合

SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）是操作關(guān)系數(shù)據(jù)庫的標準語言。SQL 非常接近英語，使用起來非常簡單。它在設(shè)計之初就考慮了非技術(shù)人員的使用需求，我們通常只需說明想要的結(jié)果（What），而將數(shù)據(jù)處理的過程（How）交給數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。所以說，SQL 才是真正給人用的編程語言！

接下來我們具體分析一下關(guān)系的各種操作語句；目的是為了讓大家能夠了解 SQL 是一種面向集合的編程語言，它的操作對象是集合，操作的結(jié)果也是集合。

在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，關(guān)系、表、集合三者通常表示相同的概念。

SELECT

下面是一個簡單的查詢語句：

SELECT?employee_id, first_name, last_name, hire_date
??FROM?employees;

它的作用就是從 employees 表中查詢員工信息。

顯然，我們都知道 FROM 之后是一個表（關(guān)系、集合）。不僅如此，整個查詢語句的結(jié)果也是一個表。

所以，我們可以將上面的查詢作為表使用：

SELECT?*
??FROM?(SELECT?employee_id, first_name, last_name, hire_date
??????????FROM?employees) t;

括號內(nèi)的查詢語句被稱為派生表，我們給它指定了一個別名叫做 t。同樣，整個查詢結(jié)果也是一個表；這就意味著我們可以繼續(xù)嵌套，雖然這么做很無聊。

我們再看一個 PostgreSQL 中的示例：

-- PostgreSQL
SELECT?*
??FROM?upper('sql');
| upper |
|-------|
| SQL |

upper()?是一個大寫轉(zhuǎn)換的函數(shù)。它出現(xiàn)再 FROM 子句中，意味著它的結(jié)果也是一個表，只不過是?1 行 1 列的特殊表。

SELECT?子句用于指定需要查詢的字段，可以包含表達式、函數(shù)值等。SELECT 在關(guān)系操作中被稱為投影（Projection），看下面的示意圖應該就比較好理解了。

除了 SELECT 之外，還有一些常用的?SQL?子句。

WHERE?用于指定數(shù)據(jù)過濾的條件，在關(guān)系運算中被稱為選擇（Selection），示意圖如下：

ORDER BY?用于對查詢的結(jié)果進行排序，示意圖如下：

總之，SQL?可以完成各種數(shù)據(jù)操作，例如過濾、分組、排序、限定數(shù)量等；所有這些操作的對象都是關(guān)系表，結(jié)果也是關(guān)系表。

在這些關(guān)系操作中，有一個比較特殊，就是分組。

GROUP BY

分組（ GROUP BY）操作和其他的關(guān)系操作不同，因為它改變了關(guān)系的結(jié)構(gòu)。來看下面的示例：

SELECT?department_id,?count(*), first_name
??FROM?employees
?GROUP?BY?department_id;

該語句的目的是按照部門統(tǒng)計員工的數(shù)量，但是存在一個語法錯誤，就是 first_name 不能出現(xiàn)在查詢列表中。原因在于按照部門進行分組的話，每個部門包含多個員工；無法確定需要顯示哪個員工的姓名，這是一個邏輯上的錯誤。

所以說，GROUP BY?改變了集合元素（數(shù)據(jù)行）的結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建了一個全新的關(guān)系。

分組操作的示意圖如下：

盡管如此，GROUP BY 的結(jié)果仍然是一個集合。

UNION

SQL 面向集合特性最明顯的體現(xiàn)就是：

UNION（并集運算）
INTERSECT（交集運算）
EXCEPT/MINUS（差集運算）

這些集合運算符的作用都是將兩個集合并成一個集合，因此需要滿足以下條件：

兩邊的集合中字段的數(shù)量和順序必須相同；
兩邊的集合中對應字段的類型必須匹配或兼容。

具體來說，UNION 和 UNION ALL 用于計算兩個集合的并集，返回出現(xiàn)在第一個查詢結(jié)果或者第二個查詢結(jié)果中的數(shù)據(jù)。

它們的區(qū)別在于?UNION排除了結(jié)果中的重復數(shù)據(jù)，UNION ALL保留了重復數(shù)據(jù)。

下面是 UNION 操作的示意圖：

INTERSECT?操作符用于返回兩個集合中的共同部分，即同時出現(xiàn)在第一個查詢結(jié)果和第二個查詢結(jié)果中的數(shù)據(jù)，并且排除了結(jié)果中的重復數(shù)據(jù)。

INTERSECT 運算的示意圖如下：

EXCEPT?或者?MINUS?操作符用于返回兩個集合的差集，即出現(xiàn)在第一個查詢結(jié)果中，但不在第二個查詢結(jié)果中的記錄，并且排除了結(jié)果中的重復數(shù)據(jù)。

EXCEPT 運算符的示意圖如下：

除此之外，DISTINCT?運算符用于消除重復數(shù)據(jù)，也就是排除集合中的重復元素。

SQL 中的關(guān)系概念來自數(shù)學中的集合理論，因此 UNION、INTERSECT 和 EXCEPT 分別來自集合論中的并集（∪\cup∪）、交集（∩\cap∩）和差集（?\setminus?）運算。

需要注意的是，集合理論中的集合不允許存在重復的數(shù)據(jù)，但是 SQL 允許。因此，SQL 中的集合也被稱為多重集合（multiset）；多重集合與集合理論中的集合都是無序的，但是 SQL 可以通過 ORDER BY 子句對查詢結(jié)果進行排序。

JOIN

在 SQL 中，不僅實體對象存儲在關(guān)系表中，對象之間的聯(lián)系也存儲在關(guān)系表中。因此，當我們想要獲取這些相關(guān)的數(shù)據(jù)時，需要使用到另一個操作：連接查詢（JOIN）。

常見的 SQL連接查類型包括內(nèi)連接、外連接、交叉連接等。其中，外連接又可以分為左外連接、右外連接以及全外連接。

內(nèi)連接（Inner Join）返回兩個表中滿足連接條件的數(shù)據(jù)，內(nèi)連接的原理如下圖所示：

左外連接（Left Outer Join）返回左表中所有的數(shù)據(jù)；對于右表，返回滿足連接條件的數(shù)據(jù)；如果沒有就返回空值。

左外連接的原理如下圖所示：

右外連接（Right Outer Join）返回右表中所有的數(shù)據(jù)；對于左表，返回滿足連接條件的數(shù)據(jù)，如果沒有就返回空值。右外連接與左外連接可以互換，以下兩者等價：

t1?RIGHT?JOIN t2
t2?LEFT?JOIN t1

全外連接（Full Outer Join）等價于左外連接加上右外連接，同時返回左表和右表中所有的數(shù)據(jù)；對于兩個表中不滿足連接條件的數(shù)據(jù)返回空值。

全外連接的原理如下圖所示：

交叉連接也稱為笛卡爾積（Cartesian Product）。兩個表的交叉連接相當于一個表的所有行和另一個表的所有行兩兩組合，結(jié)果的數(shù)量為兩個表的行數(shù)相乘。

交叉連接的原理如下圖所示：

其他類型的連接還有半連接（SEMI JOIN）、反連接（ANTI JOIN）。

集合操作將兩個集合合并成一個更大或更小的集合；連接查詢將兩個集合轉(zhuǎn)換成一個更大或更小的集合，同時獲得了一個更大的元素（更多的列）。很多時候集合操作都可以通過連接查詢來實現(xiàn)，例如：

SELECT?department_id
??FROM?departments
?UNION
SELECT?department_id
??FROM?employees;

等價于：

SELECT?COALESCE(d.department_id, e.department_id)
??FROM?departments d
??FULL?JOIN?employees e?ON?(e.department_id = d.department_id);

我們已經(jīng)介紹了許多查詢的示例，接下來看看其他的數(shù)據(jù)操作。

DML

DML?表示數(shù)據(jù)操作語言，也就是插入、更新和刪除。以下是一個插入語句示例：

CREATE?TABLE?test(id?int);

-- MySQL、SQL Server 等
INSERT?INTO?test(id)?VALUES?(1),(2),(3);

-- Oracle
INSERT?INTO?test(id)
(SELECT?1?AS?id?FROM?DUAL
UNION?ALL
SELECT?2?FROM?DUAL
UNION?ALL
SELECT?3?FROM?DUAL);

我們通過一個 INSERT 語句插入了 3 條記錄，或者說是插入了一個包含 3 條記錄的關(guān)系表。因為，UNION ALL 返回的是一個關(guān)系表。VALUES 同樣是指定了一個關(guān)系表，在 SQL Server 和 PostgreSQL 中支持以下語句：

SELECT?*
FROM?(
??VALUES(1),(2),(3)
)?test(id);

前面我們已經(jīng)說過，FROM?之后是一個關(guān)系表，所以這里的?VALUES?也是一樣。由于我們經(jīng)常插入單條記錄，并沒有意識到實際上是以表為單位進行操作。

同樣，UPDATE 和 DELETE?語句也都是以關(guān)系表為單位的操作；只不過我們習慣了說更新一行數(shù)據(jù)或者刪除幾條記錄。

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